Structural features and tribological properties of multilayer high-temperature plasma coatings

Том 26 № 3 2024 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, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, 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 26 № 3 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Сухов А.В., Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. Сборка резьбовых и клеерезьбовых соединений с наложением ультразвуковых колебаний.................................................................................................................................................. 6 Барабошкин К.А., Адигамов Р.Р., Юсупов В.С., Кожевникова И.А., Карлина А.И. Термомеханическая прокатка при производстве обсадных труб (обзор исследований)................................................................................. 24 Двиведи Р., Соматкар А., Чинчаникар С. Моделирование и оптимизация процесса накатывания роликом Al6061-T6 для достижения минимального отклонения от круглости, минимальной шероховатости поверхности и повышения ее микротвердости....................................................................................................................................... 52 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов шлифования рельсов с применением нового скоростного электропривода.................................................................. 66 Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка возможности контактно-стыковой сварки оплавлением труб из теплоустойчивой стали 15Х5М............................................................................................................................ 79 Гимадеев М.Р., Стельмаков В.А., Шеленок Е.А. Жизненный цикл изделия: мониторинг процессов механической обработки и фильтрация виброакустических сигналов.......................................................................................... 94 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства частотных характеристик динамической системы резания при диагностике износа инструментов...................................................................... 114 Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Особенности применения электродовинструментов, изготовленных аддитивными технологиями, при электроэрозионной обработке изделий............... 135 Сидоров Е.А., Гриненко А.В., Чумаевский А.В., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Рубцов В.Е., Утяганова В.Р., Осипович К.С., Колубаев Е.А. Закономерности износа плазмотронов при плазменной резке толстолистового проката на токе обратной полярности........................................................... 149 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Семин В.О., Панфилов А.О., Утяганова В.Р., Воронцов А.В., Зыкова А.П. Коррозионные характеристики композитов БрАМц9-2/06Х18Н9Т, полученных двухпроволочным электронно-лучевым аддитивным производством........................................................................................................................................................................ 163 Деванган Р., Шарма Б.П., Шарма Ш.С. Исследование характера изменения твердости композиционных материалов с алюминиевой матрицей, упрочненной золой кокосовой скорлупы и красным шламом, с использованием анализа Тагучи..................................................................................................................................................................... 179 Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А. Влияние технологических параметров на микроструктуру и свойства сплава AlSiMg, полученного методом селективного лазерного плавления.............. 192 Бурдилов А.А., Довженко Г.Д., Батаев И.А., Батаев А.А. Методы монохроматизации синхротронного излучения (обзор исследований)................................................................................................................................................ 208 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Износостойкость и коррозионное поведение Cu-Ti-покрытий в растворе SBF......................................................................................................................................... 234 Пугачева Н.Б., Быкова Т.М., Сирош В.А., Макаров А.В. Структурные особенности и трибологические свойства многослойных высокотемпературных плазменных покрытий....................................................................... 250 Шарма Б.П., Деванган Р., Шарма Ш.С. Механические свойства экологически чистых гибридных полимерных композитов с джутовыми волокнами и волокнами сиды сердцелистной...................................................................... 267 Корниенко Е.Е., Гуляев И.П., Смирнов А.А., Плотникова Н.В., Кузьмин В.И., Головахин В., Тамбовцев А.С., Тырышкин П.А., Сергачёв Д.В. Особенности тонкой структуры Ni-Al покрытий, полученных методом HV-APS.................................................................................................................................................................. 286 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 298 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 307 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 09.09.2024. Выход в свет 17.09.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 38,5. Уч.-изд. л. 71,6. Изд. № 112. Заказ 175. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Vol. 26 No. 3 2024 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. 26 No. 3 2024 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, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary

Vol. 26 No. 3 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Sukhov A.V., Sundukov S.K., Fatyukhin D.S. Assembly of threaded and adhesive-threaded joints with the application of ultrasonic vibrations...................................................................................................................................... 6 Baraboshkin K.A., Adigamov R.R., Yusupov V.S., Kozhevnikova I.A., Karlina A.I. Thermomechanical rolling in well casing production (research review)......................................................................................................................... 24 Dwivedi R., Somatkar A., Chinchanikar S. Modeling and optimization of roller burnishing of Al6061-T6 process for minimum surface roughness, better microhardness and roundness................................................................................ 52 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of rail grinding modes using a new high-speed electric drive...................................................................................................................................................... 66 Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Assessment of the possibility of resistance butt welding of pipes made of heat-resistant steel 0.15C-5Cr-Mo................................................................................................................................... 79 Gimadeev M.R., Stelmakov V.A., Shelenok E.A. Product life cycle: machining processes monitoring and vibroacoustic signals fi lterings.................................................................................................................................................................... 94 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of frequency characteristics of dynamic cutting systems in the diagnosis of tool wear....................................................................................................................... 114 Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Shlykov E.S., Muratov K.R., Osinnikov I.V. Features of the use of tool electrodes manufactured by additive technologies in electrical discharge machining of products....................................................... 135 Sidorov E.A., GrinenkoA.V., ChumaevskyA.V., Panfi lovA.O., Knyazhev E.O., NikolaevaA.V., CheremnovA.M., Rubtsov V.E., Utyaganova V.R., Osipovich K.S., Kolubaev E.A. Patterns of reverse-polarity plasma torches wear during cutting of thick rolled sheets..................................................................................................................................... 149 MATERIAL SCIENCE Semin V.O., Panfi lov A.O., Utyaganova V.R., Vorontsov A.V., Zykova A.P. Corrosion properties of CuAl9Mn2/ER 321 composites formed by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing................................ 163 Dewangan R., Sharma B.P., Sharma S.S. Investigation of hardness behavior in aluminum matrix composites reinforced with coconut shell ash and red mud using Taguchi analysis............................................................................ 179 Saprykina N.А., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А. The eff ect of technological parameters on the microstructure and properties of the AlSiMg alloy obtained by selective laser melting......................................................... 192 Burdilov A.A., Dovzhenko G.D., Bataev I.A., Bataev A.A. Methods of synchrotron radiation monochromatization (research review).................................................................................................................................................................. 208 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. Wear resistance and corrosion behavior of Cu-Ti coatings in SBF solution..................................................................................................................................................................... 234 Pugacheva N.B., Bykova T.M., Sirosh V.A., MakarovA.V. Structural features and tribological properties of multilayer high-temperature plasma coatings........................................................................................................................................ 250 Sharma B.P., Dewangan R., Sharma S.S. Characterizing the mechanical behavior of eco-friendly hybrid polymer composites with jute and Sida cordifolia fi bers.................................................................................................................... 267 Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Smirnov A.I., Plotnikova N.V., Kuzmin V.I., Golovakhin V., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A., Sergachev D.V. Fine structure features of Ni-Al coatings obtained by high velocity atmospheric plasma spraying.................................................................................................................................................................... 286 EDITORIALMATERIALS 298 FOUNDERS MATERIALS 307 CONTENTS

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 250 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Структурные особенности и трибологические свойства многослойных высокотемпературных плазменных покрытий Наталия Пугачева 1, 2, a, Татьяна Быкова 1, 2, b, *, Виталий Сирош3, c, Алексей Макаров 3, d 1 Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия 2 Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия 3 Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, ул. С. Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620108, Россия a https://orcid.org/0000-0001-8015-8120, nata5-4@yandex.ru; b https://orcid.org/0000-0002-8888-6410, tatiana_8801@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0002-8180-9543, sirosh.imp@yandex.ru; d https://orcid.org/0000-0002-2228-0643, av-mak@yandex.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 3 с. 250–266 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-250-266 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669.017.16 История статьи: Поступила: 31 мая 2024 Рецензирование: 22 июня 2024 Принята к печати: 08 июля 2024 Доступно онлайн: 15 сентября 2024 Ключевые слова: Плазменное напыление Многослойное покрытие Оксид железа Упрочняющие фазы Микромеханические свойства Коэффициент трения Износостойкость Финансирование Работа выполнена в рамках государственного задания ИМАШ УрО РАН по теме № 124020700063-3 на оборудовании ЦКП «Пластометрия». Работа выполнена в рамках государственного задания ИФМ УрО РАН по теме «Структура» № 122021000033-2. АННОТАЦИЯ Введение. Изучены многослойные высокотемпературные покрытия, полученные при помощи плазменного напыления. Комбинация слоев разного химического и фазового состава позволила повысить износостойкость в 1,5–2,0 раза. Цель работы: исследование влияния химического состава напыляемых покрытий на фазовый состав, структуру, микромеханические и трибологические характеристики в условиях сухого трения скольжения поверхностных слоев. Материалы и методы исследования. Покрытия А и Б состоят из последовательно нанесенных слоев. Первый и второй слой наносили в восстановительной атмосфере. Первый слой – жаростойкие самофлюсующиеся порошки двух систем: состав 1 – Fe-Cr-Si-Mn-B-C в покрытии А; состав 2 – Fe-Ni-Si-Mn-B-C в покрытии Б. Второй слой – смесь самофлюсующегося порошка с порошком железа в соотношении 1:1. Третий слой получали напылением порошка железа в окислительной атмосфере для формирования металлооксидного покрытия. Для создания слоя окалины на поверхности образцы с покрытием подвергали высокотемпературному отжигу при температуре 1000 С. Химический состав и характер распределения элементов по толщине покрытий установлены методом микрорентгеноспектрального анализа на сканирующем электронном микроскопе TWSCAN с энергодисперсионной приставкой Oxford. Микротвердость и микромеханические свойства изучены на инструментальном микротвердомере системы Fischerscope HM2000 XYm при нагрузке 0,980 Н. Определение трибологических свойств было выполнено на лабораторной установке по схеме «палец – диск» при нагрузках 30, 75, 100 и 130 Н. Для измерения параметров шероховатости и получения 3D-профилометрии поверхностей после испытаний использовали бесконтактный профилометр-профилограф Optical profi ling system Veeco WYKO NT 1100. Результаты и обсуждение. Металлографические исследования показали, что сформированные многослойные покрытия состоят из внутреннего металлического слоя и внешнего оксидного слоя с общей толщиной всего покрытия до 800…850 мкм. Установлено, что наибольшим уровнем микротвердости обладает первый напыляемый слой, это обусловлено высокой объемной долей содержащихся в нем упрочняющих фаз (~95 %). Показано, что покрытие А обладает повышенной износостойкостью, которая выражена минимальной потерей массы (примерно в 1,5 раза меньше, чем у покрытия Б), коэффициент трения составил f = 0,3 для покрытия А и f = 0,4 для покрытия Б. Исследование поверхностей изнашивания показало, что при всех выбранных нагрузках испытаний в условиях трения скольжения покрытия обоих типов сохранились, даже при максимальной нагрузке 130 Н. Для цитирования: Структурные особенности и триболо гические свойства многослойных высокотемпературных плазменных покрытий / Н.Б. Пугачева, Т.М. Быкова, В.А. Сирош, А.В. Макаров // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 250–266. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-250-266. ______ *Адрес для переписки Быкова Татьяна Михайловна, к.т.н., с.н.с. Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, 620049, г. Екатеринбург, Россия Тел.: 8 (343) 362-30-43, e-mail: tatiana_8801@mail.ru Введение Повышение стойкости высокотемпературных многослойных покрытий для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах эксплуатации в различных областях промышленности, является актуальной задачей: получаемые покрытия должны, во-первых, обладать высокой термостойкостью и стойкостью

OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 251 MATERIAL SCIENCE к окислению; во-вторых, сохранять адгезию к основному материалу; в третьих, обладать высокой коррозионной стойкостью [1]. Выбор состава покрытий и способа их формирования на поверхности защищаемой детали определяется условиями эксплуатации, что приводит к необходимости индивидуального подхода к формированию многослойных покрытий разного химического состава [2, 3]. Перспективным является применение многослойных высокотемпературных покрытий для прошивного инструмента при производстве стальных бесшовных горячекатаных труб, которые используются в качестве конструкционных труб в строительстве, машиностроении и нефтяной промышленности [4]. Прошивная оправка используется при производстве полых заготовок, из которых на последующих станах раскат ки, прокатки, редуцирования, правки и калибровки получается бесшовная труба [5]. Оправка при работе подвергается воздействию высоких температур и абразивному износу [6, 7]. Для повышения прочности и износостойкости, а также исключения налипания на оправку ее поверхность подвергают упрочняющей обработке путем нанесения защитного высокотемпературного покрытия на ее носок и сферическую поверхность с последующим нанесением оксидированного слоя на внешнюю поверхность материала. Для формирования высокотемпературных покрытий, стойких к абразивному износу при больших скоростях скольжения, используют различные самофлюсующиеся высоко- и среднеуглеродистые сплавы на железной основе, легированные хромом, никелем, ванадием и марганцем [8–10]. Для формирования на наружной поверхности оксидированного слоя используют порошок железа, который н аносится в окислительной атмосфере. Нанесение оксидного внешнего слоя имеет ряд преимуществ: во-первых, оксидный слой препятствует налипанию материала во время эксплуатации на оправку; вовторых, при высоких температурах эксплуатации он создает допол нительное термическое сопротивление, повышая термостойкость самого покрытия; в-третьих, при высоких температурах эксплуатации происходит размягчение окалины, и она начинает работать в качестве смазочного материала с контактируемой поверхностью [11–15]. Таким образом, целью работы стало исследование влияния химического состава напыляемых покрытий на фазовый состав, структуру, микромеханические и трибологические характеристики в условиях сухого трения скольжения поверхностных слоев. Методика исследований В работе были исследованы многослойные покрытия двух разных составов, содержащие три последовательно нанесенных слоя. Отличием в составе полученных покрытий является первый слой, для формирования которого использовали жаростойкие самофлюсующиеся порошки на железной основе (табл. 1). Для получения первого слоя покрытия использовали порошок состава 1 – Fe-Cr-Si-Mn-B-C с размером частиц 50…90 мкм (рис. 1, а) либо порошок состава 2 – Fe-Ni-Si-Mn-B-C с размером частиц 60…100 мкм (рис. 1, б). Для формирования второго слоя обоих покрытий использовали смесь Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Состав напыляемых порошков Composition of sprayed powders Порошок Powder Содержание химических элементов, масс. % / Content of chemical elements, wt. % Ni Cr Si B C Mn Fe Состав 1 (порошок Fe-Cr-Si-Mn-B-C) / Composition 1 (powder Fe-Cr-Si-Mn-B-C) – 3,8 2,3 3,6 1,2 1,0 Осн. Состав 2 (порошок Fe-Ni-Si-Mn-B-C) / Composition 2 (powder Fe-Ni-Si-Mn-B-C) 9,0 – 1,2 2,7 0,5 4,0 Осн.

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 252 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б в Рис. 1. Морфология частиц порошков для получения многослойных покрытий: а – порошок состава 1; б – порошок состава 2; в – порошок Fe Fig. 1. Morphology of powder particles for obtaining a multilayer coating: а – powder of composition 1; б – powder of composition 2; в – Fe powder порошка Fe с соответствующим самофлюсующимся порошком в соотношении (1:1), а третий слой получен из порошка Fe с размером частиц 40…100 мкм (рис. 1, в). Все слои исследованных покрытий были получены на установке плазменно-порошкового напыления с контактным возбуждением дугового разряда УПН-60КМ ТСП2017, изготовитель О ОО «НПП ТСП» (г. Екатеринбург). Первый металлический слой (химический состав приведен в табл. 1) благодаря высокой твердости и износостойкости защищает материал оправки от разрушения в случае износа верхних слоев во время эксплуатации. Второй переходный слой получен напылением смеси самофлюсующегося порошка с порошком Fe, он предназначен для плавного изменения свойств, а также для лучшего адгезионного сцепления внешнего слоя с внутренним. Третий внешний слой получен при напылении порошка Fe в окислительной атмосфере для формирования внешнего оксидированного слоя. Для создания поверхностного слоя окалины, а также для выравнивания химического состава всех слоев и повышения их адгезионного сцепления образцы с покрытиями подвергали высокотемпературному отжигу при температуре 1000 ℃. Покрытие, содержащее первый слой с хромом (состав 1 в табл. 1), условно обозначим как покрытие А, а покрытие с никельсодержащим внутренним слоем (состав 2 в табл.1) – как покрытие Б. Микроструктуру, химический состав, особенности строения и толщину полученных покрытий исследовали на поперечных резах с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN VEGAII XMU с энергодисперсионной приставкой фирмы OXFORD HKLNordlysF+ при увеличениях от 100 до 800 крат. Методом микроиндентирования с помощью измерительной системы Fischerscope HM2000 XYm с индентором Виккерса и программным обеспечением WIN-HCU при максимальной нагрузке 0,980 Н определяли характеристики, которые отражают особенности механического поведения исследуемых покрытий при упругопластическом деформировании [16]. Были определены показатели прочности (микротвердость НV, HIT, HM и контактный модуль упругости Е*), показатели пластичности (упругое восстановление Re), работа пластической деформации (φ) и ползучесть (CIT) при индентировании. Значения показателей Re, φ и СIT рассчитывали по формулам max max 100 % p h h h − = ⋅ Re ; (1) 1 100 % We Wt ⎛ ⎞ ϕ = − ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ; (2) max 1 1 100 % h h CIT h − = ⋅ , (3) где We – работа упругой деформации при индентировании, освобождаемая при снятии приложенной нагрузки; Wt – полная механическая работа при индентировании; h1 – глубина вне-

OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 253 MATERIAL SCIENCE дрения индентора; hmax – максимальная глубина внедрения индентора. Исследования трибологических свойств были проведены на лабораторной установке по схеме «палец – диск» в соответствии с рис. 2. Скорость трения составляла 5 м/с при нагрузках 30, 75, 100 и 130 Н. При каждом испытании путь трения составлял 5000 м. Образцы типа «палец» были изготовлены из стали с покрытием А и покрытием Б. Образец типа «диск» представлял собой диск, изготовленный из стали Х12М. В ходе испытаний была измерена сила трения с помощью рессоры с наклеенными на нее тензометрическими датчиками сопротивления. Нагрев поверхностей трения происходил за счет самого трения, внешние источники нагрева не использовались. Температуру нагрева поверхности трения измеряли с помощью термопары, установленной на образце типа «палец» вблизи поверхности трения. Рис. 2. Схема трибологического нагружения «палец – диск» Fig. 2. Tribological loading scheme “pin-on-disc” Для измерения параметров шероховатости и получения 3D-профилометрии поверхностей образцов с покрытиями в исходном состоянии и после испытаний использовали бесконтактный профилометр-профилограф Optical profi ling system Veeco WYKO NT 1100. Результаты и их обсуждение Определение структуры и фазового состава покрытий Результаты металлографических исследований показали, что сформированные многослойные покрытия состоят из последовательно нанесенных слоев с общей толщиной всего покрытия до 800…850 мкм. На рис. 3 представлена микроструктура и распределение элементов в полученных покрытиях. Выполненный ранее [17] фазовый рентгеноструктурный анализ показал, что первый металлический слой покрытия А состава 1 (обозначенный цифрой 1 на рис. 3, а) состоит из твердого раствора Cr, Si и Mn в α-Fe с упрочняющими фазами в виде карбидов и силицидов хрома и марганца (Cr23C6, Cr5Si3, CrSi, Cr3Si и Mn5Si3) и боридов железа FeB (Fe2B). Металлический слой покрытия Б состава 2 (обозначенный цифрой 1 на рис. 3, б) состоит из двух твердых растворов феррита α-Fe и аустенита γ-Fe. Упрочняющими фазами являются дисперсные карбиды, силициды и бориды (NiSi2, Ni3Si2, Mn5Si3, Fe5Si3, Fe2B). Второй переходный слой и внешний оксидный слой (обозначенные цифрами 2 и 3 на рис. 3, а и б) обоих покрытий состоят из α-твердого раствора на основе Fe и оксидов FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Определение микромеханических свойств напыляемых покрытий По результатам инструментального микроиндентирования установлено, что наибольшим уровнем микротвердости обладает первый металлический слой (1), для покрытия А его микротвердость составила 1030 HV 0,1. Первый металлический слой (1) покрытия Б характеризовался микротвердостью 745 HV 0,1. Повышенная твердость металлического слоя покрытия А связана с большим содержанием в нем упрочняющих фаз. Микротвердость переходного слоя (2) составляет 650 HV 0,1 для покрытия А и 580 HV 0,1 для покрытия Б. Микротвердость внешнего оксидного слоя (3) для обоих покрытий составляет 290 HV 0,1. Разброс микротвердости в смежных областях достигает ∼ 350…380 HV 0,1 для покрытия А и ~ 150…300 HV 0,1 для покрытия Б, что объясняется снижением объемной доли упрочняющей фазы (табл. 2 и 4). Упрочняющие фазы в покрытиях снижают значения максимальной и остаточной глубины вдавливания индентора hmax и hp, что приводит к повышению значений твердости вдавливания при максимальной нагрузке HIT (означает увеличение сопротивле ния постоянной деформации) и твердости по Мартенсу HM, учитывающей как пластическую, так и упругую деформацию. Модуль упругости при индентировании Е* обоих покрытий меняется незначительно (рис. 4, а и 5, а, табл. 2 и 4).

RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1