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 91 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Влияние борирования и алитирования на структуру и микротвердость низкоуглеродистых сталей Павел Гуляшинов 1, a, *, Ундрах Мишигдоржийн 2, b, Николай Улаханов 3, 2, c 1 Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой, 6, г. Улан-Удэ, 670047, Россия 2 Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 6, г. Улан-Удэ, 670047, Россия 3 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, ул. Ключевская 40В, г. Улан-Удэ, 670013, Россия a https://orcid.org/0000-0001-6776-9314, gulpasha@mail.ru, b https://orcid.org/0000-0002-7863-9045, undrakh@ipms.bscnet.ru, c https://orcid.org/0000-0002-0635-4577, nulahanov@mail.ru. Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 2 с. 91–101 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.2-91-101 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Важной проблемой современного материаловедения является повышение прочности и износостойкости инструментов и различных деталей машин за счет применения диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов разИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669 - 15:621.793.6 Ключевые слова: Химико-термическая обработка (ХТО) Борирование Алитирование Карбид бора Алюминий Углеродистая сталь Легированная сталь Финансирование: Исследование выполнено при финансовом обеспечении гранта Российского Научного Фонда (проект 19-79-10163). Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов». АННОТАЦИЯ Введение. Борирование и алитирование являются одними из наиболее эффективных методов повышения эксплуатационных свойств (коррозионная стойкость, жаро- и износостойкость) деталей машин и инструментов. Твердофазные способы проведения данных методов химико-термической обработки (ХТО) требуют длительной выдержки при высокой температуре, что отрицательно влияет на структуру и свойства материала основы. В связи с этим подбор обоснованных температурновременных параметров процессов твердофазного борирования и алитирования является актуальной задачей. Цель настоящей работы заключается в оценке влияния процессов низкотемпературного борирования и алитирования на структуру и микротвердость диффузионных слоев на поверхности низкоуглеродистых сталей. В работе рассмотрены две марки сталей с содержанием углерода до 0,4 %: низкоуглеродистая сталь Ст3 и легированная сталь 3Х2В8Ф. Использование второй стали вызвано необходимостью выявить влияние легирующих элементов в стали на толщину диффузионных слоев и их состав. В качестве источников бора и алюминия выбраны порошковые смеси на основе карбида бора и алюминия. Результаты и обсуждения. Установлено, что при температуре процесса 900 °С и выдержке 2 часа после борирования на поверхности обеих сталей образуются бориды железа. При этом на стали Ст3 рентгенофазовым анализом (РФА) обнаружено два борида: FeB и Fe2B, а на стали 3Х2В8Ф – только фаза Fe2B. После алитирования обеих сталей образуется алюминий, содержащий фазы, такие как Al5Fe2, Na3AlF6 и Al2O3. Толщина полученного диффузионного слоя на Ст3 после борировании составляет 35 мкм, при алитировании – 65 мкм. Толщина диффузионного слоя на стали 3Х2В8Ф равна 15 мкм после борирования и 50 мкм после алитирования, что значительно меньше, чем на углеродистой стали, и, очевидно, связано с влиянием легирующих элементов. ХТО привела к значительному повышению микротвердости поверхности образцов. Так, максимальная микротвердость стали Ст3 возросла до 1920 HV, а стали 3Х2В8Ф до 1685 HV после борирования. Микротвердость после алитирования сопоставима для обеих сталей и равна 1000…1100 HV. Элементный анализ верхних участков диффузионных слоев показал соответствие содержания бора (7…9 %) и алюминия (50…53 %) обнаруженным РФА боридам и алюминидам железа. Во всех случаях наблюдается плавное снижение диффундирующих элементов по направлению от поверхности к основе. Для цитирования: Гуляшинов П.А., Мишигдоржийн У.Л., Улаханов Н.С. Влияние борирования и алитирования на структуру и микротвердость низкоуглеродистых сталей // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 2. – С. 91–101. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.2-91-101. ______ *Адрес для переписки Гуляшинов Павел Анатольевич, к.т.н., научный сотрудник Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой, 6, 670047, г. Улан-Удэ, Россия Тел.: 8 (3012) 43-36-76, e-mail: gulpasha@mail.ru. История статьи: Поступила: 15 марта 2022 Рецензирование: 06 апреля 2022 Принята к печати: 27 апреля 2022 Доступно онлайн: 15 июня 2022
