ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. В условиях возрастающей потребности современной станкоинструментальной промышленности в разработке гибридного станочного оборудования, интегрирующего механические и поверхностно-термические операции, актуальным становится исследование комбинированных технологий формирования износостойких покрытий. Объединение на единой станочной базе различных по физической природе методов обработки – механического формообразования и высокоэнергетического поверхностно-термического модифицирования – представляет собой перспективное направление повышения эффективности и качества технологических процессов. Плазменное напыление, дополненное высокоэнергетическим нагревом токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ) или формированием композиционных металлокерамических покрытий, создает предпосылки для проектирования многофункциональных гибридных систем, удовлетворяющих требованиям Индустрии 4.0. Однако вопрос сравнительной эффективности различных вариантов комбинированной обработки покрытий при трибологическом нагружении до настоящего времени остается недостаточно изученным. Цель настоящей работы: проведение систематических сравнительных испытаний износостойкости плазменных покрытий, сформированных при различных условиях комбинированной технологии напыления, в условиях сухого трения скольжения, а также формулирование рекомендаций для проектирования перспективного гибридного станочного оборудования. Методы исследования. Исследованию подвергались плазменные покрытия, напыленные порошками марок ПГ-12Н-01, ПГ-С27 и ПГН-В3К, а также подвергнутые дополнительному высокоэнергетическому индукционному оплавлению, и покрытия из механических смесей «металлический порошок – оксид алюминия (Al?O?)». Напыление производилось плазмотроном ПУН-3 при оптимизированных режимах. Высокоэнергетический нагрев осуществлялся генератором ВЧГ 6-60/0,44 с частотой 440 кГц. Испытания на износостойкость проводились по схеме непрерывного сухого трения скольжения с твердосплавным индентором из сплава ВК8 при нагрузке 20 Н. Критерием износа служил объем потери материала покрытия, определяемый по ширине лунки износа с помощью инструментального микроскопа УИМ-21. Микроструктура покрытий изучалась методами оптической металлографии. Результаты и обсуждение. Установлено, что оплавленные никелевые покрытия марки ПГ-12Н-01 обладают износостойкостью, превышающей на 35 % показатели исходного неоплавленного покрытия. При этом оплавление покрытий из высокохромистого чугуна ПГ-С27 привело к снижению износостойкости на 20 %, что связано с формированием неблагоприятной дендритной структуры. Покрытия на основе металлокерамических смесей показали наилучшие результаты: никелево-керамическая смесь ПГ-12Н-01 (20 %) + 15А (80 %) превосходит базовый вариант на 44 %, а кобальто-керамическая смесь ПГН-В3К (20 %) + 15А (80 %) обеспечивает увеличение износостойкости на 30 % по сравнению с исходным кобальтовым покрытием при практически полном прекращении износа после периода приработки. Показано, что структура металлокерамических покрытий характеризуется равномерным распределением мелкодисперсных частиц оксидной керамики в металлической матрице, что обеспечивает высокую трибологическую стойкость композиции. Результаты исследований формируют экспериментальную основу для проектирования гибридного станочного оборудования, интегрирующего механическую обработку и поверхностно-термические технологические операции.

1. Hybrid processes in manufacturing / B. Lauwers, F. Klocke, A. Klink, A.E. Tekkaya, R. Neugebauer, D. Mcintosh // CIRP Annals. – 2014. – Vol. 63 (2). – P. 561–583. – DOI: 10.1016/j.cirp.2014.05.003.

2. A review of hybrid manufacturing processes – state of the art and future perspectives / Z. Zhu, V.G. Dhokia, A. Nassehi, S.T. Newman // International Journal of Computer Integrated Manufacturing. – 2013. – Vol. 26 (7). – P. 596–615. – DOI: 10.1080/0951192X.2012.749530.

3. Industry 4.0 and Industry 5.0 – Inception, conception and perception / X. Xu, Y. Lu, B. Vogel-Heuser, L. Wang // Journal of Manufacturing Systems. – 2021. – Vol. 61. – P. 530–535. – DOI: 10.1016/j.jmsy.2021.10.006.

4. Intelligent manufacturing in the context of Industry 4.0: A review / R.Y. Zhong, X. Xu, E. Klotz, S.T. Newman // Engineering. – 2017. – Vol. 3 (5). – P. 616–630. – DOI: 10.1016/J.ENG.2017.05.015.

5. Bulk forming of sheet metal / M. Merklein, J.M. Allwood, B.-A. Behrens, A. Brosius, H. Hagenah, K. Kuzman, K. Mori, A.E. Tekkaya, A. Weckenmann // CIRP Annals. – 2012. – Vol. 61 (2). – P. 725–745. – DOI: 10.1016/j.cirp.2012.05.007.

6. Mourtzis D., Vlachou E., Milas N. Industrial Big Data as a result of IoT adoption in manufacturing // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 55. – P. 290–295. – DOI: 10.1016/j.procir.2016.07.038.

7. Design and technological aspects of integrating multi-blade machining and surface hardening on a single machine base / V. Skeeba, V. Ivancivsky, A. Chernikov, N. Martyushev, N. Vakhrushev, K. Titova // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2024. – Vol. 8 (5). – P. 200. – DOI: 10.3390/jmmp8050200. – EDN AYYIFW.

8. Advanced metallic materials and processes / А.I. Rudskoy, G.E. Kodzhaspirov, J. Kliber, Ch. Apostolopoulos // Materials Physics and Mechanics. – 2016. – Vol. 25 (1). – P. 1–8. – EDN VZLMOB.

9. Precision and efficiency of metal-cutting machines / V.V. Bushuev, A.P. Kuznetsov, F.S. Sabirov, V.S. Khomyakov, V.V. Molodtsov // Russian Engineering Research. – 2016. – Vol. 36. – P. 762–773. – DOI: 10.3103/S1068798X16090070.

10. Скиба В.Ю. Гибридное технологическое оборудование: повышение эффективности ранних стадий проектирования комплексированных металлообрабатывающих станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – С. 62–83. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-62-83. – EDN ZEASGN.

11. Virtual machine tool / Y. Altintas, C. Brecher, M. Weck, S. Witt // CIRP Annals. – 2005. – Vol. 54 (2). – P. 115–138. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)60022-5.

12. Review of current best-practices in machinability evaluation and understanding for improving machining performance / Z. Liao, J.M. Schoop, J. Saelzer, B. Bergmann, P.C. Priarone, A. Splettstößer, V.M. Bedekar, F. Zanger, Y. Kaynak // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2024. – Vol. 50. – P. 151–184. – DOI: 10.1016/j.cirpj.2024.02.008.

13. Comprehensive review of advanced methods for improving the parameters of machining steels / A.R. Machado, L.R.R. da Silva, D.Yu. Pimenov, F.C.R. de Souza, M. Kuntoglu, R.L. de Paiva // Journal of Manufacturing Processes. – 2024. – Vol. 125. – P. 111–142. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2024.07.044.

14. Integrated metrology for advanced manufacturing / A. Archenti, W. Gao, A. Donmez, E. Savio, N. Irino // CIRP Annals. – 2024. – Vol. 73 (2). – P. 639–665. – DOI: 10.1016/j.cirp.2024.05.003.

15. Multi-objective optimization of machining parameters based on an improved Hopfield neural network for STEP-NC manufacturing / Y. Zhang, G. Du, H. Li, Y. Yang, H. Zhang, X. Xu, Y. Gong // Journal of Manufacturing Systems. – 2024. – Vol. 74. – P. 222–232. – DOI: 10.1016/j.jmsy.2024.03.006.

16. Nguyen T.-N.-H., Le D.-B., Nguyen D.-T. Automation for feed motion of flat grinding machine improve accuracy and productivity machine // Materials Today: Proceedings. – 2023. – Vol. 81 (2). – P. 427–433. – DOI: 10.1016/j.matpr.2021.03.433.

17. Environmental, technological and economical aspects of cryogenic assisted hard machining operation of Inconel 718: A step towards green manufacturing / M. Danish, M.K. Gupta, S. Rubaiee, A. Ahmed, M. Sar?kaya, G.M. Krolczyk // Journal of Cleaner Production. – 2022. – Vol. 337. – P. 130483. – DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.130483.

18. Experimental study on energy consumption of computer numerical control machine tools / J. Lv, R. Tang, S. Jia, Y. Liu // Journal of Cleaner Production. – 2016. – Vol. 112 (5). – P. 3864–3874. – DOI: 10.1016/j.jclepro.2015.07.040.

19. Макаров В.М. Комплексированные технологические системы: перспективы и проблемы внедрения // Ритм: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. – 2011. – № 6 (64). – С. 20–23.

20. Макаров В.М., Лукина С.В. Уникальная синергия гибридных станков // Ритм: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. – 2016. – № 8. – С. 18–25.

