Том 24 № 2 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 № 2 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Тимофеев С.П., Гринек А.В., Хуртасенко А.В., Бойчук И.П. Технология механической обработки, цифровое моделирование и реализация устройства для контроля формы крупногабаритных деталей................................................................................................................................................................ 6 Шлыков Е.С., Абляз Т.Р., Муратов К.Р. Теоретическое моделирование процесса промывки межэлектродного пространства при копировально-прошивной электроэрозионной обработки изделий, выполненных из полимерных композитных материалов.................................................................................... 25 Логинов Ю.Н., Шимов Г.В., Бушуева Н.И. Деформации в нестационарной стадии прессования прутка из алюминиевого сплава с малым коэффициентом вытяжки.................................................................... 39 Сундуков С.К. Особенности наложения ультразвуковых колебаний в процессе сварки.......................... 50 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Подгорный Ю.И., Мартынова Т.Г., Скиба В.Ю. К вопросу об ограничении неравномерности движения технологической машины в заданных пределах................................................................................. 67 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Бурков А.А., Кулик М.А., Беля А.В., Крутикова В.О. Электроискровое осаждение порошка диборида хрома на нержавеющую сталь AISI 304........................................................................................ 78 Гуляшинов П.А., Мишигдоржийн У.Л., Улаханов Н.С. Влияние борирования и алитирования на структуру и микротвердость низкоуглеродистых сталей............................................................................... 91 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ Рекомендации по написанию научной статьи ...................................................................................................... 102 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 06.06.2022. Выход в свет 15.06.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 15,0. Уч.-изд. л. 27,9. Изд. № 78. Заказ 189. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 2 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. 2 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. 24 No. 2 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Timofeev S.P., Grinek A.V., Hurtasenko A.V., Boychuk I.P. Machining technology, digital modelling and shape control device for large parts..................................................................................................................... 6 Shlykov E.S. ,Ablyaz T.R.. Muratov K.R. Theoretical simulation of the process interelectrode space fl ushing during copy-piercing EDM of products made of polymer composite materials................................................ 25 Loginov Yu.N., Shimov G.V., Bushueva N.I. Deformations in the nonstationary stage of aluminum alloy rod extrusion process with a low elongation ratio.............................................................................................. 39 Sundukov S.K. Features of the superposition of ultrasonic vibrations in the welding process........................ 50 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Podgornyj Yu.I., Martynova T.G., Skeeba V.Yu. On the issue of limiting the irregular motion of a technological machinewithin specifi ed limits.................................................................................................... 67 MATERIAL SCIENCE Burkov A.A., Kulik M.A., Belya A.V., Krutikova V.O. Electrospark deposition of chromium diboride powder on stainless steel AISI 304..................................................................................................................... 78 Gulyashinov P.A., Mishigdorzhiyn U.L., Ulakhanov N.S. Infl uence of boriding and aluminizing processes on the structure and properties of low-carbon steels........................................................................ 91 EDITORIALMATERIALS Guidelines for Writing a Scientifi c Paper ............................................................................................................ 