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 232 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Особенности формирования Ni-Cr покрытий, полученных диффузионным легированием из среды легкоплавких жидкометаллических растворов Эдуард Бобылёв a, *, Иван Стороженко b, Анастас Маторин c, Вячеслав Марченко d Кубанский государственный технологический университет, ул. Московская, 2, г. Краснодар, 350072, Россия a https://orcid.org/0000-0001-7754-1807, ebobylev@mail.ru; b https://orcid.org/0000-0002-0900-9330, storojenko_armv@mail.ru; c https://orcid.org/0009-0003-5405-8451, anastas_brsoyan@mail.ru; d https://orcid.org/0000-0002-3514-0201, mwsat79@gmail.com Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 4 с. 232–243 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-232-243 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.793.5 История статьи: Поступила: 08 августа 2023 Рецензирование: 22 августа 2023 Принята к печати: 19 октября 2023 Доступно онлайн: 15 декабря 2023 Ключевые слова: Диффузия Покрытие Хром Никель Химико-термическая обработка Сталь Финансирование Исследование выполнено при финансовой поддержке Кубанского научного фонда в рамках научноинновационного проекта № НИП20.1/22.17. Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Рассмотрены основные способы увеличения работоспособности изделий, изготовленных из конструкционных сталей. Приведено обоснование выбора Ni и Cr в качестве основных компонентов покрытия. Приведено описание технологии диффузионного легирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов (ДЛЛЖР). Целью работы является выявление особенностей формирования покрытий при одновременном диффузионном насыщении никелем и хромом конструкционных сталей по технологии ДЛЛЖР. Методика исследований. ДЛЛЖР подвергались цилиндрические образцы диаметром 20 мм, длиной 30 мм. Образцы были изготовлены из конструкционных сталей марок Ст3, 30ХГСН2А, 40Х и 40Х13. В качестве технологической среды при ДЛЛЖР (транспортный расплав) использовался эвтектический расплав свинец-литий, в который в заданном количестве вводились никель и хром. ДЛЛЖР проводилось при 1050 °С в течение 300 минут. Металлографические исследования выполнялись на микрошлифах, подготовленных по стандартной методике. Исследования по определению толщины покрытий и их структуры проводились на микротвердомере Dura Scan Falcon 500. Определение элементного состава покрытий выполнялось методом микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) на сканирующем электронном микроскопе Tescan Lyra 3 с системой РСМА Oxford Ultim MAX. Результаты и обсуждение. В результате исследований было выявлено, что при ДЛЛЖР происходит формирование диффузионных Ni-Cr покрытий. Проведение ДЛЛЖР на конструкционных углеродистых и низколегированных сталях приводит к формированию двухслойных покрытий: поверхностный карбидный слой и переходный твердорастворный. При этом содержание хрома в поверхностных слоях может достигать 80 % при содержании никеля 1,5 %. Максимальная концентрация никеля наблюдалась в переходном слое и составила 21 % на глубине 5 мкм на стали 30ХГСН2А и 13 % на глубине 4,5 мкм для стали 40Х. Проведение ДЛЛЖР на сталях, содержащих карбидообразующие элементы в значительном количестве или содержащих углерод в малом количестве, приводит к формированию однослойных покрытий на базе твердых растворов. При этом содержание никеля в покрытии достигает 40 %, содержание хрома для стали Ст3 составило 14,5 %, для стали 40Х13 – 9 %. Для цитирования: Особенности формирования Ni-Cr покрытий, полученных диффузионным легированием из среды легкоплавких жидкометаллических растворов / Э.Э. Бобылёв, И.Д. Стороженко, А.А. Маторин, В.Д. Марченко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 232–243. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-232-243. ______ *Адрес для переписки Бобылёв Эдуард Эдуардович, к.т.н., доцент Кубанский государственный технологический университет, ул. Московская, 2, 350072, г. Краснодар, Россия Тел: +7 (918) 975-8933; e-mail: ebobylev@mail.ru Введение Развитие технологий формирования функциональных покрытий на поверхности металлических изделий является одной из ведущих научных и технических задач в современном машиностроении [1–5]. Состав и структура поверхностных слоев изделий определяют такие их свойства, как износостойкость, коррозионная
