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 138 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Химический состав, структура и микротвердость многослойных высокотемпературных покрытий Наталия Пугачева 1, а, *, Юрий Николин 2, b, Татьяна Быкова 1, с, Лариса Горулева 1, d 1 Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия 2 Общество с ограниченной ответственностью «Солид Флэйм», пр. Ленина, 54, корп. 5, г. Екатеринбург, 620075, Россия a https://orcid.org/0000-0001-8015-8120, nat@imach.uran.ru, b https://orcid.org/0000-0003-1070-2076, sf.ekb@mail.ru, с https://orcid.org/0000-0002-8888-6410, tatiana_8801@mail.ru, d https://orcid.org/0000-0001-8635-5213, sherlarisa@yandex.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 4 с. 138–150 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-138-150 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Плазменное напыление является одним из современных и эффективных методов нанесения покрытий различного назначения и состава. С помощью потоков термической плазмы можно ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669.017.16 История статьи: Поступила: 29 июля 2022 Рецензирование: 29 августа 2022 Принята к печати: 15 сентября 2022 Доступно онлайн: 15 декабря 2022 Ключевые слова: Плазменное напыление Порошки Покрытие Микроструктура Дендриты Микротвердость Финансирование: Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН в соответствии с государственным заданием по теме № АААА-А18-118020790145-0. АННОТАЦИЯ Введение. Плазменное напыление является одним из современных и эффективных методов нанесения покрытий различного назначения и состава. С помощью потоков термической плазмы можно напылять практически любые порошковые материалы (металлические, керамические, металлокерамические). Плазменное напыление многослойных защитных покрытий может быть успешно применено для повышения стойкости прошивных оправок, являющихся основным инструментом при производстве полых заготовок. Целью данной работы являлось изучение химического состава, структуры и микротвердости многослойных высокотемпературных покрытий двух разных составов, нанесенных методом плазменного напыления, предполагаемых к использованию для повышения долговечности прошивных оправок. Материалы и методы исследования. Нанесение многослойных покрытий двух составов осуществляли на установке плазменно-порошкового напыления с контактным возбуждением дугового разряда УПН-60КМ ТСП2017. Покрытия были получены последовательным наплавлением трех слоев разными порошковыми составами. После напыления всех трех слоев покрытия проводили окислительный отжиг при температуре 900 °С для создания плотного слоя окалины FeO + Fe2O3 + Fe3O4 на поверхности. Химический состав покрытий исследовали методом микрорентгеноспектрального анализа на сканирующем электронном микроскопе TESCAN с приставкой OXFORD. Микроструктуру покрытий исследовали на металлографическом микроскопе NEOPHOT. Фазовый рентгеноструктурный анализ выполняли на дифрактометре SHIMADZU в Kα-излучении хрома. Микротвердость измеряли на твердомере LEICA при нагрузке 50 г. Результаты и обсуждение. Установлен характер распределения химических элементов по толщине покрытия, состоящего из четырех слоев: внутреннего металлического слоя, обеспечивающего защиту от высокотемпературной коррозии; переходного металлического слоя, предназначенного для выравнивания теплофизических свойств между слоями; металлооксидного слоя α-Fe и оксидов железа и внешнего термобарьерного оксидного слоя FeO + Fe2O3 + Fe3O4. Покрытия характеризуются неоднородным распределением структурных составляющих и микротвердости по его толщине. Микротвердость внутреннего слоя достигает 1400 HV 0,05, переходного слоя – 800 HV 0,05, металлооксидного слоя – 300 HV 0,05. Для цитирования: Химический состав, структура и микротвердость многослойных высокотемпературных покрытий / Н.Б. Пугачева, Ю.В. Николин, Т.М. Быкова, Л.С. Горулева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 138–150. – DOI 10.17212/1994-6309-2022-24.4-138-150. ______ *Адрес для переписки Пугачева Наталия Борисовна, д.т.н., доцент, главный научный сотрудник Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, 620049, г. Екатеринбург, Россия Тел.: 8 (343) 362-30-23, e-mail: nat@imach.uran.ru напылять практически любые порошковые материалы (металлические керамические, металлокерамические и т. д.) [1–3]. Наиболее широкое применение нашла технология плазменного напыления для нанесения самофлюсующихся порошков [4, 5]. Процесс самофлюсования заключается в самопроизвольном удалении оксидов с поверхности частиц при их оплавлении. Для этого оксиды должны иметь невысокую температуру плавления, небольшую плотность и высокую жидкотекучесть. Наиболее часто для этих
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 139 MATERIAL SCIENCE целей применяют сплавы на никелевой основе Ni-Cr-B-Si, при плазменном напылении которых оксиды B2O5-Cr2O3-SiO2 образуют легкоплавкий шлак, всплывающий при плавлении на поверхность в виде тонкого стекловидного налета [6–8]. Покрытия, нанесенные по технологии плазменного напыления, обладают рядом недостатков, главным из которых является пористость от 8 до 15 % [3–5]. Для снижения пористости разработаны специальные методы плазменной наплавки, такие как высокоскоростная плазменная наплавка, нанесение многослойных покрытий, наноструктурирование напыляемых покрытий, легирование редкоземельными элементами, повторное плавление поверхности лазером и комбинация вышеперечисленных методов [9–11]. Однако в некоторых случаях наличие пор в покрытии может быть функционально выгодным. При высоких температурах эксплуатации кислород легко проникает по порам в глубь покрытия, что приводит к массивному окислению по всей его толщине с образованием защитной пленки оксидов Cr2O3 или Al2O3 [12–14]. Для уменьшения недостатков покрытий успешно применяют комбинацию нескольких защитных слоев, нанесенных разными методами [15–19]. При использовании одного метода нанесения слои могут отличаться по химическому и фазовому составу и выполнять разные защитные функции. По сути, формируются функциональные градиентные покрытия. Плазменное напыление многослойных защитных покрытий может быть успешно применено для повышения стойкости прошивных оправок, являющихся основным инструментом при производстве полых заготовок [20–22]. Прошивные оправки при эксплуатации подвергаются циклическому тепловому воздействию (от 20 до 1100 °С), давлению деформируемого металла (до 170 МПа) при движении его относительно оправки со скоростью до 1 м/с [20, 23]. Эффективным способом увеличения стойкости оправок является окисление поверхности носка и сферической поверхности с целью формирования оксидированного слоя, который препятствует налипанию металла заготовки на оправку и является теплоизоляционным слоем [21–23]. Образование оксидного слоя на поверхности позволяет повысить износостойкость оправок в 1,5–2,0 раза [23]. Оксидный слой создает дополнительное термическое сопротивление, величина которого зависит от толщины слоя окалины, ее теплофизических и механических свойств [24–26]. При повышении температуры происходит размягчение окалины и она быстро начинает играть роль смазки при контакте. Известно [27, 28], что при высокотемпературной оксидации (900…1000 °С) на поверхности металла формируется слой, состоящий из оксидов FeO (вюстит), Fe2O3 (гематит) и Fe3O4 (магнетит). Пленка FeO является внутренним слоем и легко отслаивается, поэтому при формировании оксидного слоя следует в максимальной степени уменьшать количество вюстита и способствовать его превращению в магнетит Fe3О4. Для повышения долговечности прошивных оправок успешно могут применяться защитные покрытия, содержащие оксиды железа. Интерес представляет разработка различных комбинаций слоев, выполняющих разные функции. Целью данной работы являлось изучение химического состава, структуры и микротвердости многослойных высокотемпературных покрытий двух разных составов, нанесенных методом плазменного напыления, предполагаемых к использованию для повышения долговечности прошивных оправок. Материалы и методы исследования Нанесение покрытий осуществляли на установке плазменно-порошкового напыления с контактным