102 Abstract requirements ......................................................................................................................................... 107 Rules for authors ................................................................................................................................................. 111 FOUNDERS MATERIALS 119 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 78 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Электроискровое осаждение порошка диборида хрома на нержавеющую сталь AISI 304 Александр Бурков 1, a, *, Мария Кулик 1, b, Александр Беля 1, c, Валерия Крутикова 2, d 1 Хабаровский Федеральный исследовательский центр Институт материаловедения ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, 680042, г. Хабаровск, Россия 2 Институт тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН, ул. Ким Ю. Чена, 65, 680000, г. Хабаровск, Россия a https://orcid.org/0000-0002-5636-4669, burkovalex@mail.ru, b https://orcid.org/0000-0002-4857-1887, marijka80@mail.ru, c https://orcid.org/0000-0001-8795-3346, whitewolf-97@mail.ru, d https://orcid.org/0000-0001-9977-2809, nm32697@gmail.com Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 2 с. 78–90 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.2-78-90 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Аустенитная нержавеющая сталь AISI 304 обладает отличными механическими свойствами и хорошей устойчивостью к окислению, а также высокой коррозионной стойкостью в самых разных средах. Благодаря этому сталь ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.762 История статьи: Поступила: 24 февраля 2022 Рецензирование: 15 марта 2022 Принята к печати: 23 марта 2022 Доступно онлайн: 15 июня 2022 Ключевые слова: Электроискровое легирование Нержавеющая сталь AISI304 Борид хрома Смачиваемость Коррозия Жаростойкость Износ Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов». АННОТАЦИЯ Введение. Аустенитная нержавеющая сталь AISI 304 является наиболее широко используемым типом нержавеющих сталей. Однако она подвержена износу вследствие недостаточно высокой твердости, а также начинает интенсивно окисляться на воздухе при температурах выше 800 °С. Применение покрытий на основе борида хрома может улучшить ее триботехнические свойства и жаростойкость. Цель работы: исследования влияния концентрации диборида хрома в анодной смеси на структуру, поведение при изнашивании, жаростойкость и коррозионные свойства электроискровых покрытий на стали AISI 304. Методы исследования. Электроискровая обработка стали AISI 304 осуществлялась в смеси железных гранул с добавкой порошка CrB2 5, 10 и 15 об.%. Структуру покрытий изучали методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа. Износостойкость покрытий исследовалась в условиях сухого трения при нагрузке 10 Н. Испытание на жаростойкость проводилось при температуре 900 оС в течение 100 часов. Результаты и обсуждение. По данным рентгенофазового анализа показано, что в условиях электроискрового воздействия CrB2 взаимодействует с расплавом железа, приводя к формированию боридов хрома и железа. Коррозионные свойства, микротвердость, коэффициент трения и износ были исследованы по сравнению со сталью AISI 304. Образцы с покрытиями показали более низкий потенциал и ток коррозии по сравнению с подложкой в 3,5 %-м растворе NaCl и от 5 до 15 раз более высокую жаростойкость. Микротвердость покрытий возрастала от 6,25 до 7,60 ГПа при увеличении добавки диборида хрома в электродной смеси. Коэффициент трения и интенсивность изнашивания всех покрытий были ниже, чем у нержавеющей стали AISI 304, при этом лучшими триботехническими характеристиками обладало покрытие, приготовленное с добавкой 5 об.% диборида хрома. Для цитирования: Электроискровое осаждение порошка диборида хрома на нержавеющую сталь AISI 304 / А.А. Бурков, М.А. Кулик, А.В. Беля, В.О. Крутикова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 2. – С. 78–90. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.2-78-90. ______ *Адрес для переписки Бурков Александр Анатольевич, к.ф.-м.н., с.н.