Том 25 № 1 2023 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, 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 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 Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативно-библиографических и наукометрических базах данных Web of Science и Scopus. WEB OF SCIENCE
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Рябошук С.В., Ковалев П.В. Анализ причин образования дефектов заготовок из стали 12X18H10T и разработка рекомендаций по их устранению............................................................................................... 6 Лапшин В.П., Моисеев Д.В. Определение оптимального режима обработки металлов при анализе динамики систем управления резанием........................................................................................................ 16 Гимадеев М.Р., Ли А.А., Беркун В.О., Стельмаков В.А. Экспериментальное исследование динамики процесса механообработки концевыми сфероцилиндрическими фрезами.................................................. 44 Братан С.М., Часовитина А.С. Моделирование взаимосвязей между входными факторами и выходными показателями процесса внутреннего шлифования с учетом взаимных колебаний инструмента и заготовки.......................................................................................................................................................... 57 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Подгорный Ю.И., Кириллов А.В., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Лобанов Д.В., Мартюшев Н.В. Синтез механизма привода технологической машины непрерывного действия......................................... 71 Лобанов Д.В., Рафанова О.С. Методика критериального анализа мультивариантных систем............... 85 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов А.Г., Бобылёв Э.Э., Попов Р.А. Особенности формирования диффузионных покрытий, полученных комплексной химико-термической обработкой конструкционных сталей......................... 98 Филиппов А.В., Хорошко Е.С., Шамарин Н.Н., Колубаев Е.А., Тарасов С.Ю. Исследование свойств сплавов на основе кремниевой бронзы, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства................................................................................................................................ 110 Лысых С.А., Корнопольцев В.Н., Мишигдоржийн У.Л., Хараев Ю.П., Тихонов А.Г., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Влияние продолжительности боромеднения на толщину диффузионного слоя и микротвердость углеродистых и легированных сталей..................................................................... 131 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 149 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 159 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 10.03.2023. Выход в свет 15.03.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,0. Уч.-изд. л. 37,2. Изд. № 46. Заказ 91. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 1 2023 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. 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 Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. 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. WEB OF SCIENCE
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 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; 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. 25 No. 1 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Ryaboshuk S.V., Kovalev P.V. Analysis of the reasons for the formation of defects in the 12-Cr18-Ni10-Ti steel billets and development of recommendations for its elimination............................................................... 6 Lapshin V.P., Moiseev D.V. Determination of the optimal metal processing mode when analyzing the dynamics of cutting control systems................................................................................................................... 16 Gimadeev M.R., Li A.A., Berkun V.O., Stelmakov V.A. Experimental study of the dynamics of the machining process by ball-end mills.................................................................................................................. 44 Bratan S.M., Chasovitina A.S. Simulation of the relationship between input factors and output indicators of the internal grinding process, considering the mutual vibrations of the tool and the workpiece................... 57 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Podgornyj Yu.I., KirillovA.V., Skeeba V.Yu., Martynova T.G., Lobanov D.V., Martyushev N.V. Synthesis of the drive mechanism of the continuous production machine......................................................................... 71 Lobanov D.V., Rafanova O.S. Methodology for criteria analysis of multivariant system................................ 85 MATERIAL SCIENCE Sokolov A.G., Bobylyov E.E., Popov R.A. Diffusion coatings formation features, obtained by complex chemical-thermal treatment on the structural steels............................................................................................ 98 Filippov A.V., Khoroshko E.S., Shamarin N.N., Kolubaev E.A., Tarasov S.Yu. Study of the properties of silicon bronze-based alloys printed using electron beam additive manufacturing technology................... 110 Lysykh S.A., Kornopoltsev V.N., Mishigdorzhiyn U.L., Kharaev Yu.P., Tikhonov A.G., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The effect of borocoppering duration on the composition, microstructure and microhardness of the surface of carbon and alloy steels............................................................................................................. 131 EDITORIALMATERIALS 149 FOUNDERS MATERIALS 159 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 98 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Особенности формирования диффузионных покрытий, полученных комплексной химико-термической обработкой конструкционных сталей Александр Соколов a, Эдуард Бобылёв b, *, Роман Попов c Кубанский государственный технологический университет, ул. Московская, 2, г. Краснодар, 350072, Россия a https://orcid.org/0000-0002-8105-1429, sag51@bk.ru; b https://orcid.org/0000-0001-7754-1807, ebobylev@mail.ru; с https://orcid.org/0000-0003-4875-5018, popov-romanya@yandex.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 1 с. 98–109 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-98-109 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Одной из весьма значительных причин потери работоспособности деталей машин является их коррозионно-механический износ. В данном случае основному разрушающему воздействию подвергаются поверхностные слои деталей. ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.793.5 История статьи: Поступила: 03 октября 2022 Рецензирование: 03 ноября 2022 Принята к печати: 19 декабря 2022 Доступно онлайн: 15 марта 2023 Ключевые слова: Диффузия Покрытие Хром Химико-термическая обработка Сталь Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Рассмотрены основные способы увеличения работоспособности изделий, изготовленных из конструкционных сталей. Приведено описание технологий диффузионного легирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов (ДЛЛЖР) и разработанной технологии комплексного диффузионного легирования поверхностных слоев материала изделий (КХТО), включающей технологии ДЛЛЖР и цементацию. Целью работы являлось определение влияния состава сталей на процесс формирования и элементный состав диффузионно-легированных поверхностных слоев (покрытий) на базе хрома, а также установление отличий и закономерностей в процессах формирования диффузионно-легированных покрытий после проведения ДЛЛЖР и КХТО. Методика исследований. ДЛЛЖР подвергались цилиндрические образцы диаметром 20 мм, длиной 30 мм. Образцы были изготовлены из углеродистых и легированных сталей: малоуглеродистых Ст3, 20Х13, среднеуглеродистых 40Х, 40Х13 и аустенитной слали 12Х18Н10Т. При этом часть образцов предварительно подверглась вакуумной цементации. В качестве технологической среды при ДЛЛЖР (транспортный расплав) использовался эвтектический расплав свинец-висмут, в который в заданном количестве вводился хром. Металлографические исследования проводились на микрошлифах, подготовленных по стандартной методике, исследования по определению толщины покрытий, их структуры – на микротвердомере Dura Scan Falcon 500. Определение элементного состава покрытий осуществлялось методом микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) на сканирующем электронном микроскопе Tescan Lyra 3 с системой РСМА Oxford Ultim MAX. Результаты и обсуждение. В результате исследований было выявлено, что при ДЛЛЖР и КХТО происходит формирование диффузионных покрытий. При этом толщина покрытий и их элементный состав зависят от марки стали и применяемой технологии. После ДЛЛЖР процентное содержание хрома варьируется от 96,9 до 91,1 %. При этом максимальная концентрация 96,9 % наблюдается на стали Ст3. После КХТО на поверхностях всех сталей концентрация Cr снижается по сравнению с покрытиями, полученными по технологии ДЛЛЖР, на сталях: Ст3 с 96,9 до 66,8%; 40Х с 91,1 до 63,18 %; 20Х13 с 93,18 до 62,54 %; Сталь 12Х18Н10Т – с 92,92 до 64,77 %. Общая толщина диффузионно-легированных покрытий, сформированных на всех исследуемых нами сплавах, лежит в пределах от 17 до 17,5 мкм. Для цитирования: Соколов А.Г., Бобылёв Э.Э., Попов Р.А. Особенности формирования диффузионных покрытий, полученных комплексной химико-термической обработкой конструкционных сталей // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 98–109. – DOI:10.17212/1994-6309-2023-25.1-98-109. ______ *Адрес для переписки Бобылёв Эдуард Эдуардович, к.т.н., доцент Кубанский государственный технологический университет, ул. Московская, 2, 350072, г. Краснодар, Россия Тел: +7-918-975-8933; e-mail: ebobylev@mail.ru В связи с этим применение упрочняющих технологий является одним из наиболее распространенных способов повышения эксплуатационных свойств деталей [1–4]. При применении технологий упрочнения поверхностных слоев деталей на поверхности материала создаются функциональные слои (покрытия) на основе таких металлов, как например Cr, Ti, W, Al, Mo, Ni, и/или их химических соединений с углеродом или азотом [5–8]. Подобные покрытия имеют кристаллическую структуру и позволяют варьировать в широком
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 99 MATERIAL SCIENCE диапазоне такими свойствами поверхностных слоев конструкционных сталей, как твердость, коррозионная стойкость, износостойкость и т. д. При этом стоит отдельно выделить покрытия на основе хрома. Хром является достаточно распространенным металлом, имеют высокую коррозионную стойкость, его карбиды и нитриды обладают высокой микротвердостью [9–12]. Кроме того, важно отметить, что хром образует с железом непрерывный ряд твердых растворов и широко используется как легирующий элемент. В связи с этим покрытия на основе хрома являются достаточно распространенным выбором для повышения стойкости деталей машин к коррозионно-механическому износу. Для нанесения подобных покрытий применяются такие способы упрочнения, как наплавка, газопламенное напыление, гальванические покрытия, химико-термическая обработка и др. [13–15]. При этом наиболее простыми с технологической точки зрения, промышленно реализуемыми и масштабируемыми, экономически выгодными являются технологии химико-термической обработки. Известен способ термодиффузионного хромирования, когда на поверхность детали наносится обмазка, содержащая в своем составе хром. В дальнейшем деталь подвергается выдержке при температурах от 1000 до 1100 °C и последующей отчистке. К недостаткам данного способа можно отнести большую степень загрязнения остатками насыщающей смеси поверхности детали и неравномерность покрытий [16]. Известен также способ диффузионного насыщения конструкционных сталей хромом из расплавов солей. Общим недостатком такого типа покрытий является низкая адгезия покрытия (по сравнению с диффузионными покрытиями) и основного материала, особенно, если существует необходимость формирования покрытия на основе карбидов или нитридов [17]. Одним из перспективных методов получения покрытий на основе хрома является диффузионное легирование из среды легкоплавких жидкометаллических растворов (ДЛЛЖР) [18– 19]. Технология предполагает насыщение детали в среде легкоплавких металлов, в которых в определенной пропорции растворены диффундирующие элементы. Формирование покрытий происходит вследствие изотермического селективного массопереноса элементов-диффузантов к поверхности и последующего диффузионного и/или химического взаимодействия с компонентами покрываемого материала. Для получения необходимого сочетания прочности, твердости, износостойкости, коррозионной стойкости перспективной также является разработанная нами технология комплексного диффузионного легирования поверхностных слоев материала изделий (КХТО), включающая в себя технологии ДЛЛЖР, цементацию [20]. Цель статьи – показать влияние состава сталей на процесс формирования и элементный состав диффузионно-легированных поверхностных слоев (покрытий) на базе хрома, а также установление отличий и закономерностей в процессах формирования диффузионно-легированных покрытий после проведения ДЛЛЖР и КХТО. Методика исследований Для достижения поставленной цели проводились экспериментальные исследования, включающие в себя совмещение диффузионного легирования по технологии ДЛЛЖР с технологиями ХТО, в данном случае цементации. Диффузионному легированию, обеспечивающему формирование диффузионно-легированных покрытий, подвергались цилиндрические образцы диаметром 20 мм и длиной 30 мм. Образцы были изготовлены из углеродистых и легированных сталей: малоуглеродистых Ст3, 20Х13, среднеуглеродистых 40Х, 40Х13 и аустенитной слали 12Х18Н10Т. При этом часть образцов предварительно подверглась вакуумной цементации. Покрытия наносились путем их диффузионного легирования с применением разработанной нами технологии ДЛЛЖР, которая осуществляется путем погружения образцов в ванну с легкоплавким жидкометаллическим раствором, содержащим в растворенном состоянии легирующие элементы, в данном случае хром, на базе которых формируются покрытия, и выдержки в изотермическом режиме. Процесс проводился в инертной среде (аргоне). Технология ДЛЛЖР основана на явлении изотермического селективного переноса элементов покрытия, растворенных в легкоплавком
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 100 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ расплаве, на поверхность изделия с последующим их диффузионным взаимодействием с основным материалом изделия. Легирование хромом по технологии ДЛЛЖР проводилось при температуре 1025 °С, длительность выдержки составляла 5 часов. В качестве технологической среды (транспортный расплав) использовался эвтектический расплав свинец–висмут, в который в заданном количестве вводился хром. Процесс нанесения покрытия проводился в разработанной, запатентованной и изготовленной нами установке для ДЛЛЖР. Данная установка позволяет наносить покрытия в открытой ванне с легкоплавким жидкометаллическим раствором в циклическом режиме и совмещать процесс диффузионной металлизации с термической обработкой материала покрываемого изделия. Для формирования покрытий по технологии КХТО, технологические этапы которого включают перед нанесением диффузионно-легированных покрытий по технологии ДЛЛЖР, – проведение цементации. В соответствии с этим образцы подвергали предварительной вакуумной цементации при температуре 950 °C в течение 8 часов. Для анализа полученных сведений о влиянии элементного состава обрабатываемых сталей на процесс формирования диффузионно-легированных покрытий проводились: 1) металлографические исследования на микрошлифах, подготовленных по стандартной методике. Исследования по определению толщины покрытий, их структуры проводились на микротвердомере Dura Scan Falcon 500; 2) определение элементного состава покрытий проводилось методом микрорентгеноспектрального анализа с распылением поверхности (МРСА) на сканирующем электронном микроскопе Tescan Lyra 3 с системой PCMAOxford Ultim MAX. Результаты и их обсуждение В ходе проведенных исследований было выявлено, что покрытия, формирующиеся в процессе ДЛЛЖР, значительно отличаются от покрытий, получаемых путем проведения КХТО, включающей предварительную цементацию, т. е. цементацию перед ДЛЛЖР. Так, проведение КХТО приводит к формированию диффузионнолегированных покрытий значительно большей толщины, а также покрытия имеют иной элементный состав и эксплуатационные свойства, в частности, механические и физико-химические. Кроме того, было выявлено, что при одинаковых режимах хромирования в процессах ДЛЛЖР и КХТО формируются многослойные покрытия, минимум – основной слой и переходные слои, однако структура этих покрытий различна. На рис. 1 представлены микрофотографии поверхностных слоев сталей Ст3, 40Х после проведения ДЛЛЖР и КХТО. Анализируя данные микрофотографий, можно сделать вывод, что КХТО позволяет получать покрытия большей толщины, чем ДЛЛЖР. Более точные сведения о толщине и элементном составе слоев, формирующихся в процессе ДЛЛЖР и КХТО, дает микрорентгеноспектральный анализ. Как показали исследования, после проведения диффузионного легирования по технологиям ДЛЛЖР и КХТО при одних и тех же режимах элементный состав и распределение элементов в формирующихся покрытиях во многом отличаются не только толщиной получаемых диффузионных покрытий, но и элементным составом, а следовательно, и свойствами. Для выявления особенности формирования диффузионно-легированных хромовых покрытий, получаемых после ДЛЛЖР и КХТО, нами на основании результатов микрорентгеноспектральных исследований был проведен сравнительный анализ элементного состава диффузионно-легированных хромовых покрытий, полученных по технологии ДЛЛЖР и по технологии КХТО, дополнительно включающей в себя предварительную цементацию. При этом сравнивались глубина диффузионного проникновения хрома и его концентрация в различных участках сформированного диффузионно-легированного покрытия. Исследования проводились на малоуглеродистых сталях Ст3 и 20Х13, среднеуглеродистых сталях 40Х и 40Х13 и на аустенитной нержавеющей стали12Х18Н10Т. Результаты микрорентгеноспектрального анализа диффузионно-легированных хромовых покрытий, полученных по технологии ДЛЛЖР, представлены на рис. 2. Как следует из микрорентгеноспектрального анализа, распределения хрома в покрытии, не-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 101 MATERIAL SCIENCE Рис. 1. Покрытие на поверхности сталей: а – Ст3 КХТО; б – 40Х КХТО; в – Ст3 ДЛЛЖР; г – 40Х ДЛЛЖР Fig 1. Coating on the surface of steels: a – St3 CDS; б – 40-Cr CDS; в – St3 DSLMMS; г – 40-Cr DSLMMS а б б в смотря на различный состав покрываемых сталей, содержание хрома, формирующихся в диффузионно-легированных поверхностных слоях содержится достаточно большое, а для диффузионных покрытий процентное содержание хрома составляет от 96,9 до 91,1 %. При этом максимальная концентрация 96,9 % наблюдается в нелегированной малоуглеродистой стали Ст3. На поверхности остальных покрытий, сформированных на легированных сталях 40Х, 20Х13, 12Х18Н10Т, концентрация хрома снижается практически на 6 %. Такое снижение концентрации хрома в покрытии свидетельствует о влиянии легирующих элементов этих сталей. Сравнивая глубину диффузионного проникновения хрома и характера его распределения по покрытию, можно отметить, что наименьшая толщина покрытия 8 мкм наблюдается на сталях 20Х13 и 12Х18Н10Т. На сталях 40Х и Ст3 толщина покрытий больше и равна 10…12 мкм. Исследования по изучению влияния состава покрываемой стали на распределение хрома по покрытию показали, что наблюдается зависимость распределения хрома от состава покрываемой стали, что особенно проявляется на стали 20Х13. На ней выявлено значительно более быстрое падение концентрации хрома в покрытии на участке: поверхность покрытия – матери-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 102 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б в г Рис. 2. Результаты микрорентгеноспектрального анализа диффузионно-легированных хромовых покрытий, полученных по технологии ДЛЛЖР, температура 1025 °С, длительность 5 часов: а – Ст3; б – 40Х; в – 20Х13; г – 12Х18Н10Т Fig. 2. Results of electron microprobe analysis of diffusion-saturated chromium coatings formed by DSLMMS, temperature 1 025 °C, duration 5 h: a – St3; б – 40-Cr; в – 20-Cr13; г – 12-Cr18-Ni10-Ti ал основы. Так, концентрация хрома в количестве 60 % в покрытии, сформированном на этой стали, соответствует расстоянию от поверхности, равном 3 мкм, а в сталях 12Х18Н10Т, Ст3, 40Х 60 %-я концентрация хрома наблюдается в покрытиях этих сталях на расстояниях: 6,5; 8; 10 мкм соответственно. Данная особенность в процессе формирования покрытий может быть объяснена наличием в стали 20Х13 достаточно большого количества несвязанного углеродом стали хрома. Таким образом, элементный состав покрываемых сталей оказывает значительное влияние на формирование покрытий при ДЛЛЖР. Анализируя данные микрорентгеноспектрального анализа, можно сделать вывод, что на формирование
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 103 MATERIAL SCIENCE покрытий оказывает влияние содержание таких элементов в покрываемой стали, как углерод и хром. При обработке сталей 20Х13, 12Х18Н10Т, содержащих хром в концентрации более 10 %, наблюдается формирование достаточно тонких покрытий. Это объясняется особенностями взаимодействия диффундирующего хрома и компонентами сталей, уже содержащих хром. Так, для формирования покрытия необходимо образование химических соединений или твердых растворов. Наличие в стали углерода, связанного в карбиды, а также наличие твердых растворов при участии хрома способствует снижению градиента концентрации хрома на границе покрываемый материал – диффузант, и, как следствие, снижение скорости диффузии хрома. В сталях, содержащих хром в малых количествах, наблюдается иной характер формирования покрытий. Углерод, содержащийся в стали в виде твердого раствора в железе или в виде цементита, активно диффундирует к хрому вследствие того, что хром является сильным карбидообразующим элементом по сравнению с железом, стремясь сформировать карбиды хрома. Вероятным механизмом диффузии является диффузия между зернами, что подтверждается данными электронной микроскопии. Результаты микрорентгеноспектрального анализа диффузионно-легированных хромовых покрытий, полученных по технологии КХТО, представлены на рис. 3. Как показали исследования, после проведения КХТО при одних и тех же режимах элементный состав и распределение элементов в формирующихся покрытиях определяются как элементным составом легируемой стали, так и значительным повышением концентрации углерода в поверхностных слоях покрываемых сталей от 2,4 % углерода,полученных на стали 40Х13, до 0,7 % углерода на аустенитной стали 12Х18Н10Т, что подтверждается проведенным микрорентгеноспектральным анализом. Результаты этого анализа представлены на рис. 3. При этом можно отметить, что полученные покрытия состоят из нескольких слоев. На рис. 4 представлено многослойное ЭДС-изображение после КХТО стали 40Х. Анализируя данные микрорентгеноспектрального анализа, можно сделать вывод, что покрытия состоят из нескольких слоев. Поверхностный слой характеризуется высоким содержанием хрома и формируется вследствие диффузии хрома в поверхностные слои покрываемого материала. Между покрытием и основным материалом можно выделить переходную зону, характеризуемую снижением концентрации хрома, увеличением концентрации железа и наличием подслоя с повышенной концентрацией никеля. Формирование с повышенным содержанием никеля можно объяснить тем, что никель, имея низкую взаимную растворимость с карбидами хрома, формирующимися при КХТО, оттесняется в переходную зону. Как следует из микрорентгеноспектрального анализа распределения хрома в покрытии, несмотря на то, что все исследуемые стали были подвергнуты цементации на одинаковых режимах, распределение хрома определяется количеством углерода в поверхностных слоях покрываемой стали. Так, сравнивая процентное содержание хрома в покрытиях, полученных после проведения КХТО, по сравнению с покрытиями, полученными после ДЛЛЖР, концентрация хрома значительно снижается. Например, при формировании диффузионно-легированных хромовых покрытий, полученных по технологии КХТО, на поверхностях всех сталей наблюдается снижение концентрации хрома по сравнению с покрытиями, полученными по технологии ДЛЛЖР на сталях: Ст3 с 96,9 до 66,8 %;40Х с 91,1 до 63,18 %; 20Х13 с 93,18 до 62,54 %;Сталь 12Х18Н10Т – с 92,92 до 64,77 %. Такое снижение концентрации хрома в поверхностных слоях в диффузионно-легированных хромовых покрытиях, полученных по технологии КХТО, можно объяснить повышенным содержанием углерода в покрытиях, полученных вследствие проведения цементации, связывающего хром в карбидные соединения. Влияние состава покрываемых сталей на процесс формирования диффузионно-легированных покрытий проявляется вследствие влияния их состава как на процесс цементации, так и на процесс диффузионного легирования. При проведении цементации влияние состава покрываемых сталей на процесс насыщения их поверхностных слоев углеродом происходит по уже достаточно изученному механизму протекания процесса цементации, а влияние цементации на процесс формирования диффузионно-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1