возбуждением дугового разряда УПН-60КМ ТСП2017, изготовитель ООО «НПП ТСП» (г. Екатеринбург). Все слои многослойных покрытий напыляли на образцы из хромоникелевой стали 20ХН4ФА при одном и том же режиме: ток 310 А, напряжение 57…60 В. Основной плазмообразующий газ – аргон, высокоэнтальпийный газ – водород. В работе исследованы многослойные покрытия двух разных составов. Покрытия были получены последовательным наплавлением трех слоев. Первый слой предназначен для защиты от высокотемпературного окисления и износа, он получен напылением самофлюсующихся порошков составов 1 и 2 (табл. 1). Этот слой необходим для предотвращения интенсивного разрушения оправок в случае износа верхних слоев. Он позволит своевременно изъять оправку из эксплуатации и повторно
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 140 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Состав напыляемых порошков Composition of powders being sprayed Порошок состава 1, масс. % , Powder composition 1, wt. % C Cr Si B Mn V Fe 1,2 3,8 2,3 3,6 1,0 1,0 Основа Порошок состава 2, масс. % / Powder composition 2, wt. % C Ni Si B Mn Fe 0,5 9,0 1,2 2,7 4,0 Основа нанести разрушенные внешние слои и восстановить защитные свойства оправки. Второй слой является переходным и получен напылением смеси высокотемпературных порошков составов 1 или 2 с порошком Fe в соотношении 50:50. Этот слой предназначен для плавного изменения свойств от внешнего слоя к внутреннему и является поставщиком железа для формирования оксидной пленки при высоких температурах эксплуатации. Третий металлооксидный слой получен при напылении порошка Fe в окислительной атмосфере и выполняет функцию восстановления внешнего оксидированного слоя при рабочих температурах прошивных оправок. Морфология частиц напыляемых порошков представлена на рис. 1. Особенности строения и толщину полученных покрытий исследовали на поперечных резах с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN VEGAII XMU с энергодисперсионной приставкой фирмы OXFORD HKLNordlysF+ и на микроскопе NEOPHOT-21 при увеличениях от 100 до 1000 крат. Фазовый рентгеноструктурный анализ каждого слоя выполняли на поверхности образцов непосредственно после его нанесения на рентгеновском дифрактометре SHIMADZU в Kα-излучении хрома. Микротвердость измеряли на твердомере LEICA с нагрузкой 50 г. После напыления всех трех слоев покрытия проводили окислительный отжиг при температуре 900 °С для создания плотного слоя окалиРис. 1. Морфология частиц порошков для напыления многослойного покрытия: а – порошок состава 1; б – порошок состава 2; в – порошок Fe Fig. 1. Morphology of powder particles for multilayer coating spraying: a – powder of composition 1; б – powder of composition 2; в – Fe powder а б в
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 141 MATERIAL SCIENCE ны FeO + Fe2O3 + Fe3O4 на поверхности. Именно этот оксидный слой будет играть роль смазки при эксплуатации прошивных оправок, а также термического барьера, снижающего температуру поверхности. Средний размер частиц напыляемых порошков для покрытия состава 1 составлял от 60 до 100 мкм, а для покрытия состава 2 – от 70 до 90 мкм, частицы порошка Fe имели размеры от 40 до 60 мкм. Результаты и их обсуждение Напыленные покрытия, как и предполагалось, состоят из четырех слоев (рис. 2). Толщины каждого слоя приведены в табл. 2. По результатам фазового рентгеноструктурного анализа поверхностные оксидные слои на обоих исследованных покрытиях идентичны и состоят из смеси оксидов FeO, Fe2O3 и Fe3O4 (рис. 3). Этот слой обозначен цифрой 4 на рис. 2, он должен играть роль смазки, которая позволяет снизить коэффициент трения и предохраняет основной металл от перегрева. Присутствие дифракционных максимумов от α-твердого раствора на основе Fe очевидно обусловлено захватом при анализе поверхности образцов металлооксидного слоя (обозначен 3 на рис. 2), структура и распределение элементов в котором показаны на рис. 4. Внутренний слой (обозначен 1 на рис. 2) имеет сложный фазовый состав. В его структуре хорошо различимы участки, сформировав- а б Рис. 2. Микроструктура многослойного высокотемпературного покрытия: а – покрытие состава 1; б – покрытие состава 2 Fig. 2. The microstructure of the multilayer high-temperature coating: a – coating of composition 1; б – coating of composition 2 Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Толщина слоев покрытий, мкм Thickness of coating layers, microns Покрытие / Coating Состав 1, мкм / Composition 1, μm Состав 2, мкм / Composition 2, μm Первый слой 200 150 Второй слой 250 250 Третий слой 350 370 Четвертый слой 50 30 Общая толщина 850 800