с. Институт материаловедения ХФИЦ ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153 680042, г. Хабаровск, Россия Тел.: +79141618954 , e-mail: burkovalex@mail.ru AISI 304 является наиболее широко используемым типом нержавеющих сталей и используется в качестве компонентов конструкций, подверженных коррозии. Так, она применяется при создании ядерных реакторов, в медицинской сфере и пищевой промышленности [1]. Однако из-за низкой твердости (~2 ГПа) сталь AISI 304 сильно подвержена износу [2]. Добавление углерода может увеличить твердость нержавеющей стали, но одновременно снизит ее пластичность. Нанесение упрочняющих покрытий может повысить твердость поверхности нержа-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 79 MATERIAL SCIENCE веющей стали и улучшить ее трибологическое поведение [3, 4]. Металлокерамические (МК) материалы представляют собой композит из керамических фаз, внедренных в металлическую матрицу [5]. Благодаря керамическим включениям МК покрытия обладают высокой твердостью, а пластичная металлическая связка обеспечивает высокую прочность и адгезию с подложкой, что в совокупности приводит к высоким показателям износостойкости [6, 7]. Бориды переходных металлов обладают высокой твердостью и поэтому рассматриваются в качестве керамического компонента МК покрытий [8]. Так, в работе [9] показано, что FeCrB покрытия позволяют улучшить микротвердость и износостойкость стали ASTM 283-C. В работе [10] показано, что увеличение содержания боридной керамики в МК-покрытиях приводит к повышению их микротвердости. По данным статьи [11], микротвердость борированой стали AISI 304 может достигать 17 ГПа. Электроискровое легирование (ЭИЛ) широко применяется для нанесения МК-покрытий на металлические подложки [12–14]. ЭИЛ основано на явлении полярного переноса металла с анода на катод в процессе воздействия множества микродуговых разрядов [15]. Благодаря высокой скорости охлаждения материала после прекращения разряда формируется покрытие с исключительно мелкозернистой структурой [16]. Кроме того, ЭИЛ характеризуется высокой адгезией формируемого слоя к основе без термического влияния на объемные характеристики материала подложки [17]. Модифицированный метод ЭИЛ нелокализованным электродом в смеси гранул с порошком керамики имеет ряд преимуществ по сравнению традиционным ЭИЛ, поскольку не требует дополнительных операций по подготовке МК электродов и позволяет наносить покрытия на детали с криволинейной поверхностью в автоматическом режиме [18]. Кроме того, метод электроискровой обработки нелокализованным электродом характеризуется низкой стоимостью оборудования по сравнению с другими методами осаждения МК-покрытий. В настоящей работе для получения Fe-CrB МК-покрытий нержавеющая сталь AISI 304 обрабатывалась в смеси железных гранул с разной концентрацией порошка диборида хрома CrB2 с целью установления влияния концентрации порошка CrB2 в анодной смеси на структуру, поведение при изнашивании, жаростойкость и коррозионные свойства формируемых ЭИЛ покрытий. Методика исследований В качестве нелокализованного электрода использовались три анодные смеси из стальных гранул (сталь Ст3) в виде цилиндров (d = 4 ± 0,5 мм, h 4 ± 0,5 мм) и порошка CrB2 марки ХЧ (табл. 1). Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Содержание CrB2 в анодной смеси, обозначение и характеристики покрытий The content of CrB2 in the anode mixture, designation and characteristics of coatings Концентрация CrB2, об.% CrB2 concentration, vol.% 5 10 15 Наименование образцов Designation of samples Cr5 Cr10 Cr15 Характеристики покрытий Сharacteristics of coatings Толщина, мкм Thickness, μm 35,7 ± 2,3 33,5 ± 5,7 30,7 ± 6,1 Шероховатость (Ra), мкм Roughness (Ra), μm 7,1 ± 0,88 7,4 ± 1,14 9,1 ± 0,60 Угол смачивания водой, ° Water contact angle, ° 70,2±8,6 58,1 ± 5,8 57,6 ± 10,6
