Том 25 № 2 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, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, 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 реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кисель А.Г., Чуранкин В.Г. Прогнозирование смазочных свойств СОЖ по их плотности и смачивающему действию................................................................................................................................................ 6 Березин И.М., Залазинский А.Г., Крючков Д.И. Аналитическая модель равноканального углового прессования титановой губки............................................................................................................................ 17 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Куц В.В., Чевычелов С.А. Теоретическое исследование кривизны обработанной поверхности при косоугольном фрезеровании сборными фрезами.................................................................................... 32 Скиба В.Ю., Зверев Е.А., Скиба П.Ю., Черников А.Д., Попков А.С. Гибридное технологическое оборудование: к вопросу рационального выбора объектов модернизации при проведении работ, связанных с дооснащением стандартной станочной системы дополнительным концентрированным источником энергии........................................................................................................................................... 45 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. In-situ анализ многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термического воздействия........................................................................................................ 68 Корниенко Е.Е., Гуляев И.П., Кузьмин В.И., Тамбовцев А.С., Тырышкин П.А. Структура и свойства покрытий WC-10Co4Cr, полученных высокоскоростным плазменным напылением............................. 81 Балановский А. Е., Нгуен В. В., Астафьева Н.А., Гусев Р.Ю. Структура и свойства низкоуглеродистой стали после плазменной наплавки борсодержащей обмазки......................................................................... 93 Эмурлаева Ю.Ю., Лазуренко Д.В., Батаева З.Б., Петров И.Ю., Довженко Г.Д., Макагон Л.Д., Хомяков М.Н., Эмурлаев К.И., Батаев И.А. Оценка энергии формирования вакансий в ОЦК-, ГЦК- и ГПУ-металлах с использованием теории функционала плотности........................................................... 104 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 117 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 127 Корректор Е.Е. Татарникова 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 05.06.2023. Выход в свет 15.06.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 16,0. Уч.-изд. л. 29,76. Изд. № 116. Заказ 173. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 2 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.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 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 Aff airs, 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. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; 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. 2 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kisel’ A.G., Churankin V.G. Predicting the coolant lubricating properties based on its density and wetting eff ect.................................................................................................................................................................... 6 Berezin I.M., Zalazinsky A.G., Kryuchkov D.I. Analytical model of equal-channel angular pressing of titanium sponge.............................................................................................................................................. 17 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Kuts V.V., Chevychelov S.A. Theoretical study of the curvature of the treated surface during oblique milling with prefabricated milling cutters....................................................................................................................... 32 Skeeba V.Yu., Zverev E.A., Skeeba P.Yu., Chernikov A.D., Popkov A.S. Hybrid technological equipment: on the issue of a rational choice of objects of modernization when carrying out work related to retrofi tting a standard machine tool system with an additional concentrated energy source................................................ 45 MATERIAL SCIENCE Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. In-situ analysis of ZrN/CrN multilayer coatings under heating................................................................................................................................................................. 68 Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Kuzmin V.I., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A. Structure and properties of WC-10Co4Cr coatings obtained with high velocity atmospheric plasma spraying.................................... 