Том 25 № 4 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 № 4 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Акинцева А.В., Переверзев П.П. Моделирование взаимосвязи силы резания с глубиной резания и объемами снимаемого металла единичными зернами при плоском шлифовании.................................................................................................................... 6 Шарма Ш.С., Йоши А., Раджпут Й.С. Систематический обзор технологий производства металлической пены...................... 22 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Иванцивский В.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Обзор современных требований к сварке трубных высокопрочных низколегированных сталей................................................................................................. 36 Старцев Е.А., Бахматов П.В. Влияние режимов дуговой автоматической сварки на геометрические параметры шва стыковых соединений из низкоуглеродистой стали, выполненных с применением экспериментального флюса.............................. 61 Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Ци М., Багинский А.Г., Хань Ц., Бовкун А.С. Фрезерование заготовок из мартенситной стали 40Х13, полученных с помощью аддитивных технологий.......................................................................................................... 74 Логинов Ю.Н., Замараева Ю.В. Оценка схемы многоканального углового прессования прутков и возможности ее применения на практике................................................................................................................................................................................. 90 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Раджпут Й.С., Шарма А.К., Мишра В.Н., Саксена К., Дипак Д., Шарма Ш.С. Влияние геометрии наконечника сварочного инструмента на характеристики растяжения соединений сплава АА8011, полученных сваркой трением с перемешиванием.... 105 Чинчаникар С., Гейдж М.Г. Моделирование рабочих характеристик и мультикритериальная оптимизация при токарной обработке нержавеющей стали AISI 304 (12Х18Н10Т) резцами с износостойким покрытием и с износостойким покрытием, подвергнутым микропескоструйной обработке.................................................................................................................................... 117 Гуле Г.С., Санап С., Чинчаникар С. Точение стали AISI 52100 с наложением ультразвуковых колебаний: сравнительная оценка и моделирование с использованием анализа размерностей.................................................................................................... 136 Пивкин П.М., Ершов А.А., Миронов Н.Е., Надыкто А.Б. Влияние формы тороидальной задней поверхности на углы режущего клина и механические напряжения вдоль режущей кромки сверла.................................................................................. 151 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Мамадалиев Р.А. Влияние внутренних напряжений на интенсивность коррозионных процессов конструкционной стали......................................................................................................................... 167 Клименов В.А., Колубаев Е.А., Хань Ц., Чумаевский А.В., Двилис Э.С., Стрелкова И.Л., Дробяз Е.А., Яременко О.Б., Куранов А.Е. Модуль упругости и твердость титанового сплава, сформировавшегося в условиях электронного лучевого сплавления при 3D-печати проволокой................................................................................................................................................. 180 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 кристаллической решетки нитридных однокомпонентных и многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термоциклирования............................................................................................................................................... 202 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Гриненко А.В., Колубаев Е.А. Влияние высокоэнергетического воздействия при плазменной резке на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов............................................................................................... 216 Бобылёв Э.Э., Стороженко И.Д., Маторин А.А., Марченко В.Д. Особенности формирования Ni-Cr покрытий, полученных диффузионным легированием из среды легкоплавких жидкометаллических растворов.................................................................. 232 Бурков А.А., Коневцов Л.А., Дворник М.И., Николенко С.В., Кулик М.А. Формирование и исследование свойств покрытий из металлического стекла FeWCrMoBC на стали 35............................................................................................................ 244 Шарма Ш.