Том 24 № 1 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кузнецов В.П., Макаров А.В., Скоробогатов А.С., Скорынина П.А., Лучко С.Н., Сирош В.А., Чекан Н.М. Влияние нормальной силы на сглаживание и упрочнение поверхностного слоя стали 03Х16Н15М3Т1 при сухом алмазном выглаживании сферическим индентором........................................ 6 Губин Д.С., Кисель А.Г. Расчет температур при чистовом фрезеровании жаропрочного сплава марки ХН56ВМКЮ-ВД................................................................................................................................................ 23 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Братан С.М., Рощупкин С.И., Часовитина А.С., Гупта К. Влияние на вероятность удаления материала относительных вибраций абразивного инструмента и заготовки при чистовом шлифовании....... 33 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Озолин А.В., Соколов Е.Г. Влияние механической активации порошка вольфрама на структуру и свойства спеченного материала Sn-Cu-Co-W............................................................................................. 48 Коробов Ю.С., Алван Х.Л., Макаров А.В., Кукареко В.А., Сирош В.А., Филиппов М.А., Эстемирова С.Х. Сравнительная стойкость против кавитационной эрозии аустенитных сталей различного уровня метастабильности................................................................................................................................. 61 Вологжанина С.А., Иголкин А.Ф, Перегудов А.А., Баранов И.В., Мартюшев Н.В. Влияние степени деформации в условиях низких температур на превращения и свойства метастабильных аустенитных сталей.................................................................................................................................................................. 73 Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. Исследование структурно-фазового состояния и механических свойств покрытий ZrCrN, полученных вакуумно-дуговым методом.......................................................................... 87 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ Рекомендации по написанию научной статьи ...................................................................................................... 103 Подготовка аннотации ...................................................................................................................................... 107 Правила для авторов ......................................................................................................................................... 111 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 119 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 02.03.2022. Выход в свет 15.03.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 15,0. Уч.-изд. л. 27,9. Изд. № 5. Заказ 100. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 1 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 1 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 23 No. 2 2021 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kuznetsov V.P., Makarov A.V., Skorobogatov A.S., Skorynina P.A., Luchko S.N., Sirosh V.A., Chekan N.M. Normal force infl uence on smoothing and hardening of steel 03Cr16Ni15Mo3Ti1 surface layer during dry diamond burnishing with spherical indenter............................................................................ 6 Gubin D.S., Kisel’A.G. Calculation of temperatures during fi nishing milling of a nickel based alloys.......... 23 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Bratan S.M., Roshchupkin S.I., Chasovitina A.S., Gupta K. The effect of the relative vibrations of the abrasive tool and the workpiece on the probability of material removing during fi nishing grinding................. 33 MATERIAL SCIENCE OzolinA.V., Sokolov E.G. Effect of mechanical activation of tungsten powder on the structure and properties of the sintered Sn-Cu-Co-W material................................................................................................................. 48 Korobov Yu.S., Alwan H.L., Makarov A.V., Kukareko V.A., Sirosh V.A., Filippov M.A., Estemirova S. Kh. Comparative study of cavitation erosion resistance of austenitic steels with different levels of metastability................................................................................................................................................... 61 Vologzanina S.A., IgolkinA.F., PeregudovA.A., Baranov I.V., Martyushev N.V. Effect of the deformation degree at low temperatures on the phase transformations and properties of metastable austenitic steels.......... 