Том 24 № 4 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 № 4 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Дюрягин А.А., Ардашев Д.В. Исследование взаимосвязи силы резания и шероховатости обработанной поверхности с подачей на зуб при фрезеровании материала EuTroLoy 16604, полученного DMD-методом.... 6 Улаханов Н.С., Тихонов А.С., Мишигдоржийн У.Л., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Проблемы исследования остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое инструментальных штамповых сталей после диффузионного бороалитирования................................................................................................... 18 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Иванов А.Н. Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью.... 33 Амиров А.И., Москвичев Е.Н., Иванов А.Н., Чумаевский А.В., Белобородов В.А. Особенности формирования сварного соединения сплава ВТ14 сваркой трением с перемешиванием с использованием жаропрочного инструмента из сплава ЖС6У.......................................................................................................... 53 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Ардашев Д.В., Жуков А.С. Исследование взаимосвязи режущей способности инструмента с параметрами акустического сигнала в процессе профильного шлифования.............................................................................. 64 Батаев Д. К-С., Гойтемиров Р.У., Батаева П.Д. Исследования износостойкости и антифрикционных свойств металлополимерных пар, работающих в имитаторе морской воды........................................................ 84 Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Фесенко Э.О. Использование синергетической концепции при определении программы ЧПУ при токарной обработке........................................................................................ 98 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Новиков В.Ф., Ковенский И.М., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Чаугарова Л.З. Влияние термической обработки на образование соединения MnS в низкоуглеродистой конструкционной стали 09Г2С................................................................................................................................................................ 113 Бурков А.А., Крутикова В.О. Осаждение силицида титана на нержавеющую сталь AISI304........................ 127 Пугачева Н.Б., Николин Ю.В., Быкова Т.М., Горулева Л.С. Химический состав, структура и микротвердость многослойных высокотемпературных покрытий.................................................................................. 138 Сапрыкина Н.А., Чебодаева В.В., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Гусева Т.С. Синтез трехкомпонентного сплава на основе алюминия методом селективного лазерного плавления......................... 151 Габец Д.А., Марков А.М., Гурьев М.А., Письменный Е.А., Насырова А.К. Влияние комплексного модифицирования на структуру и свойства серого чугуна триботехнического назначения.................................. 165 Иванов И.В., Юргин А.Б., Насенник И.Е., Купер К.Э. Оценка остаточных напряжений в кристаллических фазах высокоэнтропийных сплавов системы AlxCoCrFeNi.......................................................................... 181 Коростелева Е.Н., Николаев И.О., Коржова В.В. Особенности формирования структуры спеченных порошковых материалов с использованием отходов металлообработки стальных заготовок............................... 192 Ерошенко А.Ю. Легостаева Е.В., Глухов И.А., Уваркин П.В., Толмачев А.И., Лугинин Н.А., Батаев В.А., Иванов И.В., Шаркеев Ю.П. Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические свойства сплава Ti-42Nb-7Zr......................................................................................................... 206 Кутькин О.М., Батаев И.А., Довженко Г.Д., Батаева З.Б. Использование метода синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов (обзор исследований)...................................................................................................................................................................... 219 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 243 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 255 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 07.12.2022. Выход в свет 15.12.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 32,0. Уч.-изд. л. 59,52. Изд. № 239. Заказ 321. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 4 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. 4 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. 4 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Dyuryagin A.A., Ardashev D.V. A study of the relationship between cutting force and machined surface roughness with the feed per tooth when milling EuTroLoy 16604 material produced by the DMD method...................... 6 Ulakhanov N.S., Tikhonov A.G., Mishigdorzhiyn U.L., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The features of residual stresses investigation in the hardened surface layer of die steels after diffusion boroaluminizing............... 18 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Knyazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Ivanov A.N. Development of plasma cutting technique for C1220 copper, AA2024 aluminum alloy, and Ti-1,5Al-1,0Mn titanium alloy using a plasma torch with reverse polarity................ 33 Amirov A.I., Moskvichev E.N., Ivanov A.N., Chumaevskii A.V, Beloborodov V.A. Formation features of a welding joint of alloy Ti-5Al-3Mo-1V by the friction stir welding using heat-resistant tool from ZhS6 alloy....... 53 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Ardashev D.V., Zhukov A.S. Investigation of the relationship between the cutting ability of the tool and the acoustic signal parameters during profi le grinding..................................................................................................... 64 Bataev D. K-S., Goitemirov R. U., Bataeva P. D. Studies of wear resistance and antifriction properties of metalpolymer pairs operating in a sea water simulator........................................................................................................ 84 Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Fesenko E.O. Application of the synergistic concept in determining the CNC program for turning............................................................................................................................................ 98 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Novikov V.F., Kovenskij I.M., Muratov K.R., Venediktov A.N., Chaugarova L.Z. The effect of heat treatment on the formation of MnS compound in low-carbon structural steel 09Mn2Si................................ 113 Burkov А.А., Krutikova V.O. Deposition of titanium silicide on stainless steel AISI 304 surface...................... 127 Pugacheva N.B., NikolinYu.V., BykovaT.M., Goruleva L.S. Chemical composition, structure and microhardness of multilayer high-temperature coatings..................................................................................................................... 138 Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Synthesis of a three-component aluminum-based alloy by selective laser melting............................................................... 151 Gabets D.A., MarkovA.M., Guryev M.A., Pismenny E.A., NasyrovaA.K. The effect of complex modifi cation on the structure and properties of gray cast iron for tribotechnical application..................................................... 165 Ivanov I.V., Yurgin A.B., Nasennik I.E. Kuper K.E. Residual stress estimation in crystalline phases of highentropy alloys of the AlxCoCrFeNi system........................................................................................................... 181 Korosteleva E.N., Nikolaev I.O., Korzhova V.V. Features of the structure formation of sintered powder materials using waste metal processing of steel workpieces................................................................................. 192 EroshenkoA.Yu., Legostaeva E.V., Glukhov I.A., Uvarkin P.V., TolmachevA.I., Luginin N.A., Bataev V.A., Ivanov I.V., Sharkeev Yu.P. Effect of deformation processing on microstructure and mechanical properties of Ti-42Nb-7Zr alloy............................................................................................................................................. 206 Kutkin O.M., Bataev I.A., Dovzhenko G.D., Bataeva Z.B. The study of characteristics of the structure of metallic alloys using synchrotron radiation computed laminography (Research Review)................................ 219 EDITORIALMATERIALS 243 FOUNDERS MATERIALS 255 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 127 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Осаждение силицида титана на нержавеющую сталь AISI304 Александр Бурков 1, a,*, Валерия Крутикова 2, b 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/0000-0001-9977-2809, nm32697@gmail.com Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 4 с. 127–137 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-127-137 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Аустенитная нержавеющая сталь AISI 304 используется в химической и аэрокосмической промышленности, атомной энергетике, медицине и других областях благодаря высокой корИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.762; 62-408.2 История статьи: Поступила: 02 августа 2022 Рецензирование: 06 сентября 2022 Принята к печати: 08 сентября 2022 Доступно онлайн: 15 декабря 2022 Ключевые слова: Покрытие Электроискровое легирование Нержавеющая сталь AISI304 Силицид титана Ti5Si3 Коэффициент трения Коррозия Жаростойкость Износ Микротвердость Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ХФИЦ ИМ ДВО РАН, тема номер FWUW-20220006. Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Металлокерамические покрытия на основе силицида титана привлекательны для защиты нержавеющей стали AISI304 от износа, коррозии и высокотемпературного окисления. Цель работы. Изучение структуры поверхностного слоя нержавеющей стали AISI 304 после ЭИЛ в смеси титановых гранул с порошком кремния и исследование жаростойкости, коррозионных и триботехнических свойств полученных покрытий. Методика исследований. Получены Fe-Ti-Si-покрытия на нержавеющей стали AISI304 электроискровой обработкой нелокализованным электродом, состоящим из титановых гранул и 2,6…6 об.% смеси порошков титана и кристаллического кремния. Результаты и обсуждение. Показано, что стабильный положительный привес катода наблюдается, когда доля кремния в порошковой смеси не превышает 32 %. В фазовом составе покрытий присутствовали: твердый раствор хрома в железе, силицид титана Ti5Si3, титан и кремний, что подтверждается данными энергодисперсионного анализа. Твердость Ti-Si-покрытий находилась в диапазоне от 10,05 до 12,86 ГПа, что выше, чем у стали AISI304 в 5–6 раз. Коэффициент трения покрытий был примерно на 20 % ниже по сравнению со сталью AISI304 и находился в пределах 0,71…0,73. Испытания на износ в режиме сухого скольжения показали, что Ti-Si-покрытия могут повысить износостойкость стали AISI304 до 6 раз. Жаростойкость покрытий при температуре 900 оС была от 7 до 12 раз выше по сравнению со сталью AISI304. Проведенные исследования показали, что новые электроискровые Fe-Ti-Si-покрытия позволяют повысить коррозионную устойчивость, жаростойкость и твердость, а также снизить коэффициент трения и износ поверхности нержавеющей стали AISI304. Для цитирования: Бурков А.А., Крутикова В.О. Осаждение силицида титана на нержавеющую сталь AISI304 // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 127–137. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-127-137. ______ *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 розионной стойкости [1]. Однако она сильно подвержена износу из-за сравнительно низкой твердости (~200 HV) [2]. Кроме того, сталь AISI 304 начинает активно окисляться при температурах выше 800 оС, а также подвержена питтинговой коррозии в электролитах [3]. Нанесение твердых и антикоррозионных покрытий на поверхность нержавеющей стали AISI 304 призвано уменьшить эти недостатки и расширить сферу ее применения.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 128 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Металлокерамические (MК) материалы являются разновидностью металломатричных композитов и сочетают в своем составе металлическую матрицу, армированную частицами керамики. Керамические фазы обеспечивают высокую твердость, а относительно мягкая матрица удерживает керамику и придает такой композиции высокую трещиностойкость и прочность. МК материалы обладают высокой устойчивостью к абразивным воздействиям [4]. Существует два пути получения МК структуры: внедрение керамических частиц в металлическую матрицу или кристаллизация твердых фаз из расплава [5]. МК покрытия привлекают большое внимание исследователей из-за их высокой твердости, износостойкости и коррозионной устойчивости [6]. Одним из перспективных армирующих соединений является силицид титана Ti5Si3, обладающий высокой температурой плавления, высокой жаропрочностью и стойкостью к высокотемпературному окислению [7,8]. Так, в работе [9] показано, что покрытие с Ti5Si3 сохранялось в условиях циклического окислении при 900 °C в течение 1000 ч. Благодаря сильной ковалентной атомной связи Ti5Si3 обладает высокой твердостью и устойчив в условиях абразивного и адгезионного изнашивания [10]. Ранее мы показали возможность одностадийного нанесения покрытий на основе силицида титана Ti5Si3 электроискровой обработкой (ЭИЛ) титанового сплава нелокализованным анодом из титановых гранул с добавлением порошка кристаллического кремния [11]. Полученные покрытия обладали высокой износостойкостью и жаростойкостью при температуре 900 оС. Было показано, что фаза Ti5Si3 формируется при взаимодействии кремния с расплавом титана в микрованне разряда. Причем данное взаимодействие может происходить как на поверхности гранул, так и на титановом катоде. В случае обработки стали AISI 304 может реализовываться только первый вариант, поэтому ключевую роль будет играть перенос Ti-Si материала с титановых гранул на поверхность нержавеющей стали. Как известно, в основе ЭИЛ лежит явление полярного переноса материала с анода на катод, который заключается в выбросе очень горячих микрочастиц электродного материала в микрованну расплава на катоде, перемешиванию этих материалов и быстрому застыванию после окончания разряда [12]. Полярный перенос соблюдается, если эрозия анода превышает эрозию катода в процессе ЭИЛ. От степени полярности будет зависеть доля элементов анода в покрытии и его толщина. Критерий полярности