81 Balanovsky A.E., Nguyen V.V., Astafi eva N.A., Gusev R.Yu. Structure and properties of low carbon steel after plasma-jet hard-facing of boron-containing coating............................................................................. 93 Emurlaeva Yu.Yu., Lazurenko D.V., Bataeva Z.B., Petrov I.Yu., Dovzhenko G.D., Makogon L.D., Khomyakov M.N., Emurlaev K.I., Bataev I.A. Evaluation of vacancy formation energy for BCC-, FCC-, and HCP-metals using density functional theory................................................................................................ 104 EDITORIALMATERIALS 117 FOUNDERS MATERIALS 127 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 93 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Структура и свойства низкоуглеродистой стали после плазменной наплавки борсодержащей обмазки Андрей Балановский a, Ван Винь Нгуен b, *, Наталья Астафьева с, Руслан Гусев d Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск, 664074, Россия a https://orcid.org/0000-0002-6466-6587, fuco.64@mail.ru, b https://orcid.org/0000-0001-6514-9015, nguyenvanvinh190596@gmail.com с https://orcid.org/0000-0003-4957-9597, anstella@mail.ru, d https://orcid.org/0000-0003-4217-1329, deltadota_99@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 2 с. 93–103 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.2-93-103 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Известно, что при эксплуатации стальных деталей и инструментов наиболее интенсивным внешним воздействиям подвергаются поверхностные слои, поэтому зачастую структура ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669-15:621.793.6 История статьи: Поступила: 02 марта 2023 Рецензирование: 24 марта 2023 Принята к печати: 12 апреля 2023 Доступно онлайн: 15 июня 2023 Ключевые слова: Плазменная наплавка Аморфный бор Бориды железа Покрытие Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Одним из эффективных термохимических методов повышения твердости стали является борирование путем диффузии атомов бора в стальную поверхность при высоких температурах. В результате борирования на поверхности стали образуются покрытия, состоящие из столбчатых кристаллов FeB и Fe2B. Объёмная доля фаз и толщина покрытий зависят от температуры нагрева и химического состава исходного материала и насыщающей среды. Основной недостаток этих боридных слоев – их высокая хрупкость. Борирование за счет плазменного нагрева является одной из альтернатив процессу диффузионного борирования для сведения к минимуму хрупкости борированного слоя. Цель работы: формирование боридных покрытий на низкоуглеродистой стали с использованием технологии плазменной наплавки. Методы исследования: определение содержания химических элементов с помощью электронно-зондового микроанализатора, металлографические исследования, анализ фазового состава наплавленного слоя покрытия, а также измерение микротвердости покрытия после плазменной наплавки. В работе исследованы боридные покрытия, полученные на низкоуглеродистой стали 20 методом плазменной наплавки борсодержащей обмазки. В качестве легирующего элемента использовался аморфный бор в виде порошка. Параметром, варьируемым в процессе плазменной наплавки, являлась сила тока (120, 140 и 160 А). Результаты и обсуждения. На основании выполненных исследований установлено, что возможно получить боридные слои на поверхности стали с использованием метода плазменной наплавки. Отмечено, что поверхностный слой покрытия 1-го и 2-го образцов после плазменной наплавки имеет гетерогенную структуру, состоящую из рядов различных зон. Первая зона имеет заэвтектическое строение и состоит из первичных боридов FeB и Fe2B, которые находятся в эвтектике, состоящей из Fe2B и α-Fe. Вторая зона покрытия сверху границы с основным металлом представлена колониями эвтектики из Fe2B и α-Fe. На 3-м образце структура имеет доэвтектическое строение из боридной эвтектики и первичных дендритов α-твердого раствора бора в железе. Максимальная твердость зафиксирована на поверхности первого образца и составляет 1575 HV. Глубина упрочненного слоя повысилась с увеличением силы тока, однако значение твердости и содержание бора уменьшались после обработки. Небольшой градиент твердости, наблюдаемый по глубине покрытия, а также постепенное снижение твердости благодаря наличию переходной зоны считаются благоприятными для хорошей адгезии боридного слоя к поверхности основного материала. Для цитирования: Структура и свойства низкоуглеродистой стали после плазменной наплавки борсодержащей обмазки / А.Е. Балановский, В.В. Нгуен, Н.А. Астафьева, Р.Ю. Гусев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 2. – С. 93–103. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.2-93-103. ______ *Адрес для переписки Нгуен Ван Винь, аспирант Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, 664074, г. Иркутск, Россия Тел.: 89050160252, e-mail: nguyenvanvinh190596@gmail.com и свойства поверхностных слоев оказывают решающее влияние на работоспособность изделий в целом. Следовательно, создание поверхностных слоев с необходимыми функциональными свойствами более выгодно, чем получение стали с аналогичными свойствами, а в ряде случаев является единственно возможным техническим решением [1–3]. Борирование – это один из перспективных методов повышения поверхностной твердости и износостойкости, стойкости к окислению