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 80 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Диаметр частиц порошка был значительно меньше, чем диаметр области воздействия разряда ~0,8 мм, и находился в диапазоне от 25 до 134 мкм с медианой 62 мкм (рис. 1). Подложка (катод) из нержавеющей стали AISI 304 (табл. 2) была изготовлена в форме цилиндра диаметром 12 мм и высотой 10 мм. Схема установки для осаждения покрытий нелокализованным анодом с добавлением порошка подробно описана в работе [19]. Генератор разрядных импульсов IMES-40 вырабатывал импульсы тока прямоугольной формы амплитудой 110 А, длительностью 100 мкс и частотой 1000 Гц при напряжении 30 В. Для предотвращения окисления поверхности образцов в рабочий объем контейнера подавался защитный газ – аргон со скоростью 10 л/мин. Кинетика массопереноса исследовалась поочередным взвешиванием катода через каждые 120 с, ЭИЛ – на аналитических весах Vibra HT120 с точностью 0,1 мг. Общее время обработки одного образца составляло 600 с. Для обеспечения воспроизводимости результатов привес катода был исследован для трех образцов из каждой серии. Структура приготовленных покрытий исследовалась с применением растрового электронного микроскопа (СЭМ) Sigma 300 VP, оснащенного спектральным анализатором INCA Energy, и рентгеновского дифрактометра ДРОН-7 в Cu-Kα-излучении. Шероховатость покрытий была измерена на профилометре TR 200. Измерение краевого угла смачивания водой осуществлялось при комнатной температуре согласно методу сидящей капли [20]. Поляризационные испытания проводились в трехэлектродной ячейке в 3,5 %-м растворе NaCl с использованием гальваностата P-2Х (Electro Chemical Instruments, Россия) со скоростью сканирования 10 мВ/с. Стандартный Ag/AgCl электрод выступал электродом сравнения, а в качестве контрэлектрода использовался спаренный платиновый электрод ЭТП-02. Перед съемкой образцы выдерживались 30 минут для стабилизации тока разомкнутой цепи. Плотность коррозионного тока была извлечена методом экстраполяции Тафеля. Тесты на циклическую жаростойкость проводили в муфельной печи при температуре 900 °С на воздухе. Образцы в виде куба с ребром 6 мм выдерживали при заданной температуре в течение ~6 ч, затем удаляли и охлаждали в эксикаторе до комнатной температуры. Общее время тестирования составляло 100 часов. Во время испытания на жаростойкость образцы помещались в керамические тигли для учета массы отслоившихся оксидов. Изменение массы образцов измеряли с использованием лабораторных весов с чувствительностью 10-4 г. Прирост массы Δm для стали 45 и покрытий после испытания на жаростойкость рассчитывали по следующей формуле: Рис. 1. Распределение частиц порошка диборида хрома по диаметру: 1 – интегральное; 2 – дифференциальное Fig. 1. Distribution of chromium diboride powder particles by diameter: 1 – integral; 2 – differential Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Химический состав стали AISI304 Chemical composition of AISI304 steel Элемент Element Fe Cr Ni Mn Cu P C S Концентрация, вес. % Concentration, wt. % 66,3…74 18 8 ≤2 ≤1 ≤0,045 ≤0,03 ≤0,03
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 81 MATERIAL SCIENCE , w m S где Δw – увеличение массы (г); S – площадь образцов (м2) соответственно. Твердость покрытий измерялась на микротвердомере ПМТ-3М при нагрузке 0,5 Н по методу Виккерса. Износостойкость и коэффициент трения образцов исследовались, следуя процедуре ASTM G99 – 17 при сухом трении скольжения на скорости 0,47 мс–1 при нагрузке 25 Н. Время тестирования составляло 20 минут. В качестве контртела использовались диски из быстрорежущей стали М45 с твердостью 60 HRC. Износ измеряли гравиметрическим способом. Образец каждого типа испытывался трехкратно. Результаты и их обсуждение Изучение массопереноса при ЭИЛ имеет важное значение для установления факта положительного привеса катода, в противном случае ЭИЛ неэффективно. Кроме того, толщина покрытия является функцией от привеса катода [21]. В ходе ЭИЛ возникали электрические разряды между стальными гранулами и подложкой, в результате которых происходил жидкофазный перенос металла с поверхности гранул на поверхность подложки. Частицы порошка, оказавшиеся на поверхности электродов в момент развития разрядного канала, сплавлялись с металлом. Это сопровождалось монотонным увеличением привеса катода (рис. 2, а). С ростом времени обработки для всех смесей наблюдалось замедление привеса катода, что также характерно для традиционного ЭИЛ [22]. Это объясняется накоплением дефектов в легированном слое и интенсификацией его электрической эрозии с ростом удельного числа разрядов [23]. Наибольший привес катода осуществлялся за 600 с. ЭИЛ наблюдался для анодной смеси Cr5, а в случае смесей Cr10 и Cr15, с учетом планок погрешностей, привес можно считать близким. Такое поведение массопереноса можно объяснить ухудшением электрического контакта и снижением частоты возникновения разрядов с ростом концентрации порошка в смеси гранул, что наблюдалось ранее для порошка кремния [24]. Поэтому с позиции достижения максимальной толщины покрытия оптимальная концентрация порошка CrB2 в смеси с железными гранулами находится около 5 об.