положительно коррелирует с теплофизическими свойствами материалов электродной пары, однако кроме этого на него влияет множество факторов [13]. Поэтому установление полярного переноса и его степени достигается эмпирическим путем. Целью настоящей работы является изучение структуры поверхностного слоя нержавеющей стали AISI 304 после ЭИЛ в смеси титановых гранул с порошком кремния и исследование жаростойкости, коррозионных и триботехнических свойств полученных покрытий. Методика исследований Предварительные эксперименты показали, что в случае анодной смеси из титановых гранул и порошка кремния положительный привес катода не наблюдался. Для достижения положительного привеса катода в анодную смесь постепенно добавлялся титановый порошок, поскольку он обладает лучшей электропроводностью по сравнению с кремнием. Частицы титана выполняют функцию контактных мостиков среди частиц кремния и снижают сопротивление системы. Содержание титанового порошка в шихте постепенно повышали, пока не начал наблюдаться стабильный привес катода. Таким образом, концентрация кремния в порошковой смеси составила 31,6 об.%. Гранулы из титанового сплава ВТ1-00 и порошковая шихта в различных соотношениях (табл. 1) засыпались в металлический контейнер, подсоединённый к положительному выводу генератора импульсов, и соответственно гранулы выступали в качестве анода. Порошок кремния марки ПК имел средний размер частиц 10 мкм. Покрытия наносились на подложку из нержавеющей стали AISI304 в форме цилиндра диаметром 12 мм и высотой 10 мм (табл. 2). Подложка подключалась к отрицательному выводу генератора импульсов. Генератор разрядных импульсов IMES-40 вырабатывал импульсы тока прямоугольной формы амплитудой 110 A при напряжении 30 В и длительностью 100 мкс с периодом 1000 мкс. В рабочий объем контейнера подавался аргон со скоростью 10 л/мин для
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 129 MATERIAL SCIENCE Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Состав анодных смесей, обозначения и характеристики покрытий Composition of anode mixtures, designations and characteristics of coatings Обозначение образцов / Designation of samples Состав порошковой шихты, об.% / Composition of powder mixture, vol.% Содержание шихты в анодной смеси, об.% / Charge content in the anode mixture, vol.% Содержание гранул ВТ1-00, об.% / The content of granules ВТ1-00, vol.% Толщина покрытий, мкм Thickness, μm Si Ti Si2.6 31,6 68,4 2,633 97,367 24,8±7,9 Si6.0 6,048 93,952 21,7±11,2 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 предотвращения азотирования титана. Схема установки для электроискрового осаждения покрытий нелокализованным электродом подробно описана в работах [14, 15]. Структуру покрытий изучали с применением растрового электронного микроскопа (СЭМ) Sigma 300 VP, оснащенного энергодисперсионным спектрометром (ЭДС) INCA Energy. Фазовый состав покрытий определяли с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-7 в Cu-Kα-излучении. Микротвердость покрытий измерялась на твердомере ПМТ-3М при нагрузке 0,5 Н по методу Виккерса. Износостойкость и коэффициент трения покрытий исследовались по стандарту ASTM G99 – 17 по схеме «стержень на диске». Испытания проводились в режиме сухого скольжения с применением контртела в виде диска из быстрорежущей стали Р6М5 на скорости 0,47 мс–1 при нагрузке 10 Н в течение 600 с. Поляризационные испытания проводились в трехэлектродной ячейке после 30-минутной выдержки образцов в 3,5 %-м растворе NaCl в условиях естественной аэрации при комнатной температуре до установления стационарного значения потенциала коррозии. Сканирование производилось с использованием потенциостата P-2X (Элинс, Россия) со скоростью 10 мВ·с –1 в диапазоне от –1,5 до 0,5 В. Площадь контакта образцов с раствором электролита равнялась 1 см2. Контрэлектрод представлял собой спаренный платиновый электрод «ЭТП-02», электродом сравнения являлся стандартный хлорсеребряный электрод, а в качестве рабочего электрода использовали образцы с покрытием и сталь AISI304. Тест на циклическую жаростойкость проводили в печи при температуре 900 °С. Общее время тестирования составляло 100 часов. Образцы выдерживали при заданной температуре и через некоторые промежутки времени (~6 ч) удаляли и охлаждали в эксикаторе до комнатной температуры. Во время испытания все образцы помещались в корундовый тигель для учета массы отслоившихся оксидов. Изменение массы всех образцов измеряли с использованием лабораторных весов с точностью 0,1 мг. Результаты и их обсуждение Покрытия осаждались в течение 180 с, поскольку при дальнейшей обработке масса подложки начинала снижаться вследствие накопле-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 130 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ния дефектов и наступления порога хрупкого разрушения покрытия, характерного для ЭИЛ [16]. Результаты рентгенофазового анализа покрытий показывают наличие фаз феррохрома (Fe-Cr) и гексагонального