С., Хатри Р., Йоши А. Синергетический подход к разработке легкого пористого металлического пеноматериала на основе алюминия с использованием литейно-металлургического метода.................................................................................... 255 Строкач Е.А., Кожевников Г.Д., Пожидаев А.А., Добровольский С.В. Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц........................................................................................................................................... 268 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 284 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 295 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 01.12.2023. Выход в свет 15.12.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 37,0. Уч.-изд. л. 68,82. Изд. № 209. Заказ 296. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 4 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. 4 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. 4 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Akintseva A.V., Pereverzev P.P. Modeling the interrelation of the cutting force with the cutting depth and the volumes of the metal being removed by single grains in fl at grinding........................................................................................................................................ 6 Sharma S.S., Joshi A., Rajpoot Y.S. A systematic review of processing techniques for cellular metallic foam production................. 22 Karlina Yu.I., Kononenko R.V., Ivantsivsky V.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Review of modern requirements for welding of pipe high-strength low-alloy steels.......................................................................................................................................... 36 Startsev E.A., Bakhmatov P.V. The infl uence of automatic arc welding modes on the geometric parameters of the seam of butt joints made of low-carbon steel, made using experimental fl ux......................................................................................................................... 61 Martyushev N.V., Kozlov V.N., Qi M., Baginskiy A.G., Han Z., Bovkun A.S. Milling martensitic steel blanks obtained using additive technologies................................................................................................................................................................................ 74 Loginov Yu.N., Zamaraeva Yu.V. Evaluation of the bars’ multichannel angular pressing scheme and its potential application in practice................................................................................................................................................................................................... 90 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Rajpoot Y.S., SharmaA.K., Mishra V.N., Saxena K., Deepak D., Sharma S.S. Eff ect of tool pin profi le on the tensile characteristics of friction stir welded joints of AA8011.................................................................................................................................................... 105 Chinchanikar S., Gadge M.G. Performance modeling and multi-objective optimization during turning AISI 304 stainless steel using coated and coated-microblasted tools........................................................................................................................................................ 117 Ghule G.S., Sanap S., Chinchanikar S. Ultrasonic vibration-assisted hard turning of AISI 52100 steel: comparative evaluation and modeling using dimensional analysis........................................................................................................................................................ 136 Pivkin P.M., Ershov A.A., Mironov N.E., Nadykto A.B. Infl uence of the shape of the toroidal fl ank surface on the cutting wedge angles and mechanical stresses along the drill cutting edge...................................................................................................................... 151 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Muratov K.R., Venediktov A.N., Mamadaliev R.A. Infl uence of internal stresses on the intensity of corrosion processes in structural steel....................................................................................................................................................................... 167 Klimenov V.A., Kolubaev E.A., Han Z., Chumaevskii A.V., Dvilis E.S., Strelkova I.L., Drobyaz E.A., Yaremenko O.B., Kuranov A.E. Elastic modulus and hardness of Ti alloy obtained by wire-feed electron-beam additive manufacturing................... 