%. На рис. 2, б показаны результаты рентгенофазового анализа (РФА) приготовленных покрытий. Из него следует, что в составе покрытий преобладал твердый раствор хрома в железе, образующий металлическую связку покрытия, а б Рис. 2. Привес катода из нержавеющей стали AISI304 в процессе ЭИЛ (а) и рентгеновские дифрактограммы осажденных покрытий (б) Fig. 2. AISI 304 stainless steel cathode weight gain during ESD (a) and X-ray diffraction patterns of deposited coatings (б)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 82 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а также присутствуют керамические фазы боридов хрома (Cr5B3, Cr2B) и железа (Fe23B6). Это указывает на то, что исходная фаза CrB2 не сохранилась в покрытии по причине высокой реакционной способности с расплавами железа и хрома в условиях электрического разряда. Таким образом, в данном случае реализуется механизм кристаллизации керамических фаз из расплава после прекращения разряда. На рис. 3, а показано изображение поперечного сечения покрытия Cr5 и данные профиля распределения элементов согласно ЭДС анализу. Покрытие имеет немного более темный оттенок по сравнению с подложкой из-за обогащения бором, который не фиксировал ЭДС анализ. Рис. 3, б показывает резкий переход между осажденным слоем и подложкой, а также указывает на уменьшение концентрации элементов подложки а б Рис. 3. СЭМ-изображение элементов в поперечном сечении покрытия Cr5 в режиме обратно-отраженных электронов (а) и ЭДС-распределение элементов по глубине (б) Fig. 3. SEM image of the elements of the cross-section of the Cr5 coating in the back scattered electrons mode (a) and EDS distribution of elements in depth (б) в структуре покрытия, что объясняется переносом железа из гранул. Покрытие имело плотную однородную структуру с небольшим количеством мелких пор. С ростом концентрации порошка в анодной смеси монотонно снижалась средняя толщина покрытий с 35,7 до 30,7 мкм, а шероховатость (Ra) возрастала от 7,1 до 9,1 мкм (см. табл. 1). Для исследования гидрофобных свойств поверхности покрытий был измерен краевой угол смачивания водой (УСВ), который обратно пропорционален поверхностной энергии. Как показано в табл. 1, УСВ уменьшался с 70,2 до 57,6° с ростом концентрации CrB2 в анодной смеси, что означает снижение гидрофобности их поверхности. Однако в целом электроискровые Fe-Cr-B покрытия обладали меньшей поверхностной энергией и большей гидрофобностью по сравнению с нержавеющей сталью AISI 304 (УСВ 48,9°). На рис. 4 показаны результаты поляризационных испытаний образцов в 3,5 %-м растворе Рис. 4. Тафелевские поляризационные кривые покрытий и подложки Fig. 4. Tafel polarization curves of coatings and substrate
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 83 MATERIAL SCIENCE Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Коррозионные параметры покрытий Corrosion parameters of coatings Параметры Parameters Образцы Samples AISI304 Cr5 Cr10 Cr15 Ecorr, V –0,777 –0,646 –0,603 –0,489 Icorr, μA/сm2 42,24 20,66 14,80 11.47 NaCl при комнатной температуре. На нем видно, что потенциодинамические кривые всех покрытий демонстрируют значительно больший потенциал коррозии Ecorr по сравнению со сталью AISI 304. Для детального описания коррозионного поведения образцов по наклонам тафелевских участков потенциодинамических кривых был рассчитан ток коррозии Icorr (табл. 3). Из табл. 3 следует, что с ростом количества порошка CrB2 в смеси гранул ток коррозии покрытий монотонно снижался, что указывает на улучшение антикоррозионного поведения. Таким образом, насыщение поверхности стали AISI 304 боридом хрома позволяет улучшить ее антикоррозионное поведение. Это объясняется барьерным действием тонкой пленки Cr2O3, неизбежно формирующейся на поверхности металлического хрома [25]. Кроме того, керамические фазы ограничивают площадь контакта металла с электролитом [6]. На рис. 5, а показаны результаты циклических испытаний Fe-Cr-B покрытий на жаростойкость при температуре 900 °С. Привес образцов с покрытиями по результатам 100 часов испытаний составил от 17 до 51 г/м2. Наименьший привес наблюдался у образца Cr15, а наибольший – у Cr10, однако в данном случае величина привеса не является однозначным критерием интенсивности окисления. Так, на вставке к рис. 5, а видно, а б Рис. 5. Жаростойкость покрытий при температуре 900 °С на воздухе (а) и рентгеновские дифрактограммы поверхности образцов после испытания на жаростойкость (б) Fig. 5. Oxidation resistance of coatings at a temperature of 900 °С in air (a) and X-ray patterns of the surface of samples after the oxidation resistance test (б)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 84 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ что сталь AISI 304 без покрытия в первом цикле испытания прибавила в весе, а в последующих монотонно теряла вещество. Это нельзя объяснить отслоением оксидных слоев, как было сказано в работе [26], по причине нахождения образцов в керамических тиглях в процессе испытания на жаростойкость. Поэтому единственным объяснением наблюдаемой потери массы стали AISI 304 может быть выгорание углерода, фосфора и серы, входящих в ее состав (см. табл. 2). Примечательно, что в вышеуказанной работе за 100 часов испытаний при 900 °С привес стали AISI 304 составил всего 6,5 г/м2, а в работе [27] – 22,2 г/м2 за 90 часов. Скорость окисления образца Cr5 была наибольшей среди покрытий до 65 часов, а затем привес прекратился, что можно объяснить действием двух разнонаправленных процессов: потерей массы подложкой и привесом покрытия. Таким образом, жаростойкость покрытия Cr5 можно квалифицировать как наихудшую. Лучшей жаростойкостью обладало покрытие Cr15. Привес в процессе высокотемпературного окисления обусловлен фиксацией кислорода на поверхности образцов с образованием магнетита Fe2O3 и гематита Fe2O3 (рис. 5, б). По данным РФА на поверхности образцов после испытания на жаростойкость также наблюдался феррохром Fe0.52Cr1.36, интенсивность рефлексов которого монотонно возрастала от образца Cr5 к Cr15. Это объясняется снижением толщины оксидного слоя и подтверждает улучшение жаростойкости покрытий с ростом CrB2 в анодной смеси. В целом применение электроискровых Fe-Cr-B покрытий позволяет повысить жаростойкость нержавеющей стали AISI304 от 5 до 15 раз. На рис. 6 показано, что осаждение FeCr-B покрытий позволяет повысить твердость поверхности стали AISI 304 в 2,2 – 2,7 раз. С увеличением концентрации порошка CrВ2 в анодной смеси средняя микротвердость поверхности покрытий возрастала от 6,25 до 7,6 ГПа. Это может объясняться увеличением содержания хрома и боридных фаз в покрытии. Тем не менее умеренные значения твердости по сравнению с высокой твердостью боридов свидетельствуют о невысокой объемной доле керамических фаз в покрытиях, что согласуется с данными фазового анализа. В основном эти результаты согласуются с данными, полученными Рис. 6. Микротвердость покрытий по сравнению со сталью AISI 304 Fig. 6. Microhardness of coatings compared to AISI 304 steel в работе [9], где микротвердость газопламенных Fe87-xCr13Bx покрытий повышалась от 7,9 до 9 ГПа с ростом содержания бора от 1 до 4 масс.%. Кинетика изменения коэффициента трения образцов при испытании на износ в режиме сухого скольжения показана на рис. 7, а. Средние значения коэффициента трения покрытий были ниже, чем у нержавеющей стали, и находились в узком диапазоне от 0,69 до 0,71. Однако для образцов Cr10 и Cr15, осажденных с высоким содержанием порошка в анодной смеси, наблюдались узкие провалы на кривых коэффициента трения, тогда как у покрытия Cr5 кривая была гладкой. В отношении стали наблюдался высокий уровень шума на графике коэффициента трения, что связано с ее высокой пластичностью и с периодическим отложением и отслоением переносимого между трущимися поверхностями материала [28]. Так, в частности, у образцов Cr10 и Cr15 шум может быть вызван отслоением микроучастков покрытия из-за дефицита пластичной металлической связки. Результаты испытания покрытий на износ показали, что интенсивность изнашивания находилась в диапазоне 0,76…1,7 · 10–5 мм3/Нм (рис. 7, б). Она была ниже, чем у стали AISI 304, от 1,6 до 3,7 раз. Наиболее низкие значения износа продемонстрировало покрытие Cr5, что согласуется с данными по коэффициенту трения.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1