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 131 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Влияние продолжительности боромеднения на толщину диффузионного слоя и микротвердость углеродистых и легированных сталей Степан Лысых 1, a, *, Василий Корнопольцев 2, b, Ундрах Мишигдоржийн 1, c, Юрий Хараев 3, d, Александр Тихонов 4, e, Владимир Иванцивский 5, f, Никита Вахрушев 5, g 1 Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 6, г. Улан-Удэ, 670047, Россия 2 Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 6, г. Улан-Удэ, 670047, Россия 3 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, ул. Ключевская 40В, г. Улан-Удэ, 670013, Россия 4 Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова 83, г. Иркутск, 664074, Россия 5 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия a https://orcid.org/0000-0002-1421-5251, lysyh.stepa@yandex.ru, b https://orcid.org/0000-0003-1970-2945, kompo@mail.ru, c https://orcid.org/0000-0002-7863-9045, undrakh@ipms.bscnet.ru, d https://orcid.org/0000-0001-6449-4175, kharaev@inbox.ru, e https://orcid.org/0000-0002-4917-9916, tihonovalex90@mail.ru, f https://orcid.org/0000-0001-9244-225X, ivancivskij@corp.nstu.ru, g https://orcid.org/0000-0002-2273-5329, vah_nikit@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 1 с. 131–148 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-131-148 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669.1; 66.040 История статьи: Поступила: 15 декабря 2022 Рецензирование: 09 января 2023 Принята к печати: 03 февраля 2023 Доступно онлайн: 15 марта 2023 Ключевые слова: Химико-термическая обработка (ХТО) Боромеднение Диффузионный слой Углеродистая сталь Легированная сталь Микротвердость Шероховатость Финансирование: Исследование углеродистых сталей 45 и У10 выполнено в рамках государственного задания БИП СО РАН № 0273-2021-0007. Исследование легированной стали 5ХНМ выполнено при финансовом обеспечении гранта Российского научного фонда (проект 19-79-10163-П). Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034) и ЦКП «Научные приборы» Бурятского государственного университета им. Доржи Банзарова. Авторы выражают благодарность Улаханову Николаю Сергеевичу и Гуляшинову Павлу Анатольевичу за помощь в координации экспериментальных исследований. АННОТАЦИЯ Введение. Боромеднение – один из способов химико-термической обработки (ХТО), направленный на получение диффузионных слоев с высокими физико-механическими свойствами на поверхности углеродистых и легированных сталей. Толщина диффузионного слоя является наиболее важной характеристикой ХТО, которая определяет глубину упрочнения. Следовательно, интенсивность и основные характеристики процесса ХТО (толщина слоя, распределение концентрации легирующего элемента) будут зависеть от условий проведения процесса (температуры, времени выдержки и количества легирующего элемента). Целью настоящей работы является определение температурно-временных параметров диффузионного боромеднения, способствующих получению диффузионных слоев с максимальной толщиной. В работе рассмотрены результаты исследований по упрочнению углеродистых и легированных сталей (на примере стали 45, У10 и 5ХНМ) нагревом в порошковых насыщающих смесях, содержащих бор и медь. Процесс боромеднения проводили в герметичных контейнерах с порошковой насыщающей смесью, состоящей из карбида бора, оксида меди и фторида натрия в качестве активатора при температуре 950 °С, в течение 3…5 ч. Полученные образцы с диффузионным слоем исследовали на оптическом и растровом электронном микроскопе (РЭМ); определены микротвердость, элементный и фазовый состав слоев, а также шероховатость полученных поверхностей. Результаты и обсуждения. Исследована микроструктура полученных диффузионных слоев, показаны диаграммы изменения толщины слоев и распределения микротвердости по глубине диффузионных слоев. Установлено, что при увеличении времени выдержки с 3 до 5 часов толщина диффузионного слоя возрастает от 120 до 170 мкм на стали 45; от 110 до 