180 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 crystal lattice analysis of nitride single-component and multilayer ZrN/CrN coatings in the process of thermal cycling.......................................................................................................................................................................................... 202 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Kniazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Grinenko A.V., Kolubaev E.A. Infl uence of high-energy impact during plasma cutting on the structure and properties of surface layers of aluminum and titanium alloys................................................................................................................... 216 Bobylyov E.E., Storojenko I.D., Matorin A.A., Marchenko V.D. Features of the formation of Ni-Cr coatings obtained by diff usion alloying from low-melting liquid metal solutions..................................................................................................................................... 232 Burkov А.А., Konevtsov L.А., Dvornik М.И., Nikolenko S.V., Kulik M.A. Formation and investigation of the properties of FeWCrMoBC metallic glass coatings on carbon steel.......................................................................................................................... 244 Sharma S.S., Khatri R., Joshi A. A synergistic approach to the development of lightweight aluminium-based porous metallic foam using stir casting method........................................................................................................................................................................... 255 Strokach E.A., Kozhevnikov G.D., Pozhidaev A.A., Dobrovolsky S.V. Numerical study of titanium alloy high-velocity solid particle erosion.......................................................................................................................................................................................... 268 EDITORIALMATERIALS 284 FOUNDERS MATERIALS 295 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 22 ТЕХНОЛОГИЯ Систематический обзор технологий производства металлической пены Шиам Шарма 1, a, Анураг Йоши 1, b, *, Йогендра Раджпут 2, c 1 Манипалский университет, Джайпур, Раджастан, 303007, Индия 2 Инженерный колледж Раджкия, Майнпури, Уттар-Прадеш, 205119, Индия a https://orcid.org/0000-0002-1510-5871, shyamsunder.sharma@jaipur.manipal.edu; b https://orcid.org/0000-0002-8231-9423, anuragjoshi355@gmail.com; с https://orcid.org/0000-0002-9662-0903, yogendrasingh.rajpoot@recmainpuri.in Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 4 с. 22–35 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-22-35 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 671.22 История статьи: Поступила: 06 августа 2023 Рецензирование: 11 августа 2023 Принята к печати: 23 августа 2023 Доступно онлайн: 15 декабря 2023 Ключевые слова: Прямое вспенивание расплавов Порошковая металлургия Технология осаждения Пенообразующее вещество АННОТАЦИЯ Введение. В статье представлен всесторонний обзор методов производства, материалов, свойств и проблем, связанных с пенометаллами; особое внимание уделяется пенометаллам на основе алюминия и титана. Пористые пенометаллы вызывают интерес благодаря уникальному сочетанию низкой плотности, высокой жесткости и высокой способности поглощать энергию. Металлическая пена известна своим уникальным сочетанием физических и механических свойств, включая повышенную жесткость, удельную прочность при высоких температурах, легкий вес и эффективное поглощение энергии при относительно низкой площадке текучести. Пенометалл широко используется в автомобильной, судостроительной и космической промышленности. Он имеет высокую пористость, низкую относительную плотность и высокую прочность, что повышает эксплуатационные характеристики изделия. В аэрокосмической и автомобильной промышленности требуется материал с высоким соотношением прочности и удельного веса. Методы. Для удовлетворения этой потребности было разработано множество методов производства металлической пены, таких как метод расплавления, метод осаждения и метод порошковой металлургии. Метод литья широко используется для производства металлической пены по сравнению с другими методами. Результаты и обсуждение. При производстве пенометаллов на основе алюминиевого сплава обычно используется метод прямого вспенивания расплавов. Гидрид титана (TiH2) был популярным пенообразующим веществом, но высокая скорость его разложения и ограничения по стоимости привели к разработке альтернативных пенообразователей, таких как CaCO3 (карбонат кальция). Титановую пену часто изготавливают, используя наполнитель для формирования пор. Этот метод включает смешивание титанового порошка с наполнителем, формирование заготовки, а затем спекание для удаления наполнителя и создания пористой структуры, поскольку метод, основанный на использовании