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 233 MATERIAL SCIENCE стойкость, трещиностойкость, прочность и др. Особенно важным видится влияние поверхностных слоев на коррозионную стойкость изделий [6]. Благодаря использованию коррозионностойких покрытий становится возможным применение конструкционных углеродистых, низко- и среднелегированных сталей взамен высоколегированных в устройствах, работающих в агрессивных средах. С точки зрения повышения коррозионной стойкости конструкционных материалов интерес представляют такие элементы, как Ni, Cr, Al, Ti, Cu и др. [7–9]. При этом современной тенденцией формирования функциональных покрытий является применение элементных композиций на основе двух, трех и более компонентов [10]. Из всего многообразия возможных элементных композиций стоит выделить композиции на основе никеля и хрома. Никель образует непрерывный ряд твердых растворов с железом. Никелевые покрытия достаточно часто используют в качестве коррозионностойких, жаропрочных и жаростойких покрытий. Хром, так же как и никель, образует непрерывный ряд твердых растворов с железом. Однако хром является карбидообразующим элементом, что позволяет рассматривать его как элемент для формирования не только коррозионностойких покрытий, но и износостойких. В связи с этим перспективным является формирование покрытий на основе композиции Ni-Cr. Известно много способов формирования покрытий на основе никеля и хрома, а именно: CVD, PVD, газопламенное напыление, гальванические способы, химико-термическая обработка (ХТО) [11–15]. При этом стоит обратить внимание на технологии ХТО в связи со следующими технологическими возможностями: простота технологических методов, возможность покрывать изделия сложной формы, высокая степень совместимости покрытия и покрываемого материала, обеспечение плавного градиента концентрации и свойств от покрытия к покрываемому материалу [16, 17]. Одной из перспективных технологий, относящихся к ХТО, является технология диффузионною легирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов (ДЛЛЖР). Технология основана на явлении изотермического массопереноса элементов покрытия в среде легкоплавких металлов [18, 19]. Расплав легкоплавких металлов выполняет роль транспортной среды для подвода диффузанта к поверхности покрываемого изделия. При этом сами элементы расплава в покрываемый образец не диффундируют. Изотермический массоперенос элемента-диффузанта состоит из следующих элементарных процессов: растворение диффундирующих элементов в расплаве, их диффузия к покрываемому материалу в жидкой фазе, адсорбция на поверхности, диффузия в твердой фазе. Исходя из проведенных ранее исследований, стоит отметить, что важным фактором, влияющим на формирование покрытия, является элементный состав покрываемых материалов. Микроструктура образцов оказывает меньшее влияние на процесс формирования ввиду того, что для технологии ДЛЛЖР характерны высокие температура (от 900 до 1100 °C) и длительность (от 60 до 600 минут), что обусловливает протекание фазовых превращений в образце, приводящих структуру к равновесному состоянию. Необходимо отметить, что формирование покрытий на основе двухкомпонентного диффузионного насыщения никелем и хромом по технологии ДЛЛЖР изучено недостаточно. Из ранее проведенных исследований известно, что покрытие было получено на таких материалах, как АРМКОжелезо, сталь 10, Х6ВФ, 12Х18Н10Т [20, 21]. Целью данной работы является выявление особенностей формирования покрытий при одновременном диффузионном насыщении никелем и хромом конструкционных сталей по технологии ДЛЛЖР. Задачи исследования: 1) выявить влияние элементного состава сталей на структуру поверхностных слоев покрываемого образца после ДЛЛЖР; 2) выявить влияние элементного состава сталей на микротвердость получаемых покрытий; 3) выявить влияние элементного состава сталей на концентрационное распределение элементов покрытия. Методика ДЛЛЖР подвергались цилиндрические образцы диаметром 20 мм длиной 30 мм из сталей марок Ст3, 40Х, 40Х13, 30ХГСН2А. Состав сталей приведен в таблице.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 234 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Элементный состав образцов Elemental composition of specimens Марка стали С Si Mn Ni S P Cr Cu Ст3 0,14–0,22 0,15–0,3 0,4–0,65 до 0,3 до 0,05 до 0,04 до 0,3 до 0,3 40Х 0,36–0,44 0,17–0,37 0,5–0,8 до 0,3 до 0,035 до 0,035 0,8–1,1 до 0,3 40Х13 0,35–0,44 до 0,6 до 0,6 до 0,6 до 0,025 до 0,03 12–14 – 30ХГСН2А 0,27–0,34 0,9–1,2 1–1,3 1,4–1,8 до 0,025 до 0,025 0,9–1,2 до 0,3 Выбор данных сталей обусловлен возможностью выявления влияния углерода и других легирующих элементов (в частности, хрома и никеля) на процесс ДЛЛЖР. ДЛЛЖР проводилось в разработанной нами установке в расплаве эвтектики Pb-Li, в которую добавлялся порошок хрома в количестве 5 масс.% и порошок никеля в количестве 10 масс.% [20]. Покрываемые изделия выдерживались 480 минут в расплаве при температуре 1050 ºС в изотермическом режиме, при этом над поверхностью ванны находился аргон. После ДЛЛЖР поверхность образцов очищали от остатков расплава травлением в смеси уксусной кислоты и перекиси водорода. Состав диффузионных покрытий исследовали методом рентгеноспектрального микроанализа. При этом использовался растровый электронный микроскоп JEOL JSM-7500F, оснащенный рентгеновским спектрометром INCA x-sight (Оxford Instruments Analytical). Для выявления травления образцов из стали Ст3, 40Х применялся 4%-й раствор азотной кислоты в этиловом спирте, из сталей 40Х13, 30ХГСН2А – реактив Гречко. Определение микротвердости осуществлялось на электронном твердомере Dura Scan Falcon 500. Измерение микротвердости покрытий, а также переходных слоев и основного материала проводилось при нагрузке 10 грамм (ГОСТ 9450). Результаты и их обсуждение В результате исследований было выявлено, что ДЛЛЖР никелем и хромом приводит к формированию диффузионных покрытий на поверхности всех исследуемых материалов. На рис. 1 представлены микрофотографии образцов. В результате исследований было выявлено, что на поверхности всех исследуемых образцов при ДЛЛЖР сформировались диффузионные покрытия, при этом покрытие состоит из поверхностного слоя и переходной зоны. Переходная зона характеризуется отличными как от покрытия, так и от покрываемого материала элементным составом, структурой и микротвердостью (рис. 1–3). Однако структура и элементный состав этих покрытий были различны и определялись элементным составом покрываемой стали. Так, на поверхности сталей 40Х и 30ХГСН2А происходит формирование карбидного слоя, что подверждается результатами измерения микротвердости и результатми микрорентгеноспектрального анализа (рис. 2, 3). При этом карбидные зерна ориентированы перпендикулярно поверхности образца (рис. 1, а, г). На сталях Ст3 и 40Х13 формирования карбидного слоя не происходило. Формирование карбидного слоя связано с тем, что углерод, содержащийся в сталях, диффундирует к хрому, являющемуся сильным карбидообразующим элементом. При этом углерода, содержащегося в стали Ст3, оказалось недостаточно для формирования карбидного слоя. В случае со сталью 40Х13 отсутствие карбидного слоя объясняется тем, что в данной стали углерод связан в карбиды хрома, – это не позволяет ему активно диффундировать к поверхности образца, как в случае формирования покрытия на стали 40Х. Результаты измерения микротвердости представлены на рис. 2. Для выявления особенностей формирования и строения покрытий образцы были подвергнуты микрорентгеноспектральному анализу. Результаты представлены на рис. 3. Из представленных выше результатов микрорентгеноспектрального анализа выявлено, что элементный состав покрываемых материалов оказывал значительное влияние на концентрационное распределение элементов в поверхностных слоях изделий, подвергаемых ДЛЛЖР.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 235 MATERIAL SCIENCE Рис. 2. Микротвердость образцов после ДЛЛЖР Fig. 2. Microhardness of specimens after DALMMS Рис. 1. Результаты ДЛЛЖР на сталях: а – 40Х; б – 40Х13; в – Ст3; г – 30ХГСН2А Fig. 1. DALMMS results on steel: 40Cr (a); 40Cr13 (б); St3 (в); 30CrMnSiNi2 (г) а б в г
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 236 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 3. Результаты микрорентгеноспектрального анализа образцов после нанесения покрытия: а – Ст3; б – 40Х; в – 40Х13; г – 30ХГСН2А Fig. 3. X-ray microanalysis results after DALMMS: 40Cr (a); 40Cr13 (б); St3 (в); 30CrMnSiNi2 (г) а б в г С точки зрения элементного состава покрытия на сталях 40Х и 30ХГСН2А можно рассматривать состоящими из двух слоев: поверхностного слоя, обогащенного хромом, и промежуточного слоя, обогащенного никелем. Так, содержание хрома в поверхностном слое покрытия на стали 40Х составило 80 %, на стали 30ХГСН2А содержание хрома составило 78 %. Стоит также отметить характер распределения хрома по покрытию. На сталях 40Х и 30ХГСН2А наблюдается резкое снижение концентрации хрома при переходе от поверхностного слоя к слою, обогащенному никелем. Так, на глубине 5 мкм для стали 40Х концентрация хрома снижается с 80 до 15 %, для стали 30ХГСН2А – с 78 до 10 %. Для стали 30ХГСН2А глубина, на которой содержание хрома соответствует концентрации основы, составляет 10 мкм. Для стали 40Х глубина диффузии хрома составила 15 мкм. При этом в поверхностном слое покрытий на данных сталях содержание никеля было достаточно невелико: 1,5 % для стали 30ХГСН2А и 0,5 % для стали 40Х. Максимальная концентрация никеля была выявлена на расстоянии 5 мкм от поверхности и составила 21 % для стали 30ХГСН2А и 13 % для стали 40Х. Расстояние от поверхности, мкм Расстояние от поверхности, мкм Расстояние от поверхности, мкм Расстояние от поверхности, мкм Содержание элемента, масс. %
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1