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 94 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ и коррозии деталей машиностроения. Существует несколько методов борирования: порошковый, химический и электролитический [4–7]. Отмечено, что процесс диффузионного борирования характеризуется большой длительностью (8–10 ч) и малой глубиной упрочнения (менее 200 мкм) [8–10]. Кроме того, насыщение поверхности стали бором обычно приводит к образованию FeB и Fe2B, имеющих игольчатую микроструктуру. Такая микроструктура делает боридный слой очень хрупким. Это не позволяет эффективно использовать борированные детали в случаях, когда они подвергаются ударным и высоким локальным нагрузкам в процессе эксплуатации. Разрушение игольчатой структуры на поверхности приводит к образованию глобулярной структуры, которая может существенно повысить прочность и пластичность поверхности [11]. Насыщение поверхности стали бором с использованием лазера, электронного луча или плазменной дуги [12–15] позволяет сократить процесс борирования до 0,1–1 мин и получить глубину упрочнения в диапазоне 1–5 мм. В работе [16] использовали порошок CrB для легирования поверхности углеродистой стали с помощью лазера. Результаты показали, что при низкой скорости сканирования (10 мм/с) микроструктура и свойства легированного слоя однородны. Авторы работы [17] с помощью лазера проводили модификации структуры борированной стали без нарушения микроструктуры и свойств основного металла. Обнаружено, что лазерная модификация поверхности с мощностью 250 Вт уменьшает градиент твердости легированного слоя к основному металлу и приводит к значительному повышению пластичности и ударной вязкости стали. Авторы работы [18] исследовали процесс борирования и отметили, что лазерное борирование низкоуглеродистой стали может быть выполнено быстрее и без какой-либо предварительной обработки. Было обнаружено, что наиболее желательной микроструктурой для борирования лазером стали AISI 1018 является Fe2B, которая имеет высокую твердость в диапазоне 1300–1700 HV и сжимающее напряжение на обрабатываемой поверхности. Порошковый карбид бора использовался для поверхностного упрочнения с помощью электронного луча [19]. Авторы отметили, что упрочненный слой после обработки имеет дендритную структуру и твердость поверхности в шесть раз большую по сравнению со стальной подложкой. Авторами работы [20] проведено исследование структуры и свойств боридных покрытий, полученных на стали AISI 1018 с использованием источника плазменного нагрева. По результатам исследования отмечено, что толщина покрытий составляла от 1 до 1,5 мм, твердость – от 400 до 1600 HV. Скорость изнашивания борированных покрытий примерно на четыре порядка ниже скорости изнашивания стальной подложки. Из анализа литературы следует, что боридные покрытия на стальной подложке можно получить с использованием источников нагрева лазером, электронным лучом и плазменной дугой. Кроме этого отметим, что работ с использованием плазменного поверхностного нагрева для борирования сталей очень мало. Целью настоящей работы является формирование боридных покрытий на низкоуглеродистой стали с помощью технологии плазменной наплавки. Для достижения поставленной цели проведены исследования микроструктуры и фазового состава, а также измерения микротвердости наплавленных покрытий. Методика исследований В качестве основного материала использовалась сталь 20, в состав которой входят следующие компоненты: С 0,17–0,24 %, Si 0,17–0,37 %, Mn 0,35–0,65 %, Ni до 0,25 %, S до 0,04 %, P до 0,04 %, Cr до 0,25 %, Fe ~ 98 %. Образцы вырезаны в виде пластины размером 75×15×15 мм и отшлифованы наждачной бумагой до зернистости 1200. Суспензию готовили путем смешивания порошка аморфного бора с клеем БФ-6 в весовой пропорции 1:1 и предварительно наносили на поверхность каждого образца. Толщина обмазки зафиксирована 1 мм. После этого образцы с обмазкой просушили в сушильном шкафу при температуре 60 °С в течение 2 ч. Оборудование для плазменной наплавки схематически представлено на рис. 1. Во всех режимах обработки постоянными параметрами были напряжение 30 В, скорость перемещения стола с образцом 4 мм/с, расстояние между поверхностью образца и электродом 3 мм, диаметр сопла 5 мм и расход защитного газа 18 л/мин. В качестве переменного параметра служила сила тока (см. таблицу).
