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 192 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Особенности формирования структуры спеченных порошковых материалов с использованием отходов металлообработки стальных заготовок Елена Коростелева a, *, Иван Николаев b, Виктория Коржова c Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия a https://orcid.org/0000-0002-4363-3604, elenak@ispms.ru, b https://orcid.org/0000-0003-4529-6477, rmkast97@gmail.com, c https://orcid.org/0000-0003-0835-9264, vicvic5@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 4 с. 192–205 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-192-205 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Производственные процессы машиностроительных предприятий связаны с формированием большого количества разнообразных отходов, среди которых может быть и ценное вторичное сырье. Среди проблем ресурсосбережения и снижения экологической нагрузки на окружающую среду широко востребованы решения, ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.762.5 История статьи: Поступила: 15 сентября 2022 Рецензирование: 04 октября 2022 Принята к печати: 20 октября 2022 Доступно онлайн: 15 декабря 2022 Ключевые слова: Отходы металлообработки Металломатричные композиты Стальная стружка Порошковая смесь Оксиды Спекание Структура Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда и субсидии администрации Томской области, грант № 22-13-20031, https://rscf.ru/ project/22-13-20031/. Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Обрабатывающие производственные процессы в той или иной степени связаны с получением отходов металлообработки в виде металлической стружки. Развитие технологий утилизации и переработки отходов машиностроительного производства является востребованным решением как в целях ресурсосбережения, так и с экологической точки зрения. Среди множества традиционных подходов к проблеме вторичного использования металлической стружки наиболее интересным может быть способ использования стружки как одного из компонентов в порошковом материале. Целью работы является анализ возможности использования отходов металлообработки стальных заготовок из стали 45 (металлическая стружка) в порошковых композициях на основе титана и алюминия не только как источник железа, но и как возможный источник оксида Fe2O3. Внимание к оксиду было уделено с точки зрения инициирования в порошковой смеси на основе титана и алюминия реакций восстановления с образованием оксидной фазы Al2O3 для получения металломатричного композита. Методы исследования: для использования в порошковых композициях с титановым и алюминиевым порошками стальная стружка от обработки заготовок из стали 45 была дополнительно окислена в воде и измельчена в вибромельнице до средних размеров частиц 300 мкм. Измельченную и окисленную стружку смешивали с порошками титана и алюминия в различных пропорциях, чтобы изучить ее взаимодействие с этими порошковыми компонентами. Полученные смеси прессовали в виде цилиндрических образцов и спекали в вакуумной печи при температуре 1000 °С. Фазовый состав и микроструктуру исследовали с помощью рентгеновского дифрактометра XRD-6000 с CuKα-излучением и оптического микроскопа AXIOVERT-200MAT. Результаты и обсуждения. Показано, что после фрезерной обработки без использования СОЖ стружка из стали 45 не аккумулировала заметный объем оксидов железа, что потребовало дополнительных окислительных процедур. Рассмотрено взаимодействие измельченной окисленной стружки с компонентами порошковых смесей, показано ее влияние на объемные изменения прессовок и структурообразование металломатричных композитов. Результаты оптической металлографии и рентгеноструктурного анализа (РСА) спеченных порошковых композиций с использованием окисленной измельченной стружки стали 45 позволили дать оценку протекающим процессам структурообразования в зависимости от сочетания взаимодействующих компонентов, их взаимному влиянию и перспективам получения композитов с дисперсной оксидной фазой. Для цитирования: Коростелева Е.Н., Николаев И.О., Коржова В.В. Особенности формирования структуры спеченных порошковых материалов с использованием отходов металлообработки стальных заготовок // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 192–205. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-192-205. ______ *Адрес для переписки Коростелева Елена Николаевна, к.т.н., доцент Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, 634055, г. Томск, Россия Тел.: 8 (382) 2-286-962, e-mail: elenak@ispms.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 193 MATERIAL SCIENCE связанные с технологиями утилизации и переработки отходов машиностроительных производств, их включения в технологический цикл производства. Это актуально в условиях рационального использования природных ресурсов, особенно металлов и сплавов, широко используемых в машиностроении. Наибольший вклад в совокупный объем отходов производственных цепочек в машиностроении дает металлообработка на различных станках. Независимо от вида обработки, используемого инструмента при изготовлении любой детали всегда образуется металлическая стружка. Эффективная утилизация металлической стружки после механической обработки представляет для машиностроительных предприятий серьезную проблему, поскольку ее состояние сильно отличается от исходного состояния заготовки. Традиционно при любом виде металлообработки стружка загрязняется всевозможными примесями. Кроме смазочноохлаждающей жидкости (СОЖ) может присутствовать масло, влага, частицы пескоструйной обработки, шлам, другой мусор. Все это затрудняет переработку и утилизацию непосредственно в цехах производства. Другой проблемой возвращения во вторичное использование стружки является ржавчина, которая интенсивно начинает образовываться сразу после обработки и продолжает нарастать со временем хранения отходов. Во избежание всех этих проблем чаще всего машиностроительные предприятия аккумулируют металлические отходы и передают их в металлургическое производство на переплавку [1–5]. В этой связи при утилизации стружки в качестве приоритетной задачи рассматривают возможность уплотнения стружечных отходов для минимизации объема с целью облегчения транспортировки [3] для дальнейшей переплавки. В ряде работ [6–8] предлагают рассматривать отходы производства как самостоятельный ресурс в виде модифицированной шихты для дальнейшего использования в качестве полуфабрикатов. Одним из наиболее распространенных материалов для машиностроения остаются различные марки стали, соответственно значительный объем отходов будет составлять стальная стружка. Вместе с тем стальную стружку можно рассматривать как ресурс не только для вторичной переплавки, но и как источник компонентов для порошковых технологий. Во-первых, стружка независимо от сплава представляет собой материал с дефектной структурой, которая сформировалась в результате резания [2, 7], что может способствовать ее диспергированию и применению технологий горячего уплотнения уже порошкообразного продукта. Во-вторых, стружка представляет собой достаточно активированный материал, который можно подвергнуть дальнейшему измельчению и дополнительному окислению. В-третьих, большое значение имеет влияние среды обработки с применением охлаждающей жидкости, сопутствующие окислительные процессы и т. п. [5]. Это делает стальную стружку удобным сырьем для приготовления порошковых композиций с определенным сочетанием компонентов. Стальная стружка также может быть интересна не только как источник железа, но и оксидсодержащий компонент для получения композиционных материалов с оксидными включениями. Использование оксидов в композиционном материаловедении развивается уже не одно десятилетие [9–15]. Комбинация «оксид ‒ металлическая основа» зависит от назначения и условий эксплуатации изделий из этого композита. В данном случае можно рассматривать не только объемные материалы, но и модифицированные композиционными покрытиями поверхности [16]. В случае рассмотрения стальной стружки как потенциального источника оксидных включений не меньшую роль играет анализ металлических компонентов, которые можно использовать в композиции с измельченной окисленной стальной стружкой. Наиболее интересной группой металлических компонентов, которые можно рассмотреть в качестве матричного материала при использовании переработанной металлической стружки, являются порошковые материалы на основе титана и алюминия. В частности, хорошо известны исследования композиционных материалов на основе титана с различными тугоплавкими добавками из соединений карбидов, нитридов, боридов, силицидов и оксидов [9–10, 14]. Также представляют интерес композиты на основе алюминиевой матрицы с добавлением тугоплавких соединений [13, 17, 18]. Не теряет своей актуальности в исследованиях и группа композитов на основе системы Ti‒Al, которую
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 194 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ можно рассматривать как матрицу композиционного материала [13, 19–22]. Для получения металломатричных композиционных материалов используют широкий ряд технологических процессов, связанных как с различными видами наплавок и модификаций поверхности [19], так и с процессами СВС, электроискрового спекания и другими видами консолидации порошковых компонентов [9–16, 18–23]. Вакуумное спекание с регулируемым нагревом среди этих способов представляется достаточно простым и удобным вариантом для изучения физико-химических процессов, которые могут протекать в сложных системах с взаимодействующими компонентами, в том числе с оксидными соединениями. Вакуумное спекание удобно использовать на начальном этапе исследования, поскольку сложно предугадать возможные диффузионно-реакционные процессы, которые могут происходить в исследуемой смеси с продуктами из отходов металлообработки при других технологических процессах получения порошковых композитов (СВС, электроискровое и лазерное спекание, тепловой взрыв и т. п.). Прогнозирование поведения материалов на основе титана и алюминия с добавлением стальной стружки, которая, в свою очередь, представляет собой железо с добавлением других примесей в различных пропорциях, является чрезвычайно сложной задачей. При общем подходе приходится ориентироваться на известные данные базовых систем Ti‒Al, Ti‒Fe, Al‒Fe, а с учетом окисленности стружки, то и на систему Ti‒Al‒Fe‒О [20–22, 24–25]. В связи с этим актуально исследование продуктов взаимодействия матричных компонентов (Ti, Al) с обработанной стальной стружкой, синтезированных в условиях вакуумного спекания. Таким образом, целью настоящего исследования является анализ структурно-фазового состояния спеченных порошковых продуктов с различной комбинацией матричных компонентов при использовании измельченной стальной стружки. Оценка взаимодействия обработанной стальной стружки с титановыми и алюминиевыми порошковыми компонентами позволит определить возможные направления исследований для достижения приемлемых свойств с точки зрения управления составами, режимами обработки и условиями консолидации. Методика экспериментального исследования Для экспериментальных исследований были приготовлены порошковые смеси с использованием как промышленных порошков титана (ТПП-8 с дисперсностью <125…160 мкм), алюминия (ПА-4, <100 мкм), так и с использованием порошка из измельченной и отсеянной до 300 мкм, дополнительно окисленной стружки из стали 45. Исходное состояние стружки показано на рис. 1. Для исследования использовали отходы от фрезерной обработки заготовок из стали 45 без использования СОЖ. Предполагалось, что в результате этой технологической операции на стружке сформируется значительная часть оксидной пленки. Результаты РСА стружки из стали 45 показали практически стандартный набор фаз, характерный для этого сорта стали, т. е. формирования заметного количества оксидов не произошло, который позволил бы зафиксировать не менее 10…15 об. % Fe2O3 (рис. 2, а). Очевидно, что повышенное содержание кислорода присутствует, но он распределен в виде локальных мелких (возможно, наноразмерного порядка) оксидных включений, что выходит за рамки чувствительности рентгеновского дифрактометра. В связи с этим было принято решение дополнительно окислить стружку наиболее простым и доступРис. 1. Внешний вид стружки после фрезерной обработки заготовки из стали 45 Fig. 1. Chip appearance after milling a steel 45 workpiece
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 195 MATERIAL SCIENCE а б б Рис. 2. Фазовый состав металлической стружки из стали 45: а – исходное состояние; б – после отжига на воздухе в печи при 400 °С; в – после выдержки в воде в течение 48 часов и сушке при комнатной температуре Fig. 2. Phase composition of metal chips from steel 45: a – initial state; б – after annealing in a furnace at 400 °C in air; в – after holding in water for 48 hours and drying at room temperature ным способом, выдержав в воде 48 часов. В качестве другого способа окисления использовали распространенный способ отжига на воздухе в муфельной печи (до 400 °С), но после такой термической обработки в стружке происходило выделение карбида Fe2C (рис. 2, б), поэтому предпочтение было отдано окислению в воде, в результате чего смогли сформироваться оксиды Fe2O3 в достаточном объеме (рис. 2, в). Измельчение нарезанной на мелкие фрагменты стружки осуществляли с использованием вибромельницы в присутствии стальных шаров при соотношении 20:1 (шары/стружка). Такая обработка давала возможность дополнительно стимулировать формирование оксидов железа. В результате вибрационного помола стружка измельчалась на разные по размерам фракции, из которых были отсеяны частицы до 300 мкм. Более мелкие фракции не отсеивали, так как их выход составлял менее 10 % от переработанного объема стружки. Составы используемых смесей предусматривали несколько вариантов сочетания компонентов: Al+стружка(ст45); Ti+стружка(ст45) и Ti+Al+стружка(ст45). Соотношение компонентов в смесях определяли исходя из возможных реакций взаимодействия. В случае первого варианта (Al+стружка(ст45)) количество взаимодействующих компонентов должно быть достаточным для инициирования реакций восстановления железа из оксида
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 196 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ железа Fe2O3, образованном в стальной стружке. Во втором варианте доля порошка из обработанной стальной стружки в титане соответствовала области, сопоставимой с предельной растворимостью железа в титане [25]. Третий вариант смеси соответствовал составу, в котором выбранное соотношение компонентов могло стимулировать как реакции восстановления (металлотермии), так и синтеза интерметаллидов. Использованные в экспериментах варианты порошковых смесей, представлены в табл. 1. Смешивание порошков осуществляли в аксиальном смесителе в течение 4 часов. Полученные смеси прессовали с использованием цилиндрической пресс-формы с плавающим пуансоном высотой 10…15 мм и диаметром 10 мм. Исследуемые образцы с начальной пористостью 25…30 % спекали в вакуумной печи с выдержкой 60 мин при температуре 1000 °С при скорости нагрева в диапазоне 5…10 °/мин. Для определения пористости использовали стандартное выражение: îáð òåîðåò 100 1 , (1) где θ – пористость; %; ρобр – реальная плотность образца; ρтеорет – теоретическая плотность порошковой смеси, рассчитанная аддитивным методом, где в расчете до спекания использовали данные исходных компонентов, а после спекания – качественные и количественные данные РСА. Дополнительным косвенным показателем структурно-фазовых изменений в спеченных порошковых материалах являются объемные изменения и трансформация поровой структуры. Поэтому были рассчитаны изменения объема образцов тех составов порошковых композиций, которые сохраняли свою форму. Объемные изменения определяли как относительное изменение объема образцов до и после спекания: 0 0 0 , %, V V V V V (2) где V0 – исходный объем образца; V – объем образца после спекания. Структурные исследования были проведены с использованием оптической микроскопии, рентгеноструктурного анализа и энергодисперсионного микроанализа (оптический микроскоп AXIOVERT-200MAT, рентгеновский дифрактометр Shimadzu XRD-6000, CuKα-излучение, сканирующий электронный микроскоп TESCAN MIRA3LMU). Анализ фазового состава проведен с использованием баз данных PDF 4+, а также программы полнопрофильного анализа POWDER CELL 2.4 с использованием количественного определения фаз по методу Ритвельда. Результаты и их обсуждение Для понимания поведения обработанной стружки из стали 45 в процессе спекания были приготовлены контрольные прессовки из порошка измельченной окисленной стружки и спечены наряду с остальными образцами других исследуемых составов. Общий вид, морфологические особенности и зафиксированные фазы спеченной обработанной стружки представлены на рис. 3. Микроструктура спеченной стружки показывает характерную форму фрагментированных частиц из стали, где наблюдаются небольшие оксидные включения (рис. 3, б). РСА Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Состав исследуемых порошковых композиций с переработанной стружкой стали 45 The composition of the studied powders with recycled steel 45 chips № п/п Состав / Composition Компоненты, вес. % / Components, wt.% Порошок из стружки стали 45 / Steel 45 chip powder Al Ti 1 Al + стружка (сталь 45) / Al + chips (steel 45) 75 25 – 2 Ti + стружка (сталь 45) / Ti + chips (steel 45) 25 – 75 3 Ti + Al + стружка (сталь 45) / Ti + Al + chips (steel 45) 23 8 69
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1