наполнителя для формирования пор, позволяет точно контролировать свойства пены, такие как размер пор, пористость и относительную плотность. Результаты также показывают, что пористость пенометаллов может варьироваться от 50 до 95 %, что совпадает с данными из литературы. Пористые структуры могут включать в себя открытые и закрытые поры, а также их комбинацию, из-за чего различные участки материала обладают разными механическими и термическими свойствами. В различных литературных источниках также отмечается, что относительная плотность, которая представляет собой отношение плотности пенометалла к плотности порошкового материала, варьируется от 0,02 до 0,44 в зависимости от используемого метода производства. Для цитирования: Шарма Ш.С., Йоши А., Раджпут Й.С. Систематический обзор технологий производства металлической пены // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 22–35. – DOI: 10.17212/1994-6309-202325.4-22-35. ______ *Адрес для переписки Йоши Анураг, к.т.н., доцент Манипалский университет, Джайпур, 303007, Раджастан, Индия Тел.: +91-9772844555, e-mail: anuragjoshi355@gmail.com Введение Во многих исследовательских работах пористые материалы называют новыми материалами. Первоначально о них сообщил де Меллер в 1925 году. В его патенте было предложено вспенивание легких металлов путем впрыскивания инертного газа или с использованием газообразующего вещества, газо-эвтектическая реакция и др. Эти процессы требуют больших капиталовложений и использования средств защиты, поскольку в процессе вспенивания выделяется газ [1]. Металлическую пену можно охарактеризовать как легкий материал с высокой жесткостью. Когда в жидкий металл добавляется газообразующее вещество и выделяются газы, которые после затвердевания улавливаются, мы получаем металлическую пену, напри-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 23 TECHNOLOGY мер алюминиевую. Интерес исследователей к разработке металлической пены заключается в получении уникальных свойств, таких как малый удельный вес, высокая газопроницаемость, высокая жесткость, низкая теплопроводность, электроизоляционные свойства и высокая ударопоглощающая способность. Чтобы получить эти редкие свойства, исследователи попытались создать различные типы металлической пены из разных металлов и сплавов, таких как стали, Cu, Al, Al-Si, Al-Mg, Pb, Fe, Ni3A1, Mg, Zn, а также Ti, Al-Cu, композиты с металлической матрицей, металлические стекла и др. Среди них огромное развитие в промышленном производстве получила алюминиевая пена [2]. Пенометаллы нашли широкое распространение в различных отраслях промышленности, таких как автомобильная и космическая, благодаря хорошим механическим свойствам и небольшому удельному весу. Алюминиевая пена обладает способностью поглощать удары и вибрацию благодаря своей ячеистой структуре с закрытыми порами, она также имеет хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства. Производить металлическую пену (в частности, алюминиевую пену) следует с помощью процессов, которые требуют меньше капиталовложений и являются наиболее безопасными. Способ получения металлической пены Существуют различные методы получения металлической пены: из расплавленного металла, метод осаждения, порошковая металлургия (рис. 1). Получение металлической пены из расплавленного металла Метод изготовления металлической пены из расплавленного металла обычно используется из-за его экономичности и простоты. Первым шагом является подготовка расплавленного металла. Для получения пористого материала с закрытыми порами из расплавленного металла требуется некоторое количество пенообразователя или впрыск в расплавленный материал газа со стабилизирующим материалом (SiC, Al2O3), необходимым для увеличения вязкости расплавленного металла [4]. Метод газо-эвтектической реакции (или газар-процесс), а также синтактное вспенивание с использованием наполнителя также используются исследователями для изготовления металлической пены из расплавленного металла. Рис. 1. Способы получения металлической пены [3] Fig. 1. Metal foam production methods [3]
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 24 ТЕХНОЛОГИЯ Выбор метода зависит от требуемой пористости, относительной плотности и других факторов, поскольку эти показатели варьируются от метода к методу. Пористость от 80 до 97 % можно получить в металлической пене методом впрыска газа или с использованием пенообразующего агента. Пористость от 5 до 75 % – это не так уж и много, но ее можно достичь в металлической пене за счет газо-эвтектической реакции. Это было исследовано Банхартом (Banhart). Конечная пористость зависит от процессов и контролируемых параметров, таких как частота вращения мешалки, время перемешивания, пенообразователь, количество пенообразователя, выбор газов для метода впрыска, например, аргона или неона. Для получения наилучшего