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 95 MATERIAL SCIENCE Параметры процесса плазменной наплавки Parameters of the plasma-jet hard-facing process № образца / Specimen No. Ток, А / Current, А Способ обработки / Processing method 1 120 Одна дорожка 2 140 3 160 Рис. 1. Схема плазменной обработки: 1 – источник питания; 2 – баллон с аргоном; 3 – осциллограф; 4 – блок управления; 5 – электрический двигатель; 6 – образец с обмазкой; 7 – горелка; 8 – фотоаппарат; 9 – инфракрасный термометр Fig. 1. Plasma-jet hard-facing scheme: 1 – power source; 2 – argon bottle; 3 – oscillation detector; 4 – control block; 5 – electric motor; 6 – specimen with smearing; 7 – plasma torch; 8 – camera; 9 – infrared thermometer Микроструктура наплавочных слоев исследована на оптическом микроскопе МЕТ-2 и двухлучевом сканирующем микроскопе (многолучевая система) JIB-4500. Для определения содержания бора в наплавленном слое покрытия использовался метод электронно-зондового микроанализа. Метод электронно-зондового микроанализа заключается в следующем: пучок высокоускоренных электронов падает на небольшую поверхность образца (∼1 мкм2), далее выходящие рентгеновские лучи выбираются на основе их длины волны с использованием условия дифракции на принятом кристалле, а затем количественно определяется концентрация элементов путем сравнения интенсивностей характеристических рентгеновских лучей от каждого элемента, который присутствует в образце, с интенсивностью того же излучения, испускаемого эталоном. Исследование фазового состава покрытий после плазменной наплавки проводилось на рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD-7000 с использованием CuKα-излучения. Образцы сканировали в режиме пошагового сканирования в диапазоне 5–85° с шагом 5° при 40 кВ и 40 мА. Измерение микротвердости легированного слоя выполнялось с помощью микротвердомера Shimadzu HMV-2. Результаты и их обсуждение В процессе металлографических исследований образцов установлено, что способ плазменного оплавления обмазки, содержащей аморфный бор и связующее вещество клея БФ-6, позволяет получить слои покрытия без трещин и пор. На рис. 2, а представлена микроструктура поперечного сечения первого образца после плазменной наплавки. Первая зона характеризуется наличием структуры заэвтектического типа, которая состоит из первичных кристаллов боридных фаз FeB и Fe2B различной морфологии, находящихся в эвтектической матрице, состоящей из Fe2B и -Fe (рис. 3). Морфология боридов изменяется от овальной (рис. 4, а) до столбчатой (рис. 4, б). Кроме того, в наплавленном слое наблюдались бориды железа с неполным зарастанием граней (рис. 4, в).
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 96 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б Рис. 2. Микрофотография (а) и схема (б) строения поперечного сечения первого образца после плазменной наплавки: 1 – зона заэвтектического типа с боридами железа различной морфологии; 2 – зона эвтектического строения; 3 – зона термического влияния; 4 – основной металл Fig. 2. Micrograph (a) and scheme (б) of the 1st specimen cross section structure after plasma-jet hard-facing: 1 – hypereutectic zone with iron borides of various structures; 2 – eutectic zone; 3 – heat aff ected zone; 4 – base metal Рис. 3. Рентгенограмма первого образца после плазменной наплавки Fig. 3. X-ray pattern of the fi rst specimen after plasma-jet hard-facing В области покрытия вблизи основного металла структура слоя шириной 100 мкм представлена лишь колониями эвтектики (рис. 4, г), потому что концентрации бора недостаточно для выделения боридов. Внизу наплавленного слоя образовалась зона термического влияния с укрупнением зерен, связанным с нагревом до высоких температур. Далее расположена зона со структурой основного металла. Содержание бора в наплавленном слое составляет 12,35 %. Получена также гетерогенная структура поверхностного слоя второго образца после плазменной наплавки (рис. 5). При этом отмечено, что доля первичных боридов в наплавленном слое покрытия намного меньше. Содержание бора в наплавленном слое уменьшается и составляет 9,23 %. Микроструктура слоя покрытия состоит из первичных боридов железа FeB и Fe2B, которые находятся в матрице эвтектики, состоящей из Fe2B и α-Fe, как показано на рис. 5. Рентгеновский анализ показывает наличие первичных боридов FeB и Fe2B на поверхности стали после плазменной наплавки (рис. 6). В нижней части покрытия около границы с основным металом (рис. 5, г) микроструктура также представлена колониями эвтектики из Fe2B и α-Fe, но ширина слоя увеличилась и составляет 200 мкм.