ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Дисперсные системы типа «твердые частицы в жидкой среде» имеют широкое распространение в машиностроении и применяются в технологических процессах получения соединений из металлических деталей, обеспечения качества поверхностного слоя, нанесения функциональных и защитных покрытий. Независимо от материала дисперсных частиц и матрицы основным требованием к рассматриваемым системам является однородность размеров дисперсной фазы и равномерность распределения в жидкой среде. В этом случае эффективным способом воздействия служит ультразвуковая обработка, которая позволяет за счет схлопывания кавитационных пузырьков диспергировать крупные образования или агломераты частиц при одновременном перемешивании компонентов акустическими потоками. Несмотря на наличие определенных достижений по отдельным системам, в настоящее время отсутствуют исследования, направленные на установление взаимосвязи свойств жидкой среды и дисперсной фазы с параметрами режима ультразвуковой обработки, которые определяют кавитационно-эрозионную активность и интенсивность акустических потоков. Цель работы: исследование влияния параметров ультразвуковой обработки жидких сред и дисперсных систем различной вязкости, направленное на установление взаимосвязи свойств обрабатываемой среды, режимов обработки, кавитационно-эрозионной активности и характера акустических течений. В работе исследованы модельные дисперсные системы вязкостью от 1 до 1395 мПа×с, полученные на основе смеси глицерина с водой различной концентрации с добавлением алмазной пыли и графитового порошка. Методика исследований. Для ультразвуковой обработки применялась стержневая магнитострикционная колебательная система с излучателем из сплава ВТ-3 и диаметром 30 мм. Для определения кавитационно-эрозионной активности использовались тест-объекты из алюминиевой фольги. Для сравнения кавитационных областей под торцом излучателя и определения начальной скорости акустического потока осуществлялась высокоскоростная съемка со скоростью 1212 кадров в секунду. При исследовании динамики распространения потока по всему обрабатываемому объему применялась съемка со скоростью 25 кадров в секунду. Результаты и обсуждение. Повышение вязкости жидкой среды и наличие в ней дисперсных частиц приводит к изменению кавитационной зоны под торцом излучателя, что, в свою очередь изменяет, условия образования акустического потока, который при обработке дисперсных систем образуется при меньших амплитудах ультразвуковых колебаний, чем в жидкостях. Начальные скорости акустических потоков для жидкостей и дисперсных систем различной вязкости находятся в диапазоне от 0,050 до 0,565 м/с. Из-за повышения поглощающей способности среды и роста потерь на поддержание кавитации начальная скорость для дисперсных систем ниже, чем для жидкостей, а при повышении амплитуды колебаний разница между значениями увеличивается. Картины эрозионных повреждений дисперсных систем отличаются наличием значительной площади с точечными повреждениями, являющимися следствием схлопывания кавитационных пузырьков вблизи частиц дисперсной фазы, распределенной по обрабатываемому объему. Высота зоны кавитационно-эрозионной активности составляет от 20 до 50 мм, при этом наибольшая площадь повреждений достигается при наименьшей скорости потока. Таким образом, режим обработки должен обеспечивать минимальную скорость потока, создающего силу, необходимую для подъема частиц и их агломератов со дна емкости, и при этом иметь высокую кавитационно-эрозионную активность, что обусловливает ограничение объема обрабатываемой дисперсной системы. Исследования динамики распространения акустического потока позволили установить закономерности движения потока и определить зависимости снижения его скорости при удалении от торца излучателя.

1. Ermolov A.V., Mazurovsky S.L., Kapranova A.B. Analysis of varieties of modern dispersing equipment // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. – 2024. – Vol. 58 (3). – P. 497–503. – DOI: 10.1134/S0040579524600888.

2. High?stretchability, ultralow?hysteresis conductingpolymer hydrogel strain sensors for soft machines / Z. Shen, Z. Zhang, N. Zhang, J. Li, P. Zhou, F. Hu, Y. Rong, B. Lu, G. Gu // Advanced Materials. – 2022. – Vol. 34 (32). – P. 2203650. – DOI: 10.1002/adma.202203650.