73 Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. Investigation of the structural-phase state and mechanical properties of ZrCrN coatings obtained by plasma-assisted vacuum arc evaporation..................................................................... 87 EDITORIALMATERIALS Guidelines for Writing a Scientifi c Paper ............................................................................................................ 103 Abstract requirements ......................................................................................................................................... 107 Rules for authors ................................................................................................................................................. 111 FOUNDERS MATERIALS 119 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 61 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Сравнительная стойкость против кавитационной эрозии аустенитных сталей различного уровня метастабильности Юрий Коробов 1, a, *, Хуссам Алван 2, b, Алексей Макаров 1, c, Владимир Кукареко 3, d, Виталий Сирош 1, e, Михаил Филиппов 2, f, Светлана Эстемирова 4, g 1 Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, ул. С. Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620108, Россия 2 Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия 3 Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси, ул. Академическая, 12, г. Минск, 220072, Беларусь 4 Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук, ул. Амундсена, 101, г. Екатеринбург, 620016, Россия a https://orcid.org/0000-0003-0553-918X, yukorobov@gmail.com, b https://orcid.org/0000-0002-2955-204X, lefta.hussam@gmail.com, c https://orcid.org/0000-0002-2228-0643, av-mak@yandex.ru, d https://orcid.org/0000-0003-4283-871X, v_kukareko@mail.ru, e https://orcid.org/0000-0002-8180-9543, sirosh.imp@yandex.ru, f https://orcid.org/0000-0002-0733-4607, fi lma1936@mail.ru, g https://orcid.org/0000-0001-7039-1420, esveta100@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 1 с. 61–72 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-61-72 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.791.92: 532.528.6 История статьи: Поступила: 17 декабря 2021 Рецензирование: 17 января 2022 Принята к печати: 28 января 2022 Доступно онлайн: 15 марта 2022 Ключевые слова: Стойкость против кавитации Метастабильный аустенит Мартенситное фазовое превращение Микроструктура Наплавленные покрытия Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания ИМФ УрО РАН по темам № АААА-А18-118020190116-6, № АААА-А19-119070490049-8. Настоящее исследование поддержано проектом № IRA-SME-66316 «cladHEA+» по программе M-ERA.NET, Call 2019-II. Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов». АННОТАЦИЯ Введение. Критичные по надежности компоненты оборудования, контактирующие с высокоскоростными жидкими средами (например, лопатки турбины гидростанций, крыльчатки насосов, корабельные винты), подвержены одному из видов износа – кавитационной эрозии. Целью работы был выбор и научное обоснование вида покрытия и его структурно-фазового состояния для эффективной защиты деталей от кавитационной эрозии. Методы исследования. В исследовании проведен сравнительный анализ различий в эрозионной стойкости характерных аустенитных сталей в виде объемного материала (316L) и покрытий (E308L, 60Х8ТЮ), используемых для защиты от кавитации. Для нанесения покрытий использовали дуговую наплавку, ручную и неплавящимся электродом в аргоне. Испытания проведены на оригинальной установке оценки кавитационной стойкости материалов при наложении ультразвука и разности электрических потенциалов. Результаты и обсуждение. Результаты показывают, что 60Х8ТЮ имеет более высокую стойкость против кавитационной эрозии, чем E308L и 316L, в 4 и 10 раз соответственно. При анализе причин различий кавитационной стойкости выявлены структурные факторы, определяющие сопротивление эрозионному разрушению. Впервые установлена сильная зависимость эрозионной стойкости аустенитных сталей от интенсивности развивающегося под действием кавитации деформационного мартенситного превращения, которое способствует повышению кавитационной стойкости. В метастабильной аустенитной стали в начальный период испытаний в поверхностном слое происходит образование мартенсита деформации (α′), вызывающее рост твердости, диссипацию энергии внешнего воздействия и появление сжимающих напряжений, препятствующих возникновению микротрещин. В дальнейшем происходит дополнительное упрочнение ранее сформированных дисперсных кристаллов α′-мартенсита. В 60Х8ТЮ указанные эффекты проявились значительно сильнее, чем в E308L и 316L, вследствие более низкой стабильности аустенита и образования углеродистого мартенсита деформации. Для цитирования: Сравнительная стойкость против кавитационной эрозии аустенитных сталей различного уровня метастабильности / Ю.