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 165 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Влияние комплексного модифицирования на структуру и свойства серого чугуна триботехнического назначения Денис Габец 1, а, Андрей Марков 1, b, Михаил Гурьев 1, с, Евгений Письменный 2, d, Алина Насырова 3, e, * 1 Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, пр. Ленина, 46, г. Барнаул, 656038, Россия 2 АО «Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта», ул. 3-я Мытищинская, 10, г. Москва, 129851, Россия 3 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия a https://orcid.org/0000-0003-0304-4407, gabets22@mail.ru, b https://orcid.org/0000-0002-3101-9711, andmarkov@inbox.ru, c https://orcid.org/0000-0002-9191-1787, gurievma@mail.ru, d https://orcid.org/0000-0002-7454-0830, pysmennyi.eug@gmail.com, e https://orcid.org/0000-0003-2551-3657, nasyrova.alina98@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 4 с. 165–180 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-165-180 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Опыт эксплуатации различных типов оборудования позволяет сделать вывод о возможности применения низколегированных серых чугунов ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669.15-196.55 История статьи: Поступила: 15 сентября 2022 Рецензирование: 29 сентября 2022 Принята к печати: 17 октября 2022 Доступно онлайн: 15 декабря 2022 Ключевые слова: Легирование чугуна Модифицирование Износостойкость Ударный изгиб Износостойкий чугун Графитовые включения Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Подход, основанный на комплексном модифицировании чугунов, позволяет добиться существенного улучшения их механических свойств за счет изменения структуры металлической матрицы, а также формы графита и его распределения. Целью работы является изучение влияния легирующих элементов на структуру и механические свойства серого чугуна, предназначенного для эксплуатации в условиях фрикционного изнашивания. Методы исследования. В статье описан процесс получения комплексно-модифицированного чугуна, изучены его механические свойства и микроструктура. Проведены фрактографические исследования динамически разрушенных образцов. Изучены детали строения структурных составляющих чугунов СЧ35, ЧМН-35М и СЧКМ-45. Проведены триботехнические испытания серых чугунов по схеме трения скольжения. Результаты и их обсуждение. Установлено что комплексное модифицирование серого чугуна марки СЧ35 молибденом, никелем и ванадием позволяет повысить уровень его твердости до 295 НВ и предел прочности при растяжении до 470…505 МПа. Введение в состав серого чугуна никеля (0,4…0,7 масс. %), молибдена (0,4…0,7 масс. %) и ванадия (0,2...0,4 масс. %) приводит к двукратному уменьшению межпластинчатого расстояния в перлите, а также к измельчению зерна металлической матрицы. Длина графитных пластин в результате модифицирования чугуна уменьшается в 3–5 раз. Дополнительное влияние на предел прочности чугуна обусловлено легированием молибденом и ванадием феррита, выделяющегося по границам графитных включений. Легирование феррита молибденом и ванадием повышает уровень его микротвердости в 1,4 раза по сравнению с α-фазой серийного чугуна СЧ35. Представлены результаты триботехнических испытаний разработанного материала. Заключение. Установлено, что износ образцов из чугуна СЧКМ-45 примерно на 20…30 % ниже по сравнению с чугуном СЧ35 и на 10…15 % ниже по сравнению с чугуном ЧМН-35М. Фрактографические исследования свидетельствуют о том, что комплексное легирование молибденом, ванадием и никелем способствует измельчению колоний перлита, что приводит к уменьшению размеров фасеток скола. Для цитирования: Влияние комплексного модифицирования на структуру и свойства серого чугуна триботехнического назначения / Д.А. Габец, А.М. Марков, М.А. Гурьев, Е.А. Письменный, А.К. Насырова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 165–180. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-165-180. ______ *Адрес для переписки Насырова Алина Камильевна, м.н.с. Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 630073, г. Новосибирск, Россия Тел.: +79059376536, e-mail: nasyrova.alina98@mail.ru для изготовления конструкций ответственного назначения [1–4]. К ним относятся, в частности, корпусные изделия, детали тормозных систем, рабочие части горнодобывающих машин, детали тележек железнодорожных вагонов. К чугунам, из которых они изготовлены, помимо высоких прочностных показателей предъявляются требования по обеспечению коррозионной стойкости, триботехнических свойств в условиях трения скольжения, ударно-фрикционного изнашива-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 166 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ния. Учитывая роль структуры в формировании комплекса механических свойств чугунов, необходимо контролировать характерные для них особенности строения, в том числе неравномерность распределения графитных включений в объеме материала, присутствие зон отбела, являющихся причиной охрупчивания чугуна, и др. Улучшению структуры чугунов, снижению в них количества дефектов, а также повышению комплекса механических свойств способствует введение в сплавы различных легирующих добавок, в число которых входят никель, молибден, фосфор, ванадий, алюминий, бор и др. Роль легирующих элементов и модифицирующих добавок в формировании структуры и комплекса свойств чугунов отражена в работах [1–10]. Важнейшими структурными факторами, определяющими уровень механических свойств серых чугунов, являются форма, размеры и объемная доля графитных включений, а также характер их распределения в объеме материала [2, 9, 10]. Графитные пластины, распределенные в чугуне, могут, с одной стороны, рассматриваться в качестве естественных концентраторов механических напряжений, способствующих образованию трещин и разрушению материала, а с другой – в качестве «карманов», внутри которых сосредоточены микрообъемы твердой смазки, способствующей уменьшению коэффициента трения и, как следствие, увеличению срока службы пар трения. Распределенный в сером чугуне графит препятствует схватыванию поверхностей, входящих в узлы сухого трения скольжения [9–14]. Одно из основных требований, предъявляемых к чугунам, используемым для изготовления деталей железнодорожного транспорта, согласно ведомственным нормам РЖД связано с обеспечением предела прочности В при деформации по схеме растяжения на уровне не менее 350 МПа п ри твердости в диапазоне 250…350 HB. Типичные детали, изготовленные из этих материалов, должны обеспечивать не менее 160 тыс. км пробега железнодорожного транспорта. Поиск технических решений, обеспечивающих возможность повышения механических свойств чугунов, представляет собой актуальную задачу, имеющую прикладное значение. Одно из таких решений связано с легированием сплавов. Проведенные ранее исследования [1–14] свидетельствуют о существенном влиянии на физико-механические свойства серых чугунов таких элементов, как никель, молибден и ванадий. Разработанный ранее чугун марки ЧМН35М [12], производство которого соответствует ТУ 0812-001-10036140–2014, не в полной мере обеспечивает требования, предъявляемые к деталям, работающим в условиях фрикционного воздействия. В первую очередь речь идет о жестких режимах эксплуатации оборудования (сухое трение скольжения с высоким уровнем контактных нагрузок). Экспериментально установлено, что в таких условиях на поверхностях деталей из чугуна ЧМН-35М возникают очаги схватывания, результатом развития которых является рост интенсивности изнашивания. Цель настоящей работы связана с изучением влияния легирующих элементов (никель, молибден, ванадий) на структуру и механические свойства серого чугуна, предназначенного для изготовления элементов конструкций, эксплуатирующихся в условиях сухого трения скольжения. В качестве основного параметра, контролируемого при выполнении исследования, выступал уровень временного сопротивления разрушению. Его величина составляла не менее 450 