3. Optimization of strength properties of FDM printed parts – A critical review / D. Syrlybayev, B. Zharylkassyn, A. Seisekulova, M. Akhmetov, A. Perveen, D. Talamona // Polymers. – 2021. – Vol. 13 (10). – P. 1587. – DOI: 10.3390/polym13101587.

4. Azani M.-R., Hassanpour A. Nanotechnology in the fabrication of advanced paints and coatings: dispersion and stabilization mechanisms for enhanced performance // ChemistrySelect. – 2024. – Vol. 9 (19). – P. e202400844. – DOI: 10.1002/slct.202400844.

5. Вертман А.А., Самарин А.М. Свойства расплавов железа. – М.: Наука, 1969. – 280 с.

6. Rapid Ag/Sn/Ag transient liquid phase bonding for high-temperature power devices packaging by the assistance of ultrasound / H. Shao, A. Wu, Y. Bao, Y. Zhao, L. Liu, G. Zou // Ultrasonics Sonochemistry. – 2017. – Vol. 37. – P. 561–570. – DOI: 10.1016/j.ultsonch.2017.02.016.

7. Bittmann-Hennes B., Haupert F., Schlarb A.K. Preparation of TiO₂/epoxy nanocomposites by ultrasonic dispersion and their structure property relationship // Ultrasonics Sonochemistry. – 2011. – Vol. 18 (1). – P. 120–126. – DOI: 10.1016/j.ultsonch.2010.03.011.

8. Greenhall J., Homel L., Raeymaekers B. Ultrasound directed self-assembly processing of nanocomposite materials with ultra-high carbon nanotube weight fraction // Journal of Composite Materials. – 2019. – Vol. 53 (10). – P. 1329–1336. – DOI: 10.1177/0021998318801452.

9. Negrov D.A., Eremin E.N., Kuznetsov V.V. The use of ultrasonic exposure for the modification of synthesized composite materials // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2017. – Vol. 168 (1). – P. 012018. – DOI: 10.1088/1757-899X/168/1/012018.

10. Polymeric composite materials for radiation shielding: a review / C.V. More, Z. Alsayed, M.S. Badawi, A.A. Thabet, P.P. Pawar // Environmental Chemistry Letters. – 2021. – Vol. 19. – P. 2057–2090. – DOI: 10.1007/s10311-021-01189-9.

11. Nanoscale composite protective preparation for cars paint and varnish coatings / A.V. Blinov, A.A. Nagdalian, L.P. Arefeva, V.N. Varavka, O.V. Kudryakov, A.A. Gvozdenko, A.B. Golik, A.A. Blinova, D.G. Maglakelidze, D.D. Filippov, V.A. Lapin, E.D. Nazaretova, M.A. Shariati // Coatings. – 2022. – Vol. 12 (9). – P. 1267. – DOI: 10.3390/coatings12091267.

12. Thermal characterization and rheological behavior of some varnishes and paints used for wood protection / A. Mihaila, M. Danu, C. Ibanescu, I. Anghel, I.-E. Sofran, L.V. Balanescu, N. Tudorachi, G. Lisa // International Journal of Environmental Science and Technology. – 2022. – Vol. 19 (7). – P. 6299–6314. – DOI: 10.1007/s13762-021-03579-6.

13. Goh K.W.S., Tan K.L., Yeo S.H. Hybrid ultrasonic cavitation abrasive peening and electrochemical polishing on additively manufactured AlSi10Mg components // Proceedings of the 3rd International Conference on Advanced Surface Enhancement (INCASE) 2023. – Singapore: Springer, 2023. – P. 59–66. – DOI: 10.1007/978-981-99-8643-9_7.

14. Sun M., Toyserkani E. A novel hybrid ultrasound abrasive-driven electrochemical surface finishing technique for additively manufactured Ti6Al4V parts // Inventions. – 2024. – Vol. 9 (2). – P. 45. – DOI: 10.3390/inventions9020045.