С. Коробов, Х.Л. Алван, А.В. Макаров, В.А. Кукареко, В.А. Сирош, М.А. Филиппов, С.Х. Эстемирова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 1. – С. 61–72. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.1-61-72. ______ *Адрес для переписки Коробов Юрий Станиславович, д.т.н., зав. лаб. лазерной и плазменной обработки Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, ул. Софьи Ковалевской, 18, 620108, г. Екатеринбург, Россия Тел.: 8 (919) 379-20-16, e-mail: yukorobov@gmail.com
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 62 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Введение Критичные по надежности компоненты оборудования, контактирующие с высокоскоростными жидкими средами (например, лопатки турбины гидростанций, крыльчатки насосов, корабельные винты), подвержены одному из видов износа – кавитационной эрозии [1–5]. Кавитация инициирует ударные волны высокого давления, свыше 1500 МПа [6, 7], а скорость возникающих микроструй жидкости может превышать 120 м/с [8–10]. На поверхности, подверженной кавитации, происходит локальная пластическая деформация с последующим разрушением частиц материала с поверхности [11, 12]. Появляющиеся при этом дефекты (микропоры или полости) приводят к снижению эффективности оборудования и увеличению затрат на ремонт [13]. На рис. 1 представлен типичный пример кавитационно-эрозионного повреждения крыльчатки насоса, изготовленной из аустенитной нержавеющей стали 316L (российский аналог 03Х18Н12М2) и используемой в системах охлаждения электростанций. Сообщается, что AISI 316 не обладает высокой стойкостью против кавитационной эрозии [14]. Поверхностная обработка перспективна для уменьшения кавитационных повреждений [15, 16]. Другим направлением повышения стойкости деталей против кавитационной эрозии является нанесение покрытий наплавкой [17–19] и газотермическим напылением [5, 20, 21]. Дуговая наплавка широко используется вследствие относительно невысокой стоимости и возможности получения при этом плотных покрытий [22]. В качестве материала для наплавки получили распространение, в частности, аустенитные электроды/проволока типа E308L-17 (российский аналог 03Х19Н10) по причине хорошей свариваемости и адекватной стойкости против кавитации [23, 24]. Метастабильные аустенитные стали (МАС) потенциально являются многообещающей альтернативой более дорогим сплавам на основе Co, Ni. В МАС приложение внешней нагрузки вызывает превращение метастабильного аустенита () в мартенсит деформации (α′), сопровождающееся синергетическими эффектами. Во-первых, увеличение доли мартенситной фазы приводит к увеличению твердости. Во-вторых, энергия внешней нагрузки, приложенная к поверхности, рассеивается из-за деформационного зарождения мартенсита. Кроме того, вследствие фазового перехода → α′ в поверхностном слое детали возникают сжимающие напряжения, препятствующие возникновению микротрещин [25]. В результате улучшается износостойкость в разных условиях (например, абразивные, гидро- и газоабразивные, эрозионные, кавитационные, адгезионные и усталостные нагрузки) [26, 27]. Для МАС 50Ni9Cr5 показано, что фазовый переход → α′ происходит при пороговом уровне внешней нагрузки от 1000 до 2500 МПа с увеличением исходного количества мартенсита с 15 до 75 %. При напряжениях, превышающих пороговое значение, количество деформационного мартенсита линейно растет с ростом напряжений [28]. Авторами получены аналогичные результаты для покрытий из МАС типа 50Cr18 под действием высоко динамичных ударных нагрузок [29], а для покрытий из 60Х8ТЮ – при абразивном воздействии [30]. Приведенный уровень внешних Рис. 1. Кавитационный износ крыльчатки водяного насоса Fig. 1. Cavitation wear of water pump impeller