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 142 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б Рис. 3. Фрагмент дифрактограммы внешнего оксидного слоя: а – покрытие состава 1; б – покрытие состава 2 Fig. 3. A fragment of the diffraction pattern of the outer oxide layer: a – coating of composition 1; б – coating of composition 2 а б в Рис.4. Распределение элементов в металлооксидном слое (3 на рис. 2): а – изображение во вторичных электронах; б – в характеристическом рентгеновском излучении железа; в – кислорода Fig.4. Distribution of elements in the metal-oxide layer (3 in Fig. 2): a – image in secondary-electron mode; б – in the characteristic X-ray radiation of iron; в – in the characteristic X-ray radiation of oxygen шиеся из расплавленных недеформированных и пластически деформированных частиц исходного порошка, а также из не успевших расплавиться деформированных частиц (табл. 3). Первые успели закристаллизоваться до удара о подложку, поэтому имеют практически исходную округлую форму и ярко выраженную дендритную структуру (обозначены 1 на рис. 5). Вторые кристаллизовались непосредственно на подложке в условиях деформации, поэтому имеют полигональную структуру без дендритов (обозначены 3 на рис. 5). Третий вид зерен в исследованных покрытиях (обозначен 2 на рис. 5) представляет собой не расплавившиеся частицы исходного порошка, нагретые и деформированные при ударе о поверхность основы. Фазовый рентгеноструктурный анализ показал, что в исследованных покрытиях матрица представляет собой твердые растворы. Для покрытия состава 1 это хромистый феррит (рис. 6, а), а для покрытия состава 2 – феррит и аустенит (рис. 6, б). Упрочняющими фазами являются дисперсные карбиды, силициды и бориды (рис. 6).
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 143 MATERIAL SCIENCE Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Химический состав зерен высокотемпературного покрытия, отмеченные на рис. 5, ат.% The chemical composition of the grains of the high-temperature coating marked in Figs. 5, at.% Покрытие состава 1 (рис. 5, а) / Coating composition 1 (Fig. 5, a) Номер зерна / Grain No. B C Si V Cr Mn Fe 1 13,5 2,0 4,5 1,1 4,5 2,6 71,7 2 9,9 0,9 3,1 1,4 6,5 3,5 74,3 3 14,9 1,3 7,4 0,8 14,2 1,5 59,7 Покрытие состава 2 (рис. 5, б) / Coating composition 2 (Fig. 5, б) Номер зерна / Grain No. B C Si V Mn Fe Ni 1 13,5 2,2 3,6 0,3 3,6 69,1 7,5 2 6,8 1,3 4,5 0,3 4,1 75,2 7,5 3 7,3 0,6 5,2 0,3 3,3 75,6 7,6 а б Рис. 5. Микроструктура внутреннего слоя покрытий (обозначен 1 на рис. 2): а – состав 1; б – состав 2 Fig. 5. Microstructure of the inner layer of coatings (indicated by 1 in Fig. 2): a – composition 1; б – composition 2 Второй слой состоит из тех же фаз, что и первый, но с большим содержанием феррита, образовавшегося при напылении порошка Fe. В этих ферритных зернах упрочняющие фазы отсутствуют, поэтому они являются своеобразными демпферами, релаксирующими возникающие термические напряжения. Он обеспечивает плавное изменение свойств между слоями покрытий. Пористость второго слоя в данном случае является положительным фактором, поскольку при эксплуатации в условиях сил трения внешний оксидный слой внедряется в поры второго и даже третьего слоя. При жестких условиях эксплуатации, которые испытывают прошивные оправки, внешний оксидный слой постепенно будет разрушаться. При высоких температурах следует ожидать восстановление оксидного слоя за счет окисления железа металлооксидного третьего слоя покрытий. Существует условие восстановления оксидного
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1