МПа (при твердости в диапазоне 250…350 HB). Ограничивающим требованием являлась стоимость материала при условии гарантированного соблюдения минимального требуемого уровня предела прочности. Методика исследований В качестве базового материала для проведения исследований был выбран серый чугун марки СЧ35 ГОСТ 1412–85. Выплавку осуществляли в индукционной плавильной печи объемом 150 кг. В качестве шихты использовали лом 4А ГОСТ 2787–75 массой 100 кг. После расплава шихты и науглероживания материала производился отбор проб для оценки химического состава. С целью повышения прочностных свойств чугун легировали никелем, молибденом и ванадием, концентрацию которых изменяли в пределах от 0,1 до 0,8 масс. %. Легирование выполняли путем внесения расчетного количества ферросплавов никеля, ванадия и молибдена непосредственно в расплав чугуна СЧ35. Темпера-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 167 MATERIAL SCIENCE тура расплава перед сливом из печи составляла 1425…1440 С. Время заливки форм не превышало пяти минут [11]. Для определения химического состава исследуемых материалов был использован оптико-эмиссионный спектрометр GNR Solaris CCD Plus. Испытания образцов на растяжение осуществляли на универсальной электромеханической машине Instron 3360 согласно ГОСТ 27208–87. Отбор проб и изготовление образцов проводили в соответствии с ГОСТ 24648–90. Твердость чугунов определяли по ГОСТ 24648–90 на твердомере марки ИТРБ-3000. Исследования микроструктуры (ГОСТ 3443–87) проводили на металлографическом микроскопе Carl Zeiss Axio Observer Z1m с использованием программного обеспечения «Thixomet Pro» [15–26]. Микротвердость образцов оценивали согласно ГОСТ Р ИСО 6507–1–2007 на микротвердомере МН-6 при нагрузке 0,2452 Н. На поверхность каждого из слабопротравленных шлифов наносили массив отпечатков алмазной пирамиды в количестве 15х15 штук. Отпечатки, попавшие на границы феррит/перлит, феррит/графит, а также на пластины графита, при выполнении анализа не учитывались. Оценку триботехнических свойств в условиях сухого трения выполняли по схеме «вал – колодка» на машине трения модели 2168 УМТ. Исследованию подвергались пары трения «исследуемый материал – сталь 30ХГСА/20ГЛ/09Г2С». Испытания на ударный изгиб проводили на маятниковом копре Metrocom в соответствии с ГОСТ 9454–78. Для проведения испытаний использовали образцы с концентратором напряжений U-образной формы глубиной 2 мм, нанесенным на проволочном электроискровом станке Sodick AG400L. В качестве материала сравнения при проведении механических характеристик использовали чугун СЧ35 и его ближайший аналог чугун ЧМН-35М [12]. Результаты и их обсуждение Для разработки химического состава чугуна СЧКМ-45, обладающего повышенным комплексом механических свойств, были проведены эксперименты, позволившие выбрать оптимальную концентрацию легирующих добавок. В соответствии с результатами проведенных исследований содержание никеля, обеспечивающее требуемый уровень твердости (не менее 250 НВ) составляет 0,4…0,7 масс. %. При этом величина предела прочности превышает 450 МПа (рис. 1) [11, 27]. Аналогичный вывод можно сделать относительно количества молибдена. Введение более 0,7 масс. % молибдена нерационально в связи с существенным ростом уровня твердо- а б Рис. 1. Влияние концентрации никеля серого чугуна СЧКМ-45, содержащего 0,45 масс. % молибдена и 0,34 масс. % ванадия: а – на твердость; б – на предел прочности Fig. 1. Effect of nickel concentration in SChKM-45 gray cast iron containing 0.45 wt.% of molybdenum and 0.34 wt.% of vanadium: a – on hardness; б – on ultimate strength