результата многие исследователи оптимизировали эти параметры. Путем впрыска газа в расплавленный металл В этом процессе металлическая пена получается за счет впрыскивания подходящего газа в подготовленный расплавленный металл. Метод впрыска газа не подходит для легко окисляющихся материалов (Mg, Ti). Однако алюминиевая пена широко изготавливается таким способом, при этом можно легко получать сложные формы [5]. Рассматриваемый метод был разработан компанией Alcan International. Согласно этому методу для увеличения вязкости расплавленного металла требуется небольшое количество добавок. Перед добавлением керамического порошка в расплавленный металл требуется предварительный нагрев для увеличения смачиваемости между керамическими частицами и расплавленным металлом. Затем расплавленный металл в печи продувается инертным газом, углекислым газом, азотом, воздухом или любым другим газом. Пузырьки газа быстро поднимаются сквозь расплавленный металл из-за выталкивающей силы последнего. Для остановки течения пузырьков газа внутри расплавленного металла вводят некоторые добавки, повышающие вязкость расплавленного металла. Этими добавками являются оксид алюминия, оксид магния, карбид кремния. Кроме того, необходимо контролировать и другие параметры, такие как температура [6]. Необходимо непрерывно создавать мелкие сферические пузырьки газа с помощью вращающейся крыльчатки или диафрагмы. Юань (Yuan) и Ли (Li) изучали стадии образования пузырьков, используя отверстие: стадию зарождения (1), стадии роста (2), стадии отделения (3). Размер пузырьков зависит от угла конусности отверстия (при увеличении угла конусности отверстия размеры пузырьков уменьшаются); диаметр ячейки также зависит от диаметра отверстия и давления в камере. Скорость потока газа тоже влияет на размер пузырьков. По мнению авторов, размер пузырьков увеличивается по мере увеличения скорости потока газа [7]. Более мелкий размер пор делает их сферическими, стабильными и снижает вероятность дефектов стенок пор. С помощью метода статического впрыска газа невозможно эффективно контролировать размер пор металлической пены. Другой метод контроля размера пор в металле разработал Нинчжэнь Ван (Ningzhen Wang). Этот метод показан на рис. 2; в нем использовался Рис. 2. Метод впрыска газа в расплавленный металл [8] Fig. 2. Melt gas injection method [8]
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 25 TECHNOLOGY способ динамического впрыска газа. Динамический впрыск газа реализуется за счет регулирования интенсивности вибратора в диапазоне от (0 до 100 %). При 100 % интенсивности получаются поры диаметром 4 мм, что меньше, чем при статическом впрыске газа [8]. В этом методе пористость металлической пены может варьироваться от 50 до 90 % [9]. Пену, имеющую в своем составе керамический порошок, трудно разрезать из-за ее твердости. Поэтому для получения из пенометалла изделия сложной формы нужно изначально использовать специальную форму. Расплавленную металлопену собирают из печи, чтобы придать ей форму. Для производства металлической пены методом впрыскивания газа требуются различные этапы. Путем добавления пенообразующего агента в расплавленный металл Согласно этому методу для производства металлопены в расплавленный металл необходимо добавлять специальные пенообразователи, такие как гидроксид титана (TiH2), карбонат кальция (CaCO3), гидрид циркония (ZrH2), оксид марганца (MnO2), доломит (CaMg(CO3)), карбонат магния (MgCO3). Чаще всего для производства металлической пены используются карбонат кальция и гидроксид титана. Скорость разложения гидроксида титана выше, чем у карбоната кальция, и, следовательно, он легко выделяет газ. Для стабилизации расплавленного металла необходимы добавки – Al2O3, SiС. Следовательно, затраты на производство увеличиваются. Чтобы сделать этот процесс более экономичным, М. Хиедари Галех (M. Hiedari Galeh) использовал CaCO3 в качестве пенообразователя без использования порошка-стабилизатора. Для изготовления металлической пены используется алюминиевый сплав Al356. Алюминиевый сплав нагревается выше температуры плавления. После того как алюминий расплавится (~700 °С), в него добавляют CaCO3, и начинается разложение пены. В результате разложения выделяется газ (CO2). CaCO3 необходимо равномерно перемешать с помощью мешалки. На этом этапе контролируемыми параметрами являются частота вращения мешалки, количество пенообразователей, время работы мешалки, температура, скорость подъема пузырьков газа и вязкость расплава. Схема установки для перемешивания показана на рис. 3. Эти параметры влияют на размер пор, относительную плотность, пористость пенометалла. Размер пор и их распределение влияют на прочность, звукоизоляцию, тепловые свойства и др. Необходимо оптимально контролировать этот параметр. Контролируя размер пузырьков, образующихся при выделении газа внутри расплава, исследователь контролирует размер пор и их распределение [10]. Путем введения в расплавленный металл добавок, которые повышают вязкость и стабилизируют стенки пор, предотвращают лопание пузырьков и создают правильную структуру пены [11]. Пористость и размер пор контролируются за счет времени Рис. 3. Установка для литья с механическим замешиванием частиц в расплав [12] Fig. 3. Stirrer casting setup [12]