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 92 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ личными химическими элементами. При применении термической обработки (закалка, отпуск) невозможно достичь заданных механических и эксплуатационных свойств. Альтернативой является химико-термическая обработка (ХТО), заключающаяся в диффузионном насыщении поверхности металлов и сплавов различными химическими элементами. Детали, подвергнутые ХТО, могут заменить собой изделия из дорогих специальных сталей и сплавов [1, 2]. В настоящее время известно несколько методов ХТО. В зависимости от насыщающей среды различают: газовые, жидкостные и твердофазные (в порошковых средах и пастах) [3, 4]. Как известно, борированные слои имеют высокую твердость, коррозионную стойкость и износостойкость. В случае с борированием в порошковых смесях и пастах наибольшее распространение получили насыщающие смеси на основе карбида бора [5]. Алитирование представляет собой насыщение поверхности алюминием для придания окалиностойкости при высоких температурах и для повышения сопротивлению атмосферной коррозии. Для алитирования используются разнообразные смеси, состоящие из порошков алюминия или ферроалюминия, оксида алюминия и др. [6, 7]. Необходимо отметить, что твердофазные способы проведения данных методов ХТО требуют длительной выдержки при высокой температуре, что отрицательно влияет на структуру и свойства материала основы. Известны другие методы повышения поверхностных свойств деталей машин, не требующие длительного температурного воздействия на материал основы. В первую очередь это методы обработки концентрированными потоками энергии (КПЭ), такие как лазерная и электронно-лучевая обработка (ЭЛО), способные за короткий промежуток времени нагреть участок поверхности материала [8–10]. Известны способы комбинированной обработки, сочетающие последовательные процессы ХТО с последующей лазерной и электронно-лучевой обработкой [11–13]. Последний способ позволяет модифицировать предварительно полученный диффузионный слой и устранить его дефекты (слоистость и фазовую неоднородность по глубине слоя, хрупкость, высокую поверхностную шероховатость). Необходимо отметить, что способы упрочнения КПЭ требуют специального дорогостоящего оборудования. Их применение оправдано в случае получения свойств, недостижимых традиционной обработкой. Таким образом, можно предложить комбинированный способ обработки изделий, где на первом этапе проводится ХТО с целью получения сплошного покрытия по всей площади поверхности. Далее наиболее ответственные участки будут дополнительно подвержены ЭЛО с целью модификации диффузионных слоев. Возможно также проведение электроннолучевого легирования (ЭЛЛ). Например, сначала проводят порошковое алитирование с печным нагревом, затем ЭЛЛ карбидом бора или, наоборот, традиционное борирование с последующим ЭЛЛ алюминием. Совмещенный процесс насыщения бором и алюминием (бороалитирование) позволяет синтезировать слои полифункционального назначения [14,15]. Данная статья содержит материалы по первому этапу обработки как самостоятельных процессов, повышающих комплекс физико-механических свойств сталей по всей площади изделия. Цель настоящей работы заключается в установлении влияния борирования и алитирования на структуру и свойства диффузионного слоя на поверхности низкоуглеродистых сталей. В работе приведены результаты апробации низкотемпературных режимов ХТО и проведен сравнительный анализ структуры и свойств на примере двух марок сталей. Методика исследований В качестве насыщающих смесей использовались порошкообразные материалы: карбид бора B4C марки F-220, алюминиевый порошок марки ПА-4 (ГОСТ 6058-73), оксид алюминия Al2O3 чда (ГОСТ 8136-85), натрий фтористый NaF чда (ГОСТ 4463-76). Для процесса борирования использовалась смесь 96 % B4C + 4 % NaF. Смесь для алитирования состояла из 48 % Al (порошок) + + 48 % Al2O3 + 4 % NaF. Процессы ХТО в порошках проводились в лабораторной печи ПМ-16П-ТД при температуре 900 °С. ХТО подверглись образцы из сталей Ст3 и штамповой стали 3Х2В8Ф размером 20×20×10 мм. Продолжительность процесса
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 93 MATERIAL SCIENCE обработки составляла 2 ч. Сталь Ст3 применятся в несущих элементах сварных и несварных конструкций и деталей (состав, в % (весовых): Fe ≈ 97, С 0,14…0,22, Si 0,15…0,3, Mn 0,4…0,65). Сталь 3Х2В8Ф применяется в тяжелонагруженном прессовом инструменте при горячем деформировании легированных конструкционных сталей и жаропрочных сплавов (состав, в % (весовых): Fe ≈ 87, С 0,3…0,4, Si 0,15…0,4, Mn 0,15…0,4, Cr 2,2…2,7, W 7,5…8,5, V 0,2…0,5, Mo до 0,5). Порошковая смесь засыпалась в тигель вместе с исследуемыми образцами, далее тигель упаковывался и герметизировался сверху плавким затвором. Охлаждение тиглей проводилось на открытом воздухе при комнатной температуре. Далее тигли вскрывались, образцы зачищались от остатков насыщающей смеси. Состав и структуру диффузионного слоя определяли на растровом электронном микроскопе JSM-6510LVJEOL(Япония) с системой микроанализа INCA Energy 350, Oxford Instruments (Великобритания) в ЦКП «Прогресс» ФГБОУ ВО Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления. Фазовый состав на поверхности образцов определялся на рентгеновском дифрактометре D8 ADVANCE фирмы Bruker AXS в медном излучении с интервалом съемки 10…70° в ЦКП БИП СО РАН. Определение микротвердости насыщенных слоев осуществлялось на микротвердомере ПМТ-3М. Нагрузка составляла 50 г. Для расчета микротвердости применялся программный комплекс Nexsys ImageExpert MicroHandness 2 (ГОСТ 9450–76). Снимки микроструктур были сделаны с помощью металлографического микроскопа «МЕТАМ РВ-34» с цифровой камерой «Altami Studio» (Россия). Для определения толщины диффузионного слоя использовали программный комплекс Nexsys ImageExpert Pro 3.0. Результаты и их обсуждение Процессы борирования и алитирования проводились на образцах стали Ст3 и 3Х2В8Ф при температуре 900 оС с выдержкой 2 ч. На рис. 1 и 2 представлены микрофотографии структуры сталей после ХТО. На рисунках отчетливо вид на характерная для борированных слоев игольчатая структура. Толщина полученного диффузионного слоя на Ст3 составляет 35 мкм, а на легированной стали – 15 мкм. Известно, что борирование низкоуглеродистой стали при тех же температурно-временных режимах в металлотермических смесях (на основе оксидов бора и алюминия) обеспечивает толщину слоя 50 мкм [16]. На стали 3Х2В8Ф образовался слой гораздо меньшей толщины по сравнению с низкоуглеродистой сталью. Это связано с высокой концентрацией легирующих элементов, затрудняющих диффузию бора. Полученный слой сопоставим по толщине с борированными слоями, полученными жидкостным методом и в пастах различного состава [16]. а б Рис. 1. Микроструктуры стали Ст3 (а) и 3Х2В8Ф (б) после борирования Fig. 1. Microstructures of St3 (a) and 3Cr2W8V (б) steels after boriding
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 94 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б Рис. 2. Микроструктуры стали Ст3 (а) и 3Х2В8Ф (б) после алитирования Fig. 2. Microstructures of St3 (a) and 3Cr2W8V (б) steels after aluminizing На рис. 2, а, б показаны структуры исследуемых сталей после алитирования. На стали Ст3 образовался более ровный поверхностный слой, состоящий в основном из Al5Fe2. На границе с основным металлом образуются по мере удаления от поверхности фазы AlFe, AlFe3 и твердый раствор в α-Fe [17–19]. Толщина диффузионного слоя на стали Ст3 равна 65 мкм, что сопоставимо