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 1 2022 63 MATERIAL SCIENCE нагрузок соответствует кавитационным нагрузкам более 1500 МПа, как показано выше [6–10], что дает основание полагать возможность фазового перехода → α′ в МАС 60Х8ТЮ при кавитации. Целью данного исследования является оценка стойкости против кавитационной эрозии и анализ структурных изменений в наплавленном покрытии из стали 60Х8ТЮ в сравнении с аустенитными сталями 316L (объемная заготовка) и E308L-17 (наплавленный слой). Методика исследований В работе исследованы объемная заготовка из стали AISI 316L, покрытия на подложке из AISI 316L, наплавленные на установке ШтормLORCH, S серия (Шторм, Екатеринбург, Россия) порошковой проволокой 60Х8ТЮ 1,6 мм и электродом E308L-17 2,5 мм. Химический состав указанных материалов по данным производителей, мас. %: AISI 316L – C ≤ 0,03; Cr 16,5-18,0; Ni 10,013,0; Mo 2,0-2,5; Mn ≤ 2; P ≤ 0,045; S ≤ 0,03; Ti ≤ 0,5; остальное – Fe; 60Х8ТЮ – C 0,6; Cr 8,0; Al 1,5; Ti 1,0; остальное – Fe; E308L-17 – С 0,03; Cr 19; Ni 10; Si 0,86; Mn 0,51; Nb 0,30; P 0,03; S 0,01; остальное – Fe. Наплавку 60Х8ТЮ производили дуговой сваркой неплавящимся электродом в среде инертного газа (TIG), ток 90…110 А, напряжение 12 В и расход аргона 12…15 л/мин. Наплавку E308L-17 выполняли ручной дуговой сваркой (РДС), ток 70…75 А, напряжение 25 В. Образцы для испытаний (рис. 2) были подготовлены в соответствии с ASTM G32–10 [31], кавитации подвергалась торцевая часть образца 16 мм. Для оценки эрозионного износа использовали оригинальную установку [32], в которой реализован эффект возникновения кавитации под влиянием ультразвука на струю жидкости, поступающую на поверхность (рис. 3). Постоянство состава, напора и температуры жидкости обеспечено по алгоритму обратных связей, реализованному в контроллере. Подача напряжения между соплом и образцом добавляет электрохимическое воздействие за счет анодной поляризации, что усиливает эрозионный износ. Величина напряжения выбрана минимальной, при которой проявляется эффект ускорения эрозии. Предложенная схема кавитационного воздействия отличается от стандартизованной [31] взаимным расположением образца и струи воды и указанными выше особенностями конструкции. Это позволяет ускорить испытания, повысить достоверность и стабильность результатов в сравнении с аналогами [33, 34]. Режимы проведения кавитационных испытаний приведены в табл. 1. Стойкость против кавитационной эрозии сравнивали по критерию а б Рис. 2. Образцы для кавитационных испытаний: а – образец из стали AISI 316L; б – образец с наплавленным покрытием; 1 – наплавленный слой; 2 – подложка Fig. 2. Samples for the cavitation tests: a – AISI 316L steel sample; б – the sample with a deposited coating; 1 – deposited layer; 2 – substrate
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 64 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 3. Схема установки для испытаний на кавитационную эрозию Fig. 3. Scheme of the installation for cavitation erosion testing потери массы. Испытания на кавитацию прерывали через нерегулярные интервалы для взвешивания испытуемого образца. Перед и после каждого интервала образец очищали ацетоном, сушили теплым воздухом в течение 30…40 с и взвешивали на весах с точностью 0,5 мг. Разница между начальной массой образца и измеренной массой после кавитационных воздействий представляет собой потерю массы в каждом интервале испытаний. Для изучения фазовых превращений, происходящих при кавитации, был выполнен рентгеновский дифракционный анализ (РДА) на дифрактометре Shimadzu XRD - 7000 (Shimadzu, Япония). Условия съемки: излучение – Cu K, графитовый монохроматор, угловой диапазон 2θ = 30…115°, тип съемки–пошаговый, шаг сканирования 0,04°, экспозиция – 3 с. Анализ производили для образцов после испытаний, длительность которых соответствовала времени замеров потери массы. Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Режимы испытания на кавитационную стойкость Cavitation test modes Параметр / Parameter Значение / Value Частота колебаний, кГц / Vibration frequency, kHz 20 ± 0,1 Амплитуда колебаний, мкм / Peak-to-peak displacement amplitude, μm 53 ± 3,0 Среда испытаний / Test environment Водопроводная вода, pH 7,5 ± 0,20 / Tap water, pH 7.5 ± 0.20 Приложенное напряжение, В / Applied voltage, V 8,5 Время кавитации, мин / Testing time, min 300 Температура / Temperature Комнатная / Room Результаты и их обсуждение В табл. 2 приведены результаты кавитационных испытаний. Испытания показали, что 60Х8ТЮ имеет более высокую стойкость против кавитационной эрозии по сравнению с AISI 316L и E308L-17, примерно соответственно в 10 и 4 раза выше. Заметный рост темпа износа у AISI 316L и E308L-17 в сравнении с 60Х8ТЮ наблюдается соответственно через 40 и 90 мин. Согласно РДА (рис. 4), до кавитационных испытаний доля α-фазы в поверхностном слое 60Х8ТЮ составляла 29,5 %, в AISI 316L – 2 %,