21. Рыжикова Т.Н., Боровский В.Г. Исследование стратегических перспектив модернизации станкостроения // Экономический анализ: теория и практика. – 2017. – Т. 16, № 5 (464). – С. 835–850. – DOI: 10.24891/ea.16.5.835.

22. Fauchais P.L., Heberlein J.V.R., Boulos M.I. Thermal spray fundamentals. – New York: Springer, 2014. – 1566 p. – DOI: 10.1007/978-0-387-68991-3.

23. Pawlowski L. The science and engineering of thermal spray coatings. – 2nd ed. – Chichester: John Wiley & Sons, 2008. – 626 p. – ISBN 978-0-471-49049-4. – DOI: 10.1002/9780470754085.

24. Davis J.R. Handbook of thermal spray technology. – Materials Park, OH: ASM International, 2004. – 338 p. – ISBN 0871707950.

25. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 357 с. – ISBN 978-5-7038-3045-1.

26. Porosity and its significance in plasma-sprayed coatings / J.G. Odhiambo, W. Li, Y. Zhao, C. Li // Coatings. – 2019. – Vol. 9 (7). – P. 460. – DOI: 10.3390/coatings9070460.

27. A perspective on plasma spray technology / A. Vardelle, C. Moreau, N.J. Themelis, C. Chazelas // Plasma Chemistry and Plasma Processing. – 2015. – Vol. 35 (3). – P. 491–509. – DOI: 10.1007/s11090-014-9600-y.

28. Development of process maps for plasma spray: case study for molybdenum / S. Sampath, X. Jiang, A. Kulkarni, J. Matejicek, D.L. Gilmore, R.A. Neiser // Materials Science and Engineering: A. – 2003. – Vol. 348 (1–2). – P. 54–66. – DOI: 10.1016/S0921-5093(02)00642-1.

29. Pfender E. Thermal plasma technology: Where do we stand and where are we going? // Plasma Chemistry and Plasma Processing. – 1999. – Vol. 19 (1). – P. 1–31. – DOI: 10.1023/A:1021899731587.

30. A numerical study of high-velocity oxygen fuel thermal spraying process. Part I: Gas phase dynamics / D. Cheng, Q. Xu, G. Trapaga, E.J. Lavernia // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2001. – Vol. 32. – P. 1609–1620. – DOI: 10.1007/s11661-001-0139-1.

31. Li C.-J., Li W.-Y. Effect of sprayed powder particle size on the oxidation behavior of MCrAlY materials during high velocity oxygen-fuel deposition // Surface and Coatings Technology. – 2003. – Vol. 162 (1). – P. 31–41. – DOI: 10.1016/S0257-8972(02)00573-X.

32. Bisson J.-F., Gauthier B., Moreau C. Effect of plasma fluctuations on in-flight particle parameters // Journal of Thermal Spray Technology. – 2003. – Vol. 12. – P. 38–43. – DOI: 10.1361/105996303770348483.

33. On the reproducibility of air plasma spray process and control of particle state / V. Srinivasan, A. Vaidya, T. Streibl, M. Friis, S. Sampath // Journal of Thermal Spray Technology. – 2006. – Vol. 15. – P. 739–743. – DOI: 10.1361/105996306X147199.

34. Defining efficient modes range for plasma spraying coatings / E.A. Zverev, V.Yu. Skeeba, P.Yu. Skeeba, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87 (8). – P. 082061. – DOI: 10.1088/1755-1315/87/8/082061. – EDN ZRVPKV.

35. Skeeba V.Yu., Pushnin V., Kornev D. Quality improvement of wear-resistant coatings in plasma spraying integrated with high-energy heating by high frequency currents // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 788. – P. 88–94. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.788.88.

36. Bejar M.A., Henriquez R. Surface hardening of steel by plasma-electrolysis boronizing // Materials and Design. – 2009. – Vol. 30 (5). – P. 1726–1728. – DOI: 10.1016/j.matdes.2008.07.006.

37. Comparison of O₂ plasma treatment on porous low dielectric constant material at sidewall and bottom of trench structure / Y.-L. Cheng, B.-H. Lin, C.-Y. Lee, G.-S. Chen, J.-S. Fang // Thin Solid Films. – 2018. – Vol. 660. – P. 808–813. – DOI: 10.1016/j.tsf.2018.03.049.