15. A review on the rheological behavior and formulations of ceramic suspensions for vat photopolymerization / I. Camargo, M. Morais, C. Fortulan, M. Branciforti // Ceramics International. – 2021. – Vol. 47 (9). – P. 11906–11921. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.01.031.

16. Advances on thermally conductive epoxy?based composites as electronic packaging underfill materials – A review (Adv. Mater. 52/2022) / Y. Wen, C. Chen, Y. Ye, Z. Xue, H. Liu, X. Zhou, Y. Zhang, D. Li, X. Xie, Y. Mai // Advanced Materials. – 2022. – Vol. 34 (52). – P. 2201023. – DOI: 10.1002/adma.202270358.

17. Yunusov B., Tazhiddinova M. Research of the processes of drying, disaggregation and separation of powder cellulose in one apparatus // AIP Conference Proceedings. – 2023. – Vol. 2552 (1). – P. 050033. – DOI: 10.1063/5.0130122.

18. Structure and properties of WC–Co composites with different CrB₂ concentrations, sintered by vacuum hot pressing, for drill bits / B.T. Ratov, M.O. Bondarenko, V.A. Mechnik, V.V. Strelchuk, T.A. Prikhna, V.M. Kolodnitskyi, A.S. Nikolenko, P.M. Lytvyn, I.M. Danylenko, V.E. Moshchil, E.S. Gevorkyan, A.S. Kosminov, A.R. Borash // Journal of Superhard Materials. – 2021. – Vol. 43 (5). – P. 344–354. – DOI: 10.3103/S1063457621050051.

19. Effect of traveling-wave magnetic field on dendrite growth of high-strength steel slab: Industrial trials and numerical simulation / C. Yao, M. Wang, Y. Ni, D. Wang, H. Zhang, L. Xing, J. Gong, Y. Bao // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. – 2023. – Vol. 30 (9). – P. 1716–1728. – DOI: 10.1007/s12613-023-2629-2.

20. Microstructure and mechanical properties of high-strength, low-alloy steel thin-wall fabricated with wire and arc additive manufacturing / K. Song, Z. Lin, Y. Fa, X. Zhao, Z. Zhu, W. Ya, Z. Sun, X. Yu // Metals. – 2023. – Vol. 13 (4). – P. 764. – DOI: 10.3390/met13040764.

21. Steel for railroad rails with improved operating properties / О. Babachenko, G. Kononenko, R. Podolskyi, O. Safronova // Materials Science. – 2021. – Vol. 56 (6). – P. 814–819. – DOI: 10.1007/s11003-021-00499-1.

22. Samal S. Effect of shape and size of filler particle on the aggregation and sedimentation behavior of the polymer composite // Powder Technology. – 2020. – Vol. 366. – P. 43–51. – DOI: 10.1016/j.powtec.2020.02.054.

23. Gallego-Juarez J., Graff K. Power ultrasonics: applications of high-intensity ultrasound. – Elsevier, 2014. – 1166 p. – ISBN 978-0-12-820254-8.

24. Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Т. 3. Физические основы ультразвуковой технологии. – М.: Наука, 1970. – 689 с.

25. Приходько В.М. Ультразвуковые технологии при производстве и ремонте автотракторной техники. – М.: Техполиграфцентр, 2003. – 253 с. – ISBN 5-900095-16-9.

26. The role of surfactant headgroup, chain length, and cavitation microstreaming on the growth of bubbles by rectified diffusion / T. Leong, J. Collis, R. Manasseh, A. Ooi, A. Novell, A. Bouakaz, M. Ashokkumar, S. Kentish // The Journal of Physical Chemistry C. – 2011. – Vol. 115 (49). – P. 24310–24316. – DOI: 10.1021/jp208862p.

27. Сундуков С.К. Ультразвуковые технологии в процессах получения неразъемных соединений. – М.: Техполиграфцентр, 2023. – 269 с. – ISBN 978-5-94385-209-1.

28. Comparison of the effects of ultrasonic cavitation on the surfaces of 45 and 40Kh steels / D.S. Fatyukhin, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, A.V. Sukhov, S.K. Sundukov // Metals. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 138. – DOI: 10.3390/met12010138.

29. Химия и ультразвук / Т. Мейсон, Дж. Линдли, Р. Дэвидсон, Дж. Лоример, Т. Гудвин; пер. с англ. Л.И. Кирковского; под ред. А.С. Козьмина. – М.: Мир, 1993. – 190 с. – ISBN 5-03-002798-Х.

30. Казанцев В.Ф., Фатюхин Д.С. О механизме дегазации при высокоамплитудной ультразвуковой жидкостной обработке // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2013. – № 3 (34). – С. 37–42. – EDN QZGVVF.

31. Timothy J.M. Ultrasonic cleaning: An historical perspective // Ultrasonics Sonochemistry. – 2016. – Vol. 29. – P. 519–523. – DOI: 10.1016/j.ultsonch.2015.05.004.

32. Панов А.П. Ультразвуковая очистка прецизионных деталей. – М.: Машиностроение, 1984. – 88 с.

33. Improvement of mechanical properties of ferritic stainless steel weld metal by ultrasonic vibration / T. Watanabe, M. Shiroki, A. Yanagisawa, T. Sasaki // Journal of Materials Processing Technology. – 2010. – Vol. 210. – P. 1646–1651. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2010.05.015.

34. Cui Y., Xu C., Han Q. Microstructure improvement in weld metal using ultrasonic application // Advanced Engineering Materials. – 2007. – Vol. 9 (3). – P. 161–163. – DOI: 10.1002/adem.200600228.

35. Ganiev M.M. Influence of ultrasonic machining on physico-mechanical properties of adhesive joints and epoxide compounds // Russian Aeronautics (Iz VUZ). – 2008. – Vol. 51 (2). – P. 223–225. – DOI: 10.3103/S1068799808020190.

36. Ghosh P.K., Patel A., Kumar K. Adhesive joining of copper using nano-filler composite adhesive // Polymer. – 2016. – Vol. 87. – P. 159–169. – DOI: 10.1016/j.polymer.2016.02.006.

37. Wang J., Zhu J., Liew P.J. Material removal in ultrasonic abrasive polishing of additive manufactured components // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9 (24). – P. 5359. – DOI: 10.3390/app9245359.

38. Tan K.L., Yeo S.H. Surface modification of additive manufactured components by ultrasonic cavitation abrasive finishing // Wear. – 2017. – Vol. 378–379. – P. 90–95. – DOI: 10.1016/j.wear.2017.02.030.

39. Сундуков С.К. Особенности наложения ультразвуковых колебаний в процессе сварки // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 2. – С. 50–66. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.2-50-66.

40. Сиротюк М.Г. Ультразвуковая кавитация. Обзор // Акустический журнал. – 1962. – Т. 8, вып. 3. – С. 255–272.

41. Research on the influence of ultrasonic vibrations on paint coating properties / A.N. Livanskiy, V.M. Prikhodko, S.K. Sundukov, D.S. Fatyukhin // Transactions of Famena. – 2016. – Vol. 40 (1). – P. 129–138. – EID: 2-s2.0-84964655329.

42. Сундуков С.К., Нечай А.А., Рахматулаев А.А. Возможности ультразвуковой обработки при получении полимерных композиционных материалов // Техническая акустика: разработки, проблемы, перспективы (ТА2025): сборник материалов V Международной научной конференции. – Тольятти, 2025. – С. 40–41. – EDN EMQSZL.

43. Исследование механизмов кавитационно-абразивной обработки с помощью высокоскоростной съемки. Ч. 2 / С.К. Сундуков, Р.И. Нигметзянов, Д.С. Фатюхин, В.К. Кольдюшов // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2025. – № 8. – С. 27–34. – DOI: 10.31044/1994-6260-2025-0-8-27-34.

44. Cравнение методов ультразвуковой обработки поверхностей, полученных послойным синтезом, на примере сплава Ti6Al4V / С.К. Сундуков, Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, Д.С. Фатюхин, В.К. Кольдюшов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 2. – С. 6–28. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.2-6-28.