155 мкм на стали У10 и от 130 до 230 мкм на стали 5ХНМ. Выявлено постепенное снижение концентрации бора и меди по толщине слоя с 15…16 % и 2…3 % на поверхности соответственно до нулевых значений на границе с основным металлом. Установлено, что процесс боромеднения приводит к созданию более протяженных по глубине боридных слоев на поверхности углеродистых и легированных сталей по сравнению с чистым борированием. Причем увеличение продолжительности выдержки при проведении процесса способствует наибольшему увеличению толщины слоя на стали 5ХНМ. Проведено исследование микрогеометрии, показаны микротопографии и профилограммы поверхностей образцов до и после боромеднения. Установлено, что шероховатость после боромеднения увеличивается в 2-3 раза по сравнению с исходной, а увеличение продолжительности процесса при этом не оказывает существенного влияния на шероховатость. Для цитирования: Влияние продолжительности боромеднения на толщину диффузионного слоя и микротвердость углеродистых и легированных сталей / С.А. Лысых, В.Н. Корнопольцев, У.Л. Мишигдоржийн, Ю.П. Хараев, А.Г. Тихонов, В.В. Иванцивский, Н.В. Вахрушев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 131–148. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-131-148. ______ *Адрес для переписки Лысых Степан Алексеевич, м.н.с. Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 6, 670047, г. Улан-Удэ, Россия Тел.: 8-924-397-24-76, e-mail: lysyh.stepa@yandex.ru.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 132 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Введение Задачи повышения надежности, работоспособности и долговечности деталей машин, конструкций и инструмента относятся к числу первоочередных задач в науке и технике. Для решения этих задач требуется разработка и внедрение эффективных методов, которые позволяют повысить многие эксплуатационные характеристики (коррозионную стойкость и износостойкость) путем поверхностного упрочнения. Одним из распространенных методов поверхностного упрочнения является химико-термическая обработка (ХТО), которая направлена на повышение широкого спектра физико-механических свойств при эксплуатации деталей машин и инструмента. Сущность любого метода ХТО заключается в термическом и химическом воздействии на материал с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя. Из анализа литературных данных следует, что одним из самых распространенных методов ХТО является борирование [1–6]. Процесс борирования известен более полувека, но применяется не так широко по сравнению с цемента цией [7–10], азотированием и нитроцементацией [11–14]. В результате насыщения железоуглеродистых сплавов бором на поверхности формируются слои, обладающие высокой твердостью (1600…2000 HV). Сдерживающим фактором широкого распространения борирования в машиностроении является высокая хрупкость и склонность к трещинообразованию поверхностных слоев после различных химико-термических способов обработки [15–17]. Существует несколько способов снижения хрупкости боридного слоя: 1) получение однофазных слоев, которые состоят из фазы Fe2B; 2) получение более тонких слоев; 3) использование в составе насыщающей смеси совместно с бором таких элементов, как хром, медь, никель, алюминий и др. [21–24]. Особый интерес представляет один из методов ХТО – боромеднение. Данный метод направлен на увеличение толщины диффузионного слоя, а также на повышение пластичности диффузионного слоя. Авторами работ [21–23] установлено, что увеличение концентрации меди в составе насыщающей смеси способствует увеличению толщины диффузионного слоя. Целью данной работы является исследование строения диффузионного слоя в зависимости от времени проведения комплексного насыщения поверхности образцов из стали 45, У10 и 5ХНМ бором и медью. Методика исследований Процесс диффузионного насыщения проводился в порошковой среде. В качестве исследуемых образцов использовались стали 45, У10 и 5ХНМ, химический состав которых представлен в табл. 1. Насыщающая смесь включала в себя порошок