Том 26 № 4 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 № 4 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Маниканта Д.Э., Амбхор Н., Шамкувар С., Гураджала Н.К., Дакарапу С.Р. Исследование влияния гибридных наножидкостей на растительной основе на производительность обработки при токарной обработке с минимальным количеством СОЖ................................................................................................................................... 6 Дама Й.Б., Джоги Б.Ф., Паваде Р., Кулкарни А.П. Влияние направления печати на характер износа PLAбиоматериала, полученного методом FDM: исследование для имплантата тазобедренного сустава......................... 19 Гриненко А.В., Чумаевский А.В., Сидоров Е.А., Утяганова В.Р., Амиров А.И., Колубаев Е.А. Искажение геометрии, окисление кромки, структурные изменения и морфология поверхности реза листового проката толщиной 100 мм из алюминиевых, медных и титановых сплавов при плазменной резке на токе обратной полярности........................................................................................................................................................................... 41 Соматкар А., Двиведи Р., Чинчаникар С. Сравнительная оценка накатывания роликом сплава Al6061-T6 в условиях сухого трения и в условиях смазки минимальным количеством наножидкости....................................... 57 Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка качества и механических свойств получаемых слоев металла из низкоуглеродистой стали методом WAAM с использованием дополнительной механической и ультразвуковой обработки............................................................................................................................................... 75 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Юсубов Н.Д., Аббасова Х.М. Систематика многоинструментных наладок на станках токарной группы............... 92 Тошов Дж.Б., Фозилов Д.М., Елемесов К.К., Рузиев У.Н., Абдуллаев Д.Н., Басканбаева Д.Д., Бекирова Л.Р. Повышение стойкости зубьев буровых долот за счет изменения технологии их изготовления.................................. 112 Поспелов И.Д. Исследование распределения нормальных контактных напряжений в очагах деформации при горячей прокатке полос из конструкционных низколегированных сталей для повышения стойкости рабочих валков................................................................................................................................................................................... 125 Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Изготовление электродов-инструментов с оптимизированной конфигурацией для копировально-прошивной электроэрозионной обработки методом быстрого прототипирования.............................................................................................................................................. 138 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Шуберт А.В., Коновалов С.В., Панченко И.А. Обзор исследований высокоэнтропийных сплавов, их свойств, методов создания и применения.................................................................................................................................. 153 Сюсюка Е.Н., Аминева Е.Х., Кабиров Ю.В., Пруцакова Н.В. Анализ изменения микроструктуры компрессионных колец вспомогательного судового двигателя.................................................................................................... 180 Дударева А.А., Бушуева Е.Г., Тюрин А.Г., Домаров Е.В., Насенник И.Е., Шикалов В.С., Скороход К.А., Легкодымов А.А. Влияние горячей пластической деформации на структуру и свойства поверхностно модифицированных слоев после вневауумной электронно-лучевой наплавки на сталь 12Х18Н9Т с применением порошковой смеси состава 10Cr-30B...................................................................................................................................................... 192 Болтрушевич А.Е., Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Кузнецова Ю.С. Структура заготовок из сплава инконель 625, полученных электродуговой наплавкой и наплавкой с помощью электронного луча......................... 206 Саблина Т.Ю., Панченко М.Ю., Зятиков И.А., Пучикин А.В., Коновалов И.Н., Панченко Ю.Н. Исследование гидрофильности поверхности металлических материалов, модифицированных ультрафиолетовым лазерным излучением........................................................................................................................................................................... 218 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 234 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 243 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 05.12.2024. Выход в свет 16.12.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 30,5. Уч.-изд. л. 56,73. Изд. № 165. Заказ 231. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 4 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. 4 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. 4 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Manikanta J.E., Ambhore N., Shamkuwar S., Gurajala N.K., Dakarapu S.R. Investigation of vegetable-based hybrid nanofl uids on machining performance in MQL turning........................................................................................... 6 Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R., Kulkarni A.P. Impact of print orientation on wear behavior in FDM printed PLA Biomaterial: Study for hip-joint implant...................................................................................................................... 19 GrinenkoA.V., ChumaevskyA.V., Sidorov E.A., Utyaganova V.R.,AmirovA.I., Kolubaev E.A. Geometry distortion, edge oxidation, structural changes and cut surface morphology of 100mm thick sheet product made of aluminum, copper and titanium alloys during reverse polarity plasma cutting...................................................................................... 41 Somatkar A., Dwivedi R., Chinchanikar S. Comparative evaluation of roller burnishing of Al6061-T6 alloy under dry and nanofl uid minimum quantity lubrication conditions............................................................................................... 57 Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Assessment of the quality and mechanical properties of metal layers from low-carbon steel obtained by the WAAM method with the use of additional using additional mechanical and ultrasonic processing..................................................................................................................................................... 75 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Yusubov N.D., Abbasova H.M. Systematics of multi-tool setup on lathe group machines............................................... 92 Toshov J.B., Fozilov D.M., Yelemessