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 255 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Синергетический подход к разработке легкого пористого металлического пеноматериала на основе алюминия с использованием литейно-металлургического метода Шиам Шарма a, Рахул Хатри b, Анураг Йоши с * Манипалский университет, Джайпур, Раджастан, 303007, Индия a https://orcid.org/0000-0002-1510-5871, shyamsunder.sharma@jaipur.manipal.edu; b https://orcid.org/0000-0003-1589-533X, rahul.khatri@jaipur.manipal.edu; с https://orcid.org/0000-0002-8231-9423, anuragjoshi355@gmail.com Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 4 с. 255–267 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-255-267 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 671.22 История статьи: Поступила: 04 сентября 2023 Рецензирование: 27 сентября 2023 Принята к печати: 12 ноября 2023 Доступно онлайн: 15 декабря 2023 Ключевые слова: Металлическая пена Литейно-металлургический метод Пористая пена Легкий материал АННОТАЦИЯ Введение. Представлен синергетический подход к разработке легкого алюминиевого металлического пенопласта литейно-металлургическим методом и протестированы различные механические свойства и микроструктура. Цель данного исследования обусловлена постоянным промышленным спросом на легкие материалы и возросшим исследовательским интересом к пористым подложкам главным образом из-за их уникальных свойств. Материалы и методы. Для создания металлической алюминиевой пены использовали литейно-металлургический метод, заключавшийся во введении в расплав алюминия карбоната кальция в качестве вспенивающего агента с последующим вспениванием для достижения желаемой взаимосвязанной пористой микромасштабной среды в рамках подложки из металлической пены. Результаты и обсуждение. В качестве результатов заявлен комплекс физических свойств, таких как объемная плотность (1,8 г/см3), относительная плотность (0,67 г/см3) и пористость (30 %) разработанных металлопен на основе алюминия. Разработанная металлическая пена имеет соотношение прочности и веса на 67 % выше, чем у основного материала. Кроме того, результаты автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии разработанной металлической пены подтверждают наличие структуры порового пространства с размером пор от 0,075 до 1,43 мм. Энергодисперсионная спектроскопия подтвердила наличие желаемых элементов с минимальным загрязнением в разработанных подложках из алюминиевой пены. Металлопена демонстрирует более высокую прочность на сжатие (607 кН) по сравнению с основным металлом (497 кН). Механические характеристики разработанной подложки из металлопены (твердость, прочность на сжатие и энергия удара) имеют ожидаемые значения по сравнению с основным материалом. В целом разработанная подложка из алюминиевой пены открыла многообещающий путь к разработке высокоэффективной легкой металлической пены для изготовления демпфирующих элементов и использования в акустике. Для цитирования: Шарма Ш.С., Хатри Р., Йоши А. Синергетический подход к разработке легкого пористого металлического пеноматериала на основе алюминия с использованием литейно-металлургического метода // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 255–267. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-255-267. ______ *Адрес для переписки Йоши Анураг, к.т.н., доцент Манипалский университет, Джайпур, 303007, Раджастан, Индия Тел.: +91-9772844555, e-mail: anuragjoshi355@gmail.com Введение Природные материалы с ячеистой структурой, такие как дерево, кости, пемза и структура листьев, исторически находили применение благодаря своим уникальным свойствам. Полимерный вспененный материал, который еще называют искусственной пеной, имеет широкое применение и придает объекту уникальную структуру. Он также используется в качестве защитного кожуха в различном оборудовании, таком как велосипедные шлемы, корпуса холодильников и др. [1]. Уникальные свойства природных ячеистых материалов побудили исследователей разработать металлическую пену. О первом металлическом вспененном материале сообщил де Меллер в 1925 году, но многие авторы ссылались на патент, датированный периодом с 1960 по 1970 год [2]. 2D-сотовая структура обладает многими механическими свойствами металлической пены. По сравнению с металлической пеной сотовые конструкции имеют простую структуру, хотя и весьма аналогичную; стоимость производства металлической пены
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 256 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ высока, а ее производство весьма сложно. Среди методов получения металлической пены наиболее распространены литье и порошковая металлургия. Большое количество металлической пены изготавливается из различных материалов, таких как сталь, алюминий и титан. Методы электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы и физического осаждения из паровой фазы также использовались для производства более экзотической пены [3]. Пену можно определить как равномерную диффузию газовой фазы в жидкости, при этом образующиеся в жидкости ячейки и поры отличаются очень малой толщиной разделяющих их стенок. Эта структура обеспечивает относительно высокую жесткость и прочность при низкой плотности и используется там, где необходимо существенно снизить вес конструкции. Форма и размер ячеек зависят от функции конструкции и определяют эффективность последней. Металлическая пена с открытой структурой лучше поглощает энергию деформации сжатия по сравнению с металлической пеной с закрытыми порами. Структура также хорошо сопротивляется внезапному разрушению. По способу изготовления металлические пены можно разделить на две категории: с закрытыми порами и с открытыми порами. Для изготовления пены первой категории используется метод плавления или метод порошковой металлургии. Как правило, метод плавления представляет собой метод литья, который используется для получения металлической пены с закрытыми порами, тогда как порошковая металлургия используется для производства металлического пенопласта с открытыми порами. Металлическую пену с закрытыми порами можно изготовить тремя методами: добавить вспенивающий агент, продуть расплавленный металл инертным газом или реализовать газар-процесс (газоэвтектическую реакцию) [4]. Эти процессы требуют высоких первоначальных капиталовложений. В порошковой металлургии в металлический порошок добавляют наполнитель для формирования пор (space holder) и пенообразователь. Целью разработки металлической пены является получение уникальных свойств, таких как высокая жесткость, малый удельный вес, высокая газопроницаемость, низкая теплопроводность, высокая ударопоглощающая способность и электрическая изоляция. Различные металлические пены разрабатываются из металлов и сплавов, таких как Al, Al-Si, Al-Mg, Cu, Pb, Fe, стали, Ni3A1, Zn, Mg, Ti, Al-Cu, MMC, металлических стекол и др. Среди них огромное развитие в промышленном производстве получила алюминиевая пена. Алюминиевая металлическая пена была разработана с использованием карбоната кальция в качестве вспенивающего агента. Количество карбоната кальция, добавленного в состав для образования металлической пены, составило 2,5 % по массе [6]. Плотность полученного материала составила 848 кг/м3, относительная плотность – 0,342 [5]. Изучалось также содержание цинка в алюминиевой пене с закрытыми порами и влияние цинка на пеноалюминиевый материал. Результаты показали, что алюминиевая пена, которая содержит 4 % цинка по весу, имеет лучший предел текучести и более длинный участок плато, чем алюминиевая пена, не содержащая цинка. Алюминиевую пену изготавливают методом вспенивания расплава [7]. Два пеноалюминиевых материала были изготовлены методом порошковой металлургии с использованием карбоната кальция и TiH2. Карбонат кальция как пенообразователь демонстрирует большую стабильность по сравнению с TiH2, поэтому карбонат кальция является дорогостоящим и эффективным газогенерирующим агентом [8]. Пена из цинк-алюминиевого сплава была получена литейно-металлургическим методом, а в качестве пенообразователя использовался гидрид кальция (CaH2). Плотность полученного материала варьируется от 0,25 г/см3 до 0,45 г/см3, а пористость 94 % достигается в пенометалле из алюминиевого сплава литейно-металлургическим методом [9]. Метод плавления превосходит другие методы с точки зрения требуемого объема капитала и различных требований к желаемой конечной форме [10]. Улучшение стабилизации алюминиевой пены и ее ячеистой структуры в процессе изготовления производится за счет использования карбоната кальция с покрытием в качестве пенообразователя. В расплавленный металл не требуется дополнительно вводить стабилизатор, поскольку при разложении образуется материал, повышающий вязкость [11]. Исхо-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 257 MATERIAL SCIENCE дя из термического разложения и клеточной структуры в материал добавляется пенообразователь [12]. Замечено, что температура и скорость смешивания являются доминирующими параметрами, определяющими способность поглощения энергии алюминиевой пеной [13]. Алюминиевая металлическая пена, изготовленная методом вспенивания расплава, проявляет свои механические свойства при многократной ударной нагрузке. Результаты испытания показали, что степень повреждения алюминиевой пены увеличивается с увеличением количества ударов [14]. Металлическая алюминиевая пена с открытыми порами была разработана с использованием конструкции из стальной сетки. В этом исследовании расположение ячеек считается важным параметром для управления механическими свойствами [15]. Для изготовления алюминиевых материалов с наполнителем из полых частиц (синтактических пеноматериалов) использовался метод литья под давлением в холодной камере. Плотность такого пеноматериала варьировалась от 1,17 до 1,5 г/см3, и было установлено, что пеноматериал, подвергнутый тепловой обработке, становится более хрупким [16]. Материал с открытыми порами изготовлен из биоразлагаемого магниевого сплава методом инфильтрации. Его пористая структура аналогична структуре гироида. Испытания показали, что модуль Юнга полученного материала с открытыми порами аналогичен модулю Юнга спонгиозного вещества кости человека [17]. Влияние размера ячеек, толщины перегородок и циркуляции через поры на прочность на сжатие алюминиевой пены было исследовано с помощью метода FEM. Алюминиевую пену получают литейно-металлургическим методом с добавлением гидрида титана (пенообразователя) в расплавленный металл [18]. Целью этой исследовательской статьи является успешная разработка металлической пены из алюминия литейно-металлургическим методом и расчет пористости металлической пены с различными механическими свойствами, такими как твердость, прочность на сжатие и энергия удара, причем эти механические свойства должны быть соизмеримы с исходным алюминиевым материалом. Методика экспериментальных исследований Материалы В настоящем исследовании в качестве основного материала используется алюминий, обладающий средней прочностью и устойчивостью к коррозии. Это широко используемый материал в автомобильной и аэрокосмической промышленности. Он также нашел механическое применение, например, в коллекторах с водяным охлаждением, в арматуре для дорожного транспорта и др. Химический состав технического чистого алюминия в весовых процентах: Si (0,096), Fe (0,356), Cu (0,009), Mn (0,002), Mg (0,001), Zn (0,003), Ti (0,008), V (0,006) и Al (99,52). Для создания металлической пены было взято 500 г алюминия плотностью 2,65 г/см3 с температурой плавления 800 °С. В качестве пенообразователя использовали карбонат кальция, его плотность составляет 2,93 г/см3, температура плавления – 825 °С. Оптимальное количество пенообразователя составляет 2,5 % от массы алюминиевого материала [6]. Карбонат кальция представляет собой безводное и стабильное соединение (рис. 1). Его преимущества заключаются в том, что он медленно разлагается и поэтому придает лучшую пористую структуру затвердевшему металлу. Карбонат кальция разлагается на оксид кальция и углекислый газ. Разложение происходит при добавлении этого пенообразователя в расРис. 1. Общий вид частиц карбоната кальция, используемых в качестве пенообразователя Fig. 1. General view of calcium carbonate particles used as a foaming agent
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 258 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ плавленный алюминий. Полученный таким способом алюминий имеет пористую структуру из-за выделения углекислого газа. С использованием этих материалов был разработан металлический пеноматериал с закрытой пористостью. Методы Литейно-металлургический метод В ходе реализации литейно-металлургического метода пенообразователь и основной металл равномерно перемешиваются, тем самым достигается лучшая смачиваемость. Более низкая частота вращения мешалки и непродолжительное время перемешивания могут привести к неравномерному перемешиванию карбоната кальция в расплавленном алюминии. Из-за этого может произойти скопление порошка в разных местах, и в результате в конечном материале сформируются большие пустоты. Время перемешивания является важным фактором для получения однородной пористости на внутренней поверхности литого металла. Поэтому необходимо выбрать оптимальные частоту вращения мешалки и время перемешивания. Графитовая мешалка, используемая в настоящем исследовании, оснащена электродвигателем и регулятором оборотов, как показано на рис. 2. Для заливки расплавленного металла использовался глиняный горшок, показанный на рис. 3. Рис. 2. Установка для реализации литейно-металлургического метода Fig. 2. Stir casting setup Рис. 3. Литейная форма (глиняный горшок) Fig. 3. Clay pot mould Подготовка алюминиевого расплава Алюминий разрезали на мелкие кусочки и провели расчеты веса. Затем кусочки алюминия поместили в тигель индукционной печи для плавки. Процесс плавления завершился за 2,5 часа. Прежде чем залить расплавленный алюминий в форму, сначала удалили шлак из расплавленного металла, поскольку он не позволяет пенообразователю тщательно перемешаться. Заливка Перед заливкой форму предварительно нагревали примерно до 300 °С с целью предотвращения мгновенного затвердевания. После предварительного нагрева в форму заливали расплавленный алюминий. Для образования металлической пены использовалась механизированная мешалка, как показано на рис. 4. Порошок карбоната кальция добавляли в три этапа. На первом этапе в форму засыпали 40 % карбоната кальция. После этого в форму из тигля залили расплавленный металл. После заливки в расплавленный металл при температуре 750 °С добавили еще 30 % карбоната кальция, затем приступили к перемешиванию. Через несколько минут к расплавленному металлу добавили третью часть, т. е. оставшиеся 30 % порошка карбоната кальция. Алюминиевый расплавленный металл перемешивали в течение 4–5 минут со скоростью 460 об/мин. В результате перемешивания порошок карбоната кальция равномерно распределился или был тщательно перемешан с расплавленным алюминием. После этого смесь оставили для разложения карбоната кальция внутри расплавленного металла. При разложении карбоната
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1