карбида бора, алюминия и оксида меди. Фтористый натрий выступал активатором процесса насыщения. Состав насыщающей смеси имел следующее процентное содержание компонентов: 47 % B4C + + 28 % CuO + 23 % Al + 2 % NaF. Оптимальное Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав стали 45, У10 и 5ХНМ, масс. % Chemical composition of Steel 45 (0.45% C), Steel U10 (1.0% C), and 0.5C-Cr-Ni-Mn steel, wt. % Марка стали / Steel grade C Si Mn Ni S P Cr Cu Fe Mo Сталь 45 0,42…0,5 0,17…0,37 0,5…0,8 до 0,25 до 0,04 до 0,035 до 0,25 до 0,25̴ 97 – Сталь У10 0,96…1,03 0,17…0,33 0,17…0,33 до 0,25 до 0,028 до 0,03 до 0,2 до 0,25̴ 97 – Сталь 5ХНМ 0,5…0,6 0,1…0,4 0,5…0,8 1,4…1,8 до 0,03 до 0,03 0,5…0,8 до 0,3̴ 95 0,15…0,3
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 133 MATERIAL SCIENCE количество оксида меди было выбрано исходя из работ [21–23], где были получены диффузионные слои с максимальной толщиной. Подготовленные образцы помещали в контейнер, засыпали насыщающей смесью (рис. 1, а) и убирали в муфельную печь (рис. 1, б). Для предотвращения окислительных процессов, крышку контейнера герметизировали легкоплавким стеклом. Диффузионное насыщение проводилось при температуре 950 ºС, в течение 3, 4 и 5 часов. Далее контейнер охлаждался на воздухе, образцы извлекались из него, очищались от остатков насыщающей смеси. Затем следовала подготовка образцов к металлографическим исследованиям. Образцы закрепляли в струбцины, затем проводилось шлифование и полирование. Для выявления микроструктуры исследуемых образцов использовался химически активный раствор, состоящий из азотной кислоты (4 %) и спирта (остальное). Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе Альтами МЕТ 2С, измерения микротвердости – на микротвердомере ПМТ-3М, нагрузка на алмазную пирамидку составляла 50 г. Элементный анализ исследовали на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) JEOL JCM-6000 с элементным дисперсионным анализатором. Для изучения структуры протравленную поверхность образцов изучали в режиме вторичных электронов. Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре D2 PHASER c линейным детектором LYNXEYE. Шаг измерения равнялся 0,02°, время обработки одного шага составляло 1,2 с. Исследование топографии с определением параметров шероховатости поверхностей полученных образцов осуществляли на оптическом профилометре Bruker Contour GT-K1 с программным обеспечением Vision64 [24, 25]. а б Рис. 1. Упакованные контейнеры (а), муфельная печь ЭКПС-50 (б) Fig. 1. Packed containers (a), muffl e furnace EKPS-50 (б) Результаты и их обсуждение В результате диффузионного поверхностного насыщения образцов бором и медью в течение часов были получены диффузионные слои толщиной от 110 до 130 мкм (рис. 2). После проведения диффузионного боромеднения в течение 4 часов на поверхности образцов были получены диффузионные слои толщиной 140…220 мкм (рис. 3). На рис. 2, а показан диффузионный слой стали 45 толщиной 120 мкм с твердостью 1800…1600 HV. Диффузионный слой имеет «классическое» для боридного слоя строение в виде игл. Характерной особенностью является глубокое внедрение игл в основу стали. Многие авторы считают, что это является причиной прочного сцепления диффузионного слоя с основой металла [26–29]. При этом иглы на концах имеют скругления. Наблюдается выделение карбоборидной фазы непосредственно от боридных игл, твердость которых составила 1200…1750 HV. Переходная зона между слоем и основой стали не отличается от ферритно-перлитной структуры основы. После проведения боромеднения стали 45 в течение 4 часов толщина слоя составила 140 мкм, что на 20 мкм больше по сравнению с
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 134 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б в Рис. 2. Микроструктура диффузионного слоя после комплексного поверхностного насыщения бором и медью в течение 3 часов выдержки: а – сталь 45, толщина слоя 120 мкм; б – сталь У10, толщина слоя 110 мкм; в – сталь 5ХНМ, толщина слоя 130 мкм Fig. 2. Microstructure of the diffusion layer after complex surface saturation with boron and copper for 3 hours of soaking: a – Steel 45 (0.45 % C), layer thickness is 120 μm; б – Steel U10 (1.0 % C), layer thickness is 110 μm; в – 0.5 C-Cr-Ni-Mn steel, layer thickness is 130 μm выдержкой в 3 часа (рис. 3, а). Микротвердость составила 2000 HV на поверхности с последующим снижением до 1600 HV на границе раздела слой–основание. Наблюдается срастание игл у основания с образованием сплошного слоя. Отсутствует примыкающая к боридным иглам карбоборидная фаза. Переходная зона представлена более явно в виде светлой ферритной прослойки, где максимальная концентрация бора достигает 4 %, далее она постепенно снижается по направлению к сердцевине образца. Структура стали сохраняет избыточный феррит (светлые включения), наблюдается также мартенсит с небольшим содержанием остаточного аустенита. а б в Рис. 3. Микроструктура диффузионного слоя после комплексного поверхностного насыщения бором и медью в течение 4 часов выдержки: а – сталь 45, толщина слоя 160 мкм; б – сталь У10, толщина слоя 140 мкм; в – сталь 5ХНМ, толщина слоя 220 мкм Fig. 3. Microstructure of the diffusion layer after complex surface saturation with boron and copper for 4 hours of soaking: a – Steel 45 (0.45 % C), layer thickness is 160 μm; б – Steel U10 (1.0 % C), layer thickness is 140 μm; в – 0.5C-Cr-Ni-Mn steel, layer thickness is 220 μm На поверхности инструментальной углеродистой стали У10 после 3 часов ХТО получен диффузионный слой толщиной 110 мкм, твердость которого составила 1975…1575 HV (рис. 2, б). Слой состоит из плотно прижатых друг к другу игл с невыраженной переходной зоной, которая представляет собой перлит с малым содержанием бора. Структура стали состоит из пластинчатого перлита, окруженного тонкой цементитной сеткой. Необходимо отметить наличие светлых скоагулированных включений, по-видимому, являющихся аустенитом. После боромеднения стали У10 в течение 4 часов получен диффузионный слой толщиной
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 135 MATERIAL SCIENCE 140 мкм, что на 30 мкм больше по сравнению с выдержкой данной стали в течение 3 часов (рис. 3, б). Увеличилась незначительно и микротвердость до 2050 HV на поверхности слоя с последующим снижением до 1600 HV на границе с основным металлом. Микроструктура свидетельствует о срастании игл и получении сплошного слоя в верхней и средней части слоя с сохранением игольчатой структуры на границе с основой. Наличие переходной зоны не наблюдается, а микроструктура основы представлена пластинчатым перлитом с цементитной сеткой. Металлографические исследования структуры и диффузионного слоя стали 5ХНМ показали наличие диффузионного слоя толщиной 130 и 220 мкм при 3- и 4-часовом боромеднении соответственно (рис. 2, б и 3, б). Микротвердость составила 1800…1500 HV при 3-часовой выдержке и 2000…1650 HV при выдержке в течение 4 часов. При проведении диффузионного насыщения бором и медью образцов из сталей 45, У10 и 5ХНМ в течение 5 часов наблюдается увеличение толщины диффузионного слоя на 10…15 мкм (рис. 5). На рис. 4, а изображена структура стали 45, где в отличие от предыдущих режимов боромеднения слой имеет ярко выраженное игольчатое строение в виде укрупненных игл с прямолинейным направлением к сердцевине образца. Отмечается увеличение микротвердости в приповерхностной части слоя, где ее максимальное значение равно 2100 HV (рис. 6, а). На поверхности образцов из стали У10 после 5-часового боромеднения диффузионный слой теряет игольчатое строение и приобретает вид сплошного слоя, о чем свидетельствует рис. 4, б. Прирост толщины составил 15 мкм, а максимальное значение микротвердости было равно 2000 HV (рис. 6, б). Незначительные изменения структуры диффузионного слоя после 5-часового боромеднения претерпевают образцы из стали 5ХНМ (рис. 4, в). Толщина слоя была увеличена на 10 мкм (рис. 5). Игольчатое строение слоя остается неизменным, но наблюдается укрупнение игл. Стоит также отметить, что непосредственно к боридным иглам примыкают некоторые выделения, предположительно карбоборидного строения, которые имеют направление под некоторым углом относительно самих игл. Микротвердость и характер ее распределения остаются без изменений (рис. 6, в). Увеличение содержания углерода в сталях 45 и У10 снижает среднюю толщину слоя при обоих выдержках. На стали 5ХНМ толщина слоя наибольшая, несмотря на промежуточное содержание углерода (рис. 4). Вероятно, легирующие элементы в стали играют роль в интенсификации диффузии при боромеднении. На рис. 6 видно, что распределение микротвердости после боромеднения в течение 3, 4 и а б в Рис. 4. Микроструктура диффузионного слоя после комплексного поверхностного насыщения бором и медью в течение 5 часов выдержки: а – сталь 45, толщина слоя 170 мкм; б – сталь У10, толщина слоя 155 мкм; в – сталь 5ХНМ, толщина слоя 230 мкм Fig. 4. Microstructure of the diffusion layer after complex surface saturation with boron and copper for 5 hours of exposure: a – Steel 45 (0.45 % C), layer thickness is 170 μm; б – Steel U10 (1.0 % C), layer thickness is 155 μm; в – 0.5C-Cr-Ni-Mn steel, layer thickness is 230 μm
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 136 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 5.Толщина диффузионного слоя, полученного в результате боромеднения образцов из стали 45, У10, 5ХНМ в течение 3, 4 и 5 часов Fig. 5. The thickness of the diffusion layer formed after borocoppering of Steel 45 (0.45 % C), Steel U10 (1.0 % C), and 0.5C-Cr-Ni-Mn steel for 3, 4 and 5 hours 5 часов на всех сталях схожее и характеризуется плавным снижением значений от поверхности к основному металлу. Необходимо отметить, что микротвердость всех образцов по всей толщине слоя после 5-часового боромеднения выше на 100…150 HV по сравнению с микротвердостью образцов после боромеднения в течение 3 и 4 часов. Предположительно, что это связано с ростом содержания более твердой фазы FeB после 5-часового боромеднения. Данные, приведенные в табл. 2 и на рис. 7, а, подтверждают наличие бора и меди в диффузионном слое на исследуемом образце из стали 45. Наблюдается уменьшение концентрации бора и меди по направлению от поверхности к границе раздела с основой. Углерод оттесняется в переходную зону, где его концентрация максимальна и составляет 0,56 %. Никель и марганец практически равномерно распределены по всей толщине диффузионного слоя. Наличие хрома обнаружено в переходной зоне. Следовательно, элементный анализ показывает характер распределения легирующих элементов, соответствующих химическому составу стали 45. Результаты, представленные в табл. 3 и на рис. 7, б для стали У10, указывают на наличие бора на поверхности в количестве 16,81 % и постепенное снижение его концентрации до 0,68 %. Максимальное количество меди наблюдается на поверхности диффузионного слоя и непосредственно под боридными иглами. Углерод оттесняется под боридный слой, где его содержание достигает 1,69 %. Хром и марганец равномерно распределены по всей толщине диффузионного слоя. В табл. 4 представлен элементный состав стали 5ХНМ после боромеднения в течение 4 часов (рис. 7, в). Как и на предыдущих образцах, максимальная концентрация бора наблюдается на поверхности с последующим ее снижением по направлению к границе с основой. Максимальная концентрация углерода видна на поверхности и в переходной зоне. Алюминий, хром, никель, молибден и медь сконцентрированы в тех же зонах, что и углерод. Рентгенофазовый анализ, проведенный на поверхности стали 45 (рис. 8) после боромеднения, демонстрирует наличие фаз FeB, Fe2B. Невозможность определения меди, вероятнее всего, связана с ее малым количеством. Рентгенограмма, полученная на стали У10 (рис. 9), демонстрирует наличие фазы Fe2B и карбидной фазы Fe3C. Стоит обратить внимание на отсутствие фазы FeB. Присутствие меди также не наблюдается. В результате проведения рентгенофазового анализа образца из стали 5ХНМ (рис. 10) был установлен фазовый состав боридного слоя,
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1