38. Perspective of high energy heating implementation for steel surface saturation with carbon / N. Plotnikova, A. Losinskaya, V. Skeeba, E. Nikitenko // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 698. – P. 351–354. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.698.351.

39. Skeeba V.Y., Ivancivsky V.V., Martyushev N. V. Peculiarities of high-energy induction heating during surface hardening in hybrid processing conditions // Metals. – 2021. – Vol. 11 (9). – DOI: 10.3390/met11091354. – EDN EFGQUN.

40. Структура износостойких плазменных покрытий после высокоэнергетического воздействия ТВЧ / Ю.С. Чесов, Е.А. Зверев, В.В. Иванцивский, В.Ю. Скиба, Н.В. Плотникова, Д.В. Лобанов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 4 (65). – С. 11–18. – EDN SZRFDV.

41. HVOF-sprayed surface coating with various compositions of Co-NiCrAlY-Al?O? to minimize sediment erosion in hydraulic turbines / A. Pandey, A. Gupta, D. Kumar, R. Goyal // Surface and Coatings Technology. – 2024. – Vol. 481. – P. 130644. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.130644.

42. Технология получения композиционного материала на основе многофункциональной оксидной керамики / В.А. Оковитый, Ф.И. Пантелеенко, Т.Л. Талако, А.Ф. Пантелеенко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2015. – № 2 (67). – С. 39–45. – DOI: 10.17212/1994-6309-2015-2-39-45. – EDN TXTJQX.

43. Preparation of metal-ceramic composites by sonochemical synthesis of metallic nano-particles and in-situ decoration on ceramic powders / A. Poulia, P.M. Sakkas, D.G. Kanellopoulou, G. Sourkouni, C. Legros, Chr. Argirusis // Ultrasonics Sonochemistry. – 2016. – Vol. 31. – P. 417–422. – DOI: 10.1016/j.ultsonch.2016.01.031.

44. Numerical simulation of temperature field in steel under action of electron beam heating source / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, N.V. Martyushev, D.V. Lobanov, N.V. Vakhrushev, A.K. Zhigulev // Key Engineering Materials. – 2016. – Vol. 712. – P. 105–111. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.712.105.

45. Kozochkin M.P., Porvatov A.N. Estimation of uncertainty in solving multiparameter diagnostic problems // Measurement Techniques. – 2015. – Vol. 58. – P. 173–178. – DOI: 10.1007/s11018-015-0681-7.

46. Manufacturing at double the speed / J.M. Allwood, T.H.C. Childs, A.T. Clare, A.K.M. De Silva, V. Dhokia, I.M. Hutchings, R.K. Leach, D.R. Leal-Ayala, S. Lowth, C.E. Majewski, A. Marzano, J. Mehnen, A. Nassehi, E. Ozturk, M.H. Raffles, R. Roy, I. Shyha, S. Turner// Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 229. – P. 729–757. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2015.10.028.

47. Process planning for additive and subtractive manufacturing technologies / S.T. Newman,Z. Zhu, V. Dhokia, A. Shokrani // CIRP Annals. – 2015. – Vol. 64 (1). – P. 467–470. – DOI: 10.1016/j.cirp.2015.04.109.

48. Чесов Ю.С., Зверев Е.А. Исследование износостойкости покрытий, нанесенных методом плазменного напыления // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. – 2008. – № 3 (32). – С. 175–183. – EDN JUSNFT.

49. Структурные особенности износостойкихплазменных покрытий после воздействия токами высокой частоты / Е.А. Зверев, Ю.С. Чесов, Н.В. Вахрушев, П.В. Трегубчак, Д.Ю. Зарубин // Актуальные проблемы в машиностроении. – 2015. – № 2. – С. 347–353. – EDN TZDZCF.

50. Dolata A.J. Fabrication and structure characterization of alumina-aluminum interpenetrating phase composites // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2016. – Vol. 25. – P. 3098–3106. – DOI: 10.1007/s11665-016-1901-2.

51. Smart manufacturing: Past research, present findings, and future directions / H.S. Kang, J.Y. Lee, S. Choi, H. Kim, J.H. Park, J.Y. Son, B.H. Kim, S.D. Noh // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. – 2016. – Vol. 3. – P. 111–128. – DOI: 10.1007/s40684-016-0015-5.

52. Rakic S., Marjanovic U., Medic N. Advancements in smart manufacturing and Industry 4.0. // Applied Sciences. – 2025. – Vol. 15 (22). – P. 11903. – DOI: 10.3390/app152211903.