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 97 MATERIAL SCIENCE а б в г Рис. 4. Микроструктура первого образца после плазменной наплавки: а, б, в – верхняя часть покрытия; г – нижняя часть покрытия около границы с основным металлом Fig. 4. Microstructure of the 1st specimen after plasma-jet hard-facing: a, б, в – the upper part of coating; г – the lower part of the coating near the boundary with the base metal На рис. 7 представлена микроструктура наплавленного слоя покрытия третьего образца после плазменной наплавки. Он имеет доэвтектическую структуру, состоящую из боридной эвтектики и первичных дендритов α-твердого раствора бора в железе. Согласно данным рентгеновского анализа (рис. 8) основными фазами покрытия являются Fe2B и -Fe. Содержание бора в наплавленном слое покрытия составляет 3,4 %. При рассмотрении бинарных фазовых диаграмм Fe-B видно, что микроструктуры хорошо согласуются с этими фазовыми диаграммами [18]. Известно, что сплавы железа с бором относятся к сплавам эвтектического типа, где эвтектика образована твердым раствором -Fe и Fe2B. При концентрации бора 3,83 мас.%, сплав является 100 %-ной эвтектикой. В ходе исследования микроструктуры наплавленного слоя покрытия после плазменной наплавки было проведено определение содержания бора по глубине слоя методом электроннозондового микроанализа. Результаты определения содержания бора по глубине наплавленного слоя представлены на рис. 9. Из полученной диаграммы видно, что содержание бора в наплавленном слое покрытия уменьшается от поверхности покрытия до основного металла. При этом в наплавленном слое первого образца содержание бора выше на 1,5–2 %, чем у второго образца, и выше на 7–8 %, чем у третьего образца в зависимости от глубины наплавленного слоя.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 98 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б Рис. 5. Микроструктура второго образца после плазменной наплавки: а, б, в – верхняя часть покрытия; г – нижняя часть покрытия около границы с основным металлом Fig. 5. Microstructure of the 2nd specimen after plasma-jet hard-facing: a, б, в – the upper part of coating; г – the lower part of the coating near the boundary with the base metal в г Рис. 6. Рентгенограмма второго образца после плазменной наплавки Fig. 6. X-ray pattern of the 2nd specimen after plasma-jet hard-facing На рис. 10 показано распределение микротвердости по глубине борированного слоя при различных силах тока после плазменного борирования. При увеличении силы тока от 120 до 160 А глубина упрочнения повышалась от 0,625 до 1,95 мм. Максимальная твердость 1547 НV для стали 20 наблюдалась на глубине 0,075 мм от поверхности слоя, что характерно для борирования за счет образования твердых боридов железа. Частицы борида железа являются высокопрочной фазой, которая определяет степень упрочнения в легированном слое. Эти более высокие значения твердости связаны с более высоким содержанием бора, что привело к образованию большого количества первичных боридов FeB и Fe2B. Увеличение тока до 140 А приводит к увеличению толщины верхнего покрытия до 1,125 мм, а максимальная твердость падает до 1293 НV. Это объясняется тем, что чем выше сила тока,
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 99 MATERIAL SCIENCE а б Рис. 7. Микроструктура наплавленного слоя третьего образца после плазменной наплавки: а – оптический микроскоп; б – сканирующий электронный микроскоп Fig. 7. Microstructure of the 3rd specimen after plasma-jet hard-facing: a – optical microscopy; б – scanning electron microscopy Рис. 8. Рентгенограмма третьего образца после плазменной наплавки Fig. 8. X-ray pattern of the 3rd specimen after plasma-jet hard-facing тем больше разбавление наплавочной смеси основным материалом. В результате этого концентрация бора в наплавленном слое уменьшалась, и наоборот, доля эвтектической составляющей увеличивалась. Самое низкое значение твердости легированного слоя измерено при силе тока 160 А и составляет 452 НV, потому что поверхностный слой после борирования имеет доэвтектическую структуру и самое низкое содержание бора. Интересно отметить, что небольшой градиент твердости, наблюдаемый по глубине покрытия, а также постепенное снижение твердости благодаря наличию переходной зоны считаются благоприятными для хорошей адгезии боридного слоя к поверхности основного материала. Например, резкий скачок твердости между боридными слоями и подложкой, наблюдаемый в слоях, полученных диффузионным борированием, считается одной из основных причин плохой адгезии, приводящей к отслаиванию и расщеплению покрытий. Выводы 1. В ходе проведенных исследований установлено, что возможно получить боридные слои на поверхности стали с использованием технологии плазменной наплавки борсодержащей обмазки. 2. Отмечено, что поверхностный слой покрытия 1-го и 2-го образцов после плазменной наплавки имеет гетерогенную структуру, состоящую из рядов различных зон. Первая зона имеет заэвтектическое строение из первичных боридов FeB и Fe2B, находящихся в эвтектике, которая состоит из Fe2B и α-Fe. Вторая зона покрытия сверху границы с основным металлом представлена колониями эвтектики из Fe2B и α-Fe. На 3-м
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1