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 26 ТЕХНОЛОГИЯ выдержки и количества CaCO3. При повышении содержания карбоната кальция увеличивается размер пор, что негативно отражается на размере пор, пористости и относительной плотности [12]. Свойства пенометалла под сжимающей нагрузкой также зависят от пористости, размера пор и относительной плотности. Относительная плотность и однородность пор являются факторами, влияющими на прочность металлической пены. Прочность на сжатие и способность поглощать энергию возрастают с увеличением размера пор. Оба эти свойства ухудшаются по мере увеличения количества CaCO3 в расплавленном металле. Пористость пенометалла зависит от температуры вспенивания, так как она оказывает влияние на плотность; прочность пенометалла на сжатие зависит от нее в меньшей степени, однако сильно зависит от времени перемешивания [13]. Два металлических сплава, изготовленные разными способами – методом механического замешивания частиц в расплав и методом инфильтрации, – оба имеют одинаковую прочность на сжатие, но при использовании метода механического замешивания частиц в расплав достигается меньшая пористость по сравнению с методом инфильтрации. Для большей скорости деформации используется металлическая пена, изготовленная методом инфильтрации. Скорость деформации будет высокой в случае высокой пористости; высокая пористость достигается при добавлении в металл большого количества пенообразующего агента – 10 или 15 % [14]. Чтобы добиться наилучших механических свойств и структуры поверхности, размера пор, относительной плотности и других показателей, исследователи пытаются оптимизировать различные параметры. Си Си Ян (C.C. Yang) утверждал, что нет необходимости контролировать скорость распада, поскольку важно контролировать растворение вспенивающего газа в расплавленном металле, а они должны быть прямо пропорциональны друг другу. Если этого не произошло, структура пены будет нестабильной. Эффективность вспенивания расплавленного металла газообразным водородом составляет 17 %. Поэтому необходимо использовать пенообразователь в соответствующем количестве, так как излишки газа могут выйти из расплавленного металла [15]. По сравнению с методом GI получается меньшая закрытая пористость и больше микропор в стенках пор. При этом пеноалюминий изготавливается как методом вспенивания, так и методом газового нагнетания [16]. Газо-эвтектическая реакция Этот метод также известен как газар-процесс. Он был разработан украинским ученым Шаповаловым в 1993 году. Его преимущества по сравнению с методами порошковой металлургии и вспенивания: отсутствие потерь сырья, отсутствие химической обработки, легкость контроля размера и ориентации пор, кроме того, по сравнению с другими процессами он экономически выгоден [17]. Металл расплавляют в автоклаве под высоким давлением, что позволяет внедрить в него большое количество водорода. После снижения температуры и давления сплав представляет собой «жидкость + газ», при последующем охлаждении ниже эвтектической температуры жидкость кристаллизуется и получается «твердое вещество + газ». Образование пузырьков происходит из-за выделения водорода при затвердевании металла ввиду снижения растворимости газообразного водорода, когда затвердевание жидкого металла начинается при контролируемом давлении газа. В этом методе осевой или радиальной ориентации пор можно достичь путем контроля направления отвода тепла. Пористость, размер пор, морфологию и ориентацию пор легко контролируют во время затвердевания. Эти параметры контролируют с помощью давления газа, скорости затвердевания, температуры заливки, общего давления газа при затвердевании, скорости охлаждения при затвердевании и направления охлаждения при затвердевании. Среди перечисленных контролируемых параметров давление газа играет важную роль в задании размера пор металлической пены. Исследователь реализовал несколько условий: 1) использовался только чистый газообразный водород – в этом случае снижение пористости происходило при увеличении парциального давления газа (Pвозд.); 2) общее давление газа (Pобщ) оставалось постоянным, при этом пористость увеличивалась с ростом парциального давления газообразного водорода (PH) [18]. Увеличение давления затвердевания оказывает негативное влияние на размер пор – их диаметр уменьшается. Диаметр пор варьируется от 10 мкм до 10 мм, а пористость –
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1