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 1 2022 65 MATERIAL SCIENCE Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Результаты кавитационных испытаний Cavitation test results Время испытаний, мин / Testing time, min Потеря массы, мг / Weight loss, mg AISI 316L E308L-17 60Х8ТЮ 0 0,00 0,00 0,00 5 0,67 0,47 0,10 10 1,10 0,75 0,31 20 1,65 0,90 0,66 40 2,02 1,03 0,87 60 2,90 1,13 0,99 90 5,04 1,57 1,24 120 7,74 2,43 1,48 180 15,44 4,72 1,76 240 22,13 8,07 2,06 300 28,65 12,13 2,49 а б в Рис. 4. Рентгеновские дифрактограммы образцов перед кавитационными испытаниями: а – AISI 316L; б – E308L-17; в – 60Х8ТЮ Fig. 4. XRD patterns of the samples before cavitation tests: а – AISI 316L; б – E308L-17; в – 60Cr8TiAl а в поверхностном слое покрытия E308L-17 α-фазы обнаружено не было. Представленное сочетание аустенита и мартенсита в 60Х8ТЮ обусловлено влиянием легирующих элементов. Углерод является сильным аустенизатором, а при данном соотношении C/Cr начальная температура мартенситного превращения (Ms) уменьшается. Расчеты по прогнозным уравнениям применительно к основному химическому составу 0,6 % C и 8 % Cr [35] показали, что Ms находится в диапазоне 170…220 °C. Алюминий и титан в указанных пределах провоцируют γ→α-превращение и способствуют увеличению количества центров кристаллизации и получению мелкозернистой структуры [36]. В процессе испытаний согласно РДА зафиксировано увеличение количества мартенсита деформации в поверхностном слое всех образцов, рис. 5. В 60Х8ТЮ доля мартенсита увеличилась до 73 %, что значительно выше, чем в E308L-17 и
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 1 2022 66 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 5. Изменение доли мартенсита при кавитационных испытаниях Fig. 5. Change in the proportion of martensite during cavitation tests AISI 316L. Это свидетельствует о значительном понижении стабильности аустенита в 60Х8ТЮ. Образование мартенсита деформации вызывает рост твердости, диссипацию энергии внешнего воздействия и появление сжимающих напряжений, препятствующих возникновению микротрещин. Для 60Х8ТЮ и E308L-17 угол наклона кривых зависимости доли мартенсита от продолжительности испытаний меняется, что свидетельствует о стабилизации аустенита. В дальнейшем при незначительном увеличении доли мартенсита происходит дополнительное деформационное упрочнение ранее сформированных дисперсных кристаллов α′-мартенсита. Для стали AISI 316L в течение первых 60 мин кавитации заметного образования ′-мартенсита не наблюдалось. Это свидетельствует о высокой стабильности аустенита, что подтверждается и другими исследованиями [26]. Только длительное кавитационное воздействие (в течение 300 мин) привело к образованию 25 % мартенсита на поверхности металла. Это означает, что формирование α′-мартенсита происходит в уже упрочненном аустените этой стали. Сопоставление результатов кавитационных испытаний и данных РДА показывает, что имеет место корреляционная зависимость эрозионной стойкости аустенитных сталей от интенсивности развивающегося под действием кавитации мартенситного превращения, которое способствует повышению кавитационной стойкости, рис. 6. Сильное влияние мартенситного превращения на стойкость против кавитационной эрозии показано также для аустенитной стали 304 [37, 38], близкой по системе легирования рассмотренной стали AISI 316 и покрытию из E308L-17. Таким образом, можно заключить, что кавитационное нагружение покрытия из 60Х8ТЮ приводит к фазовому превращению γ→′аналогично абразивному воздействию. Это вызывает характерные для метастабильных аустенитных сталей синергетические эффекты повышения твердости, диссипации энергии, росту напряжений в поверхностном слое. Результатом этих эффектов является повышенная стойкость покрытия из 60Х8ТЮ в сравнении с распространенными материалами для деталей, работающих в применениях с кавитационным нагружением. Выводы 1. Показан и обоснован механизм поверхностного упрочнения в метастабильной аустенитной стали в процессе кавитации. В начальный период испытаний в поверхностном слое происходит образование мартенсита деформации (α′). В дальнейшем происходит дополнительное деРис. 6. Корреляция между эрозионным износом и интенсивностью мартенситного превращения при кавитации Fig. 6. Correlation between erosive wear and the intensity of martensitic transformation during cavitation