титана (αTi), образующих матрицу покрытия (рис. 1). Силицид титана (Ti5Si3) и кремний выполняют функцию армирующей керамики. Фаза Ti5Si3 образуется при взаимодействии кремния с расплавом титана на поверхности гранул, что сопровождается выделением тепла (ΔHo 298 = –581,2 кДж/моль) согласно реакции 5Ti + 3Si = Ti5Si3. (1) Характерно, что в рентгеновском спектре покрытий наблюдаются рефлексы кремния, но при этом отсутствуют силициды железа. Это может свидетельствовать о неблагоприятных условиях для формирования ферросилиция в условиях низковольтного электрического разряда вследствие высоких скоростей охлаждения материала после окончания разряда. Этим также объясняется гало, заметное на дифрактограммах покрытий в диапазоне углов 2θ 35…50о, означающее присутствие аморфной фазы в покрытиях. Вследствие этого по результатам рентгенофазового анализа невозможно достоверно судить о Рис. 1. Участки рентгеновских дифрактограмм Fe-Ti-Si-покрытий на нержавеющей стали AISI304 Fig. 1. X-ray diffraction patterns of deposited coatings влиянии концентрации кремния в анодной смеси на содержание силицида титана в покрытиях. На рис. 2, а показано растровое изображение поперечного сечения покрытия Si2.6. Покрытие имеет более темный оттенок по сравнению с подложкой из-за обогащения кремнием и титаном, которые имеют меньший атомный вес по сравнению с элементами стали AISI304. Между осажденным слоем и подложкой нет четких границ и продольных трещин, что указывает на хорошую адгезию Fe-Ti-Si-покрытия к стали AISI304. По данным энергодисперсионного анализа (рис. 2, б) в составе покрытия преобладают железо и хром из подложки, что соответствует данным рентгенофазового анализа (см. рис. 1). Концентрация титана и кремния, растворенных в матрице покрытия, находилась в диапазоне от 5 до 20 ат.%. В структуре покрытия встречаются темные включения (рис. 2, в). По данным их ЭДС анализа соотношение титана к кремнию составляет 49,3 к 31,8, что соответствует силициду титана Ti5Si3 (рис. 2, г). Микроструктура включений представлена столбчатыми кристаллитами, что соответствует микроструктуре TiSi-покрытий на титановом сплаве [11]. С ростом концентрации порошка в анодной смеси с 2,6 до 6 об.% средняя толщина покрытий снизилась с 24,8 до 21,7 мкм (см. табл. 1). На рис. 3 показаны поляризационные диаграммы Fe-Ti-Si-покрытий и стали AISI304 в 3,5 % растворе NaCl при комнатной температуре. На основе этих данных были рассчитаны плотность тока коррозии Icorr, потенциал коррозии Ecorr и сопротивление поляризации Rp (табл. 3). Rp было рассчитано с использованием упрощенного выражения corr , 2, 30 ( ) 3 a c p a c b b R I b b (2) где ba и bc – это наклоны тафелевского участка анодной и катодной кривых соответственно. Из табл. 3 следует, что потенциалы коррозии были близкими для обоих покрытий и значительно больше, чем у нержавеющей стали AISI304. Это говорит о том, что Fe-Ti-Si-покрытия позволяют снизить активность поверхности нержавеющей стали к самопроизвольной коррозии. Плотность тока коррозии покрытий была от 1,8 до 2,1 раз
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 131 MATERIAL SCIENCE а б в г Рис. 2. СЭМ-изображения поперечного сечения покрытия Si2.6 в режиме обратно-отраженных электронов при увеличениях 4,7Х (а) и 20X (в); ЭДС-распределение элементов по глубине покрытия (б) и энергодисперсионный спектр точки 1 (г). Черными стрелками указаны включения силицида титана Fig. 2. SEM-image of the cross-section of the Si2.6 coating in the back scattered electrons mode at magnifi cations of 4.7X (a) and 20X (в); EDS-distribution of elements over the coating depth (б) and EDS spectrum of point 1 (г). The black arrows indicate inclusions of titanium silicide ниже, чем у нержавеющей стали AISI304 (табл. 3). Образец Si2.6 показал самый высокий потенциал коррозии и самую низкую плотность тока коррозии. Рассчитанное сопротивление поляризации осажденных покрытий было в четыре раза выше по сравнению с исходной сталью AISI304. Несмотря на высокую коррозионную стойкость стали AISI304, обусловленную высоким содержание хрома (см. табл. 2), можно заключить, что применение электроискровых Fe-Ti-Siпокрытий позволяет значительно улучшить ее антикоррозионные свойства. На рис. 4, а показаны средние значения микротвердости, измеренные на поверхности покрытий. С ростом кремния в анодной смеси твердость покрытий снизилась с 12,86 до 10,05 ГПа. Таким образом, нанесение Fe-Ti-Si-покрытий позволяет значительно повысить твердость поверхности стали AISI304 (1,9 ГПа). Высокая твердость покрытий обусловлена в первую очередь наличием фазы Ti5Si3, твердость которой составляет 9,5 ГПа [17, 18]. Более высокая твердость нанесенных покрытий объясняется измельчением структуры вплоть до аморфного состояния из-за высоких скоростей охлаждения материала после завершения разряда при ЭИЛ [19]. На рис. 4, б показана динамика коэффициента трения покрытий по сравнению с нержа-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1