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 168 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б Рис. 2. Влияние концентрации молибдена серого чугуна СЧКМ-45, содержащего 0,52 масс. % никеля и 0,38 масс. % ванадия: а – на твердость; б – на предел прочности Fig. 2. Effect of molybdenum concentration in SChKM-45 gray cast iron containing 0.52 wt.% of nickel and 0.38 wt.% of vanadium: a – on hardness; б – on ultimate strength а б Рис. 3. Влияние концентрации ванадия серого чугуна СЧКМ-45, содержащего 0,6 масс. % молибдена и 0,55 масс. % никеля: а – на твердость; б – на предел прочности Fig. 3. Effect of vanadium concentration in SChKM-45 gray cast iron containing 0.6 wt.% of molybdenum and 0.55 wt.% of nickel: a – on hardness; б – on ultimate strength сти (более 350 НВ) и охрупчиванием материала. При этом величина предела прочности возрастает в меньшей степени (рис. 2) [11, 27]. Содержание ванадия, обеспечивающее выполнение требований по уровню твердости и предела прочности, находится в диапазоне от 0,2 до 0,4 масс. %. При введении этого элемента в количестве менее 0,2 масс. % уровень предела прочности не достигает 450 МПа. Превышение содержания ванадия более 0,4 мас. % сопровождается отбелом чугуна и появлением островков скелетной эвтектики. Следует подчеркнуть, что повышение содержания ванадия к росту предела прочности материала не приводит (рис. 3), а стоимость материала увеличивается. Отмеченное обстоятельство является одним из факторов, существенно ограничивающих эффективность легированного сплава [11, 27]. Результатом проведенных экспериментов по определению оптимального химического соста-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 169 MATERIAL SCIENCE ва для сплава, обладающего высоким комплексом свойств, является разработка серого чугуна СЧКМ-45, легированного никелем, молибденом и ванадием. Авторство разработки закреплено патентом РФ на изобретение № 2733940 [13]. Химический состав сплавов СЧ35, ЧМН-35М и СЧКМ-45 представлен в табл. 1. Механические свойства сплава СЧКМ-45 в сравнении со стандартным чугуном СЧ35 и разработанным ранее сплавом ЧМН-35М представлены в табл. 2. Свойства серых легированных чугунов в значительной степени определяются строением его металлической матрицы, а также формой и характером распределения графитных включений. Результаты сравнительного анализа структуры анализируемых в работе чугунов представлены в табл. 3 [11]. Для чугуна СЧ35 характерно образование пластинчатых включений графита длиной от ~10 до ~200 мкм. Форма графита – пластинчатая, частично завихрённая (рис. 4, а) [28, 29]. Чугун ЧМН-35 характеризуется равномерным распределением графитных включений, размеры которых находятся в диапазоне от ~10 до ~150 мкм (рис. 4, б) [11, 27]. Одновременное легирование чугуна такими элементами, как молибден и ванадий, способствует формированию соответствующих твердых растворов преимущественно в α-фазе, что способствует более высокой степени графитизации. Наряду с этим обогащенные молибденом и ванадием объемы расплава характеризуются повышенным количеством центров кристаллизации [28]. По мере повышения степени легирования размер графитных пластин в чугунах уменьшается. Длина графитных включений, наблюдаемых в чугуне СЧКМ-45 (10…110 мкм), примерно в два раза меньше по сравнению с серым чугуном СЧ35. Форма включений пластинчатая, частично завихренная (рис. 4, в). Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав чугунов СЧ35, ЧМН-35М и СЧКМ-45 Chemical composition of SCh35, ChMN-35M and SChKM-45 cast irons Марка чугуна / Cast iron grade Массовая доля элементов, % Fe – остальное / Mass fraction of elements, % Fe – balance С Si Mn Мо Ni V Cr Cu S P СЧ35 / SCh35 2,92 1,45 0,88 – – – 0,04 0,03 0,04 0,01 ЧМН-35М / ChMN-35M 2,85 1,39 0,86 0,82 0,75 – 0,05 0,03 0,03 0,02 СЧКМ-45/ SChKM-45 2,65 1,35 0,89 0,45 0,52 0,34 0,05 0,03 0,03 0,02 Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Механические свойства чугунов СЧ35, ЧМН-35М и СЧКМ-45 Mechanical properties of SCh35, ChMN-35M and SChKM-45 cast irons Марка чугуна / Cast iron grade Временное сопротивление при растяжении, МПа, не менее / Ultimate tensile strength, MPa, at least Твердость по Бринеллю, НВ / Brinell hardness, HB от / from до / to СЧ35 / SCh35 345...365 272 288 ЧМН-35М / ChMN-35M 362...395 277 319 СЧКМ-45/ SChKM-45 470...505 268 321
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1