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 1 2022 67 MATERIAL SCIENCE формационное упрочнение ранее сформированных дисперсных кристаллов α′-мартенсита. 2. Кавитационное воздействие на поверхность метастабильной аустенитной стали приводит к деформационному превращению мартенсита, как и при ранее рассмотренных воздействиях на аналогичные стали высокодинамичных ударных нагрузок и абразивного изнашивания. Это свидетельствует об одинаковом уровне внешних удельных нагрузок при всех указанных видах нагружения. 3. Имеет место корреляционная зависимость эрозионной стойкости аустенитных сталей от интенсивности развивающегося под действием кавитации мартенситного превращения. В покрытии из стали 60Х8ТЮ с наибольшей интенсивностью указанного превращения эрозионная стойкость выше соответственно в 4 и 10 раз в сравнении с типовыми для применений с кавитационным нагружением, сталью AISI 316L и покрытием из стали E308L-17. Список литературы 1. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационно-стойкие сплавы. – М.: Металлургия, 1972. – 192 с. 2. Singh R., Tiwari S.K., Mishra S.K. Cavitation erosion in hydraulic turbine components and mitigation by coatings: current status and future needs // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2012. – Vol. 21. – P. 1539–1551. – DOI: 10.1007/s11665-011-0051-9. 3. Adamkowski A., Henke A., Lewandowski M. Resonance of torsional vibrations of centrifugal pump shafts due to cavitation erosion of pump impellers // Engineering Failure Analysis. – 2016. – Vol. 70. – P. 56–72. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2016.07.011. 4. Горбаченко Е.О. Оценка долговечности металлических материалов и судового оборудования при кавитационном изнашивании методом профилометрии: дис. … канд. техн. наук. – СПб., 2019. – 150 с. 5. Сопротивление эрозионно-коррозионному кавитационному воздействию WC–CoCr- и WC–NiCr-покрытий, полученных методом HVAF / Ю.С. Коробов, Х.Л. Алван, М. Барбоза, Н.В. Лежнин, Н.Н. Соболева, А.В. Макаров, М.С. Девятьяров, А.Ю. Давыдов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2019. – Т. 21, № 1. – С. 20–27. – DOI: 10.15593/2224-9877/2019.1.03. 6. Vyas B., Preece C. Cavitation erosion of face centered cubic metals // Metallurgical and Materials Transactions A. – 1977. – Vol. 8. – P. 915–923. – DOI: 10.1007/BF02661573. 7. Brujan E.A., Ikedab T., Matsumoto Y. Shock wave emission from a cloud of bubbles // Soft Matter. – 2012. – Vol. 8, iss. 21. – P. 5777–5783. – DOI: 10.1039/ C2SM25379H. 8. LauterbornW., BolleH. Experimental investigation of cavitation bubble collapse in the neighborhood of a solid boundary // Journal of Fluid Mechanics. – 1975. – Vol. 72. – P. 391–399. – DOI: 10.1017/ S0022112075003448. 9. Plesset M.S., Chapman R.B. Collapse of an initially spherical vapor cavity in the neighborhood of a solid boundary // Journal of Fluid Mechanics. – 1971. – Vol.47. –P.283–290.–DOI:10.1017/S0022112071001058. 10. Relationship between cavitation structures and cavitation damage / M. Dular, B. Bachert, B. Stoffel, B. Širok // Wear. – 2004. – Vol. 257. – P. 1176–11841. – DOI: 10.1016/j.wear.2004.08.004. 11. Vyas B., Preece C. Stress produced in a solid by cavitation // Journal of Applied Physics. – 1976. – Vol. 47. – P. 5133–5138. – DOI: 10.1063/1.322584. 12. Pohl M., Stella J., Hessing C. Comparative study on CuZnAl and CuMnZnAlNiFe shape memory alloys subjected to cavitation-erosion // Advanced Engineering Materials. – 2003. – Vol. 5. – P. 251–256. – DOI: 10.1002/ adem.200300341. 13. Espitia L.A., Toro A. Cavitation resistance, microstructure and surface topography of materials used for hydraulic components // Tribology International. – 2010. – Vol. 43. – P. 2037–2045. – DOI: 10.1016/j. triboint.2010.05.009. 14. Chiu K.Y., Cheng F.T., Man H.C. Cavitation erosion resistance of AISI 316L stainless steel laser surface-modifi ed with NiTi // Materials Science and Engineering: A. – 2005. – Vol. 392. – P. 348–358. – DOI: 10.1016/j.msea.2004.09.035. 15. Residual stress and microstructure evolutions of SAF 2507 duplex stainless steel after shot peening / M. Chen, H. Liu, L. Wang, Z. Xu, V. Ji, C. Jiang // Applied Surface Science. – 2018. – Vol. 459. – P. 155– 163. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.07.182. 16. Park I.-C., Kim S.-J. Effect of pH of the sulfuric acid bath on cavitation erosion behavior in natural seawater of electroless nickel plating coating // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 483. – P. 194–204. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.03.277. 17. Cavitation erosion-corrosion resistance of deposited austenitic stainless steel/E308L-17 electrode / H.L.Alwan,Yu.S.Korobov,N.N. Soboleva,N.V.Lezhnin, A.V. Makarov, E.P. Nikolaeva, M.S. Deviatiarov // Solid State Phenomena. – 2020. – Vol. 299. – P. 908–913. – DOI: 10.4028/www.scientifi c.net/SSP.299.908. 18. Gualco A., Svoboda H.G., Surian E.S. Effect of welding parameters on microstructure of Fe-based nanostructured weld overlay deposited through FCAW-S // Welding International. – 2016. – Vol. 30. – P. 573–580. – DOI: 10.1080/ 09507116.2015.1096533.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1