со слоями, полученными алитированием, напылением и в расплавах солей (гальванический способ) [17]. На образце из стали 3Х2В8Ф виден слой средней толщины 50 мкм с неравномерной границей раздела с основным металлом. Локальные участки экстремумов толщины слоя, по-видимому, являются местами проплавления поверхности стали и частичного перехода в жидкое состояние на данных участках, что также сопровождается повышенной диффузией пропорционально повышению температуры. Последнее может быть вызвано прохождением экзотермической реакции восстановления металлов. При этом фазовый состав аналогичен составу на углеродистой стали Ст3, где алюминиды железа дополнительно легированы Cr, W и V. Низкое качество поверхности после алитирования связано с высокой реакционной способностью алюминия, сопровождающейся взаимодействием с кислородом и другими элементами атмосферного воздуха [20]. На рис. 3 показана диаграмма распределения микротвердости по глубине после процесса борирования для обеих сталей. Максимальная микротвердость для стали Ст3 наблюдается на поверхности слоя и на глубине до 10…15 мкм и достигает 1919,6 HV, что характерно для борирования за счет образования твердых боридов железа. На стали 3Х2В8Ф максимальное значение (1684,8 HV) наблюдается на глубине 15 мкм от поверхности, вероятно, в зоне с самой высокой концентрацией боридов. На рис. 4 представлена диаграмма распределения микротвердости по глубине после процесса алитирования для обеих сталей. Интерес вызывают полученные диаграммы распределения микротвердости после процесса алитирования для стали 3Х2В8Ф. Максимальное значение микротвердости для Ст3 составило 996 HV, а для стали 3Х2В8Ф оно достигло достаточно высоких показателей – 1119 HV. На данной диаграмме присутствует характерное увеличение микротвердости на глубине 150…180 мкм от поверхности. Локальное увеличение микротвердости соответствует переходной зоне непосредственно под слоем, что может указывать на повышенное содержание карбидов хрома и вольфрама. Повышение концентрации последних является результатом их вытеснения диффундирующим с поверхности алюминием. Вытеснение карбидов в глубь основного
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 95 MATERIAL SCIENCE металла связано с их взаимной нерастворимостью с алюминидами [21]. Образцы после ХТО были направлены на РФА для определения фазового состава поверхностного диффузионного слоя. На рис. 5, а изображена рентгенограмма при борировании стали Ст3, на поверхности образуются фазы FeB и Fe2B. При борировании стали 3Х2В8Ф (рис. 5, б) образуется только фаза Fe2B. На рис. 6, а представлена рентгенограмма после процесса алитирования стали Ст3, на поверхности образуются фазы Al5Fe2, Na3AlF6, Al2O3. При алитировании стали 3Х2В8Ф идентифицируются фазы Al5Fe2, Na3AlF6, Al2O3. Дальнейшие исследования заключались в определении содержания B и Al в диффузионном слое и переходных зонах. На рис. 7, а показано распределение B для Ст3 и 3Х2В8Ф соРис. 3. Распределение микротвердости по глубине слоя на сталях после борирования Fig. 3. Microhardness distribution over the layer depth on steels after boriding Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине слоя на сталях после алитирования Fig. 4. Microhardness distribution over the layer depth on the steels after aluminizing
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 96 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б Рис. 5. Рентгенограммы поверхности после борирования: а – Ст3; б – 3Х2В8Ф Fig. 5. XRD-pattern of the surface after boriding: a – St3; б – 3Cr2W8V а б Рис. 6. Рентгенограммы поверхности сталей после алитирования: а – Ст3; б – 3Х2В8Ф Fig. 6. XRD-pattern of the steel surface after aluminizing: а – St3; б – 3Cr2W8V ответственно. На рис. 7, б представлен график распределения Al. Из полученных диаграмм видно, что при борировании в одинаковых условиях содержание бора в диффузионном слое на Ст3 несколько больше (на 1–2 %) и зависит от глубины слоя для обеих сталей (см. рис. 7, а). Похожая картина наблюдается при алитировании исследуемых образцов. На стали Ст3 содержание алюминия выше на 2...7 % в зависимости от глубины слоя (см. рис. 7, б). Установлено, что для стали 3Х2В8Ф в местах проплавления основного металла содержание алюминия на 3…5 % выше, чем в основном слое. Выводы На основании выполненных исследований установлено, что при температуре процесса 900 °С и выдержке в течение двух часов после борирования на поверхности обеих сталей об-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 97 MATERIAL SCIENCE а б Рис. 7. Распределение бора и алюминия по глубине слоя на сталях после борирования (а) и алитирования (б) соответственно Fig. 7. Distribution of boron and aluminum over the layer thickness on the steels after boriding (a) and aluminizing (б) respectively разуются бориды железа. При этом на стали Ст3 рентгенофазовым анализом (РФА) обнаружено два борида FeB и Fe2B, а на стали 3Х2В8Ф – только фаза Fe2B. После алитирования обеих сталей образуются алюминийсодержащие фазы, такие как Al5Fe2, Na3AlF6 и Al2O3. Толщина полученного диффузионного слоя на легированной стали меньше, чем на углеродистой стали, что связано с влиянием легирующих элементов, тормозящих диффузию бора и алюминия. Максимальная микротвердость наблюдается на стали Ст3, она составляет 1920 HV после борирования, что объясняется присутствием в ее составе двух боридов железа, на стали 3Х2В8Ф максимальное значение микротвердости достигло 1620 HV. Микротвердость после алитирования сопоставима для обеих сталей, она равна 1000…1100 HV. Список литературы 1. Ворошнин Л.Г., Менделеева О.Л., Сметкин В.А. Теория и технология химико-термической обработки. – М.: Новое знание, 2010. – 304 с. – ISBN 978-594735-149-1. 2. Kulka M. Trends in thermochemical techniques of boriding // Kulka M. Current trends in boriding: Techniques. – Cham, Switzerland: Springer, 2019. – P. 17– 98. – (Engineering materials). – DOI: 10.1007/978-3030-06782-3_4. 3. Atul S.C., Adalarasan R., SanthanakumarM. Study on slurry paste boronizing of 410 martensitic stainless steel using taguchi based desirability analysis (TDA) // International Journal of Manufacturing, Materials, and Mechanical Engineering. – 2015. – Vol. 5. – P. 64–77. – DOI: 10.4018/IJMMME.2015070104. 4. Nakajo H, Nishimoto A. Boronizing of CoCrFeMnNi high-entropy alloys using spark plasma sintering // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2022. – Vol. 6. – P. 29. – DOI: 10.3390/jmmp6020029. 5. Campos-Silva I.E., Rodriguez-Castro G.A. Boriding to improve the mechanical properties and corrosion resistance of steels // Thermochemical Surface Engineering of Steels. – 2015. – Vol. 62. – P. 651–702. – DOI: 10.1533/9780857096524.5.651. 6. Effect of aluminizing and oxidation on the thermal fatigue damage of hot work tool steels for high pressure die casting applications / M. Salem, S. Le Roux, G. Dour, P. Lamesle, K. Choquet, F. Rézaï-Aria // International Journal of Fatigue. – 2019. – Vol. 119. – P. 126–138. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.09.018. 7. Formation and phase transformation of aluminide coating prepared by low-temperature aluminizing process / Y. Sun, J. Dong, P. Zhao, B. Dou // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 330. – P. 234– 240. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.10.025. 8. Повышение электрической прочности ускоряющего зазора в источнике электронов с плазменным катодом / В.И. Шин, П.В. Москвин, М.С. Воробьев, В.Н. Девятков, С.Ю. Дорошкевич, Н.Н. Коваль // Приборы и техника эксперимента. – 2021. – № 2. – С. 69–75. – DOI: 10.31857/S0032816221020191. 9. Разработка физических основ комплексного электронно-ионно-плазменного инжиниринга поверхности материалов и изделий / Ю.Ф. Иванов, Н.Н. Коваль, Е.А. Петрикова, О.В. Крысина, В.В. Шугуров, Ю.Х. Ахмадеев, И.В. Лопатин, А.Д. Тересов, О.С. Толкачев // Наукоемкие технологии в проектах РНФ. Сибирь / под ред. С.Г. Псахье, Ю.П. Шаркеева. – Томск, 2017. – Гл. 1. – С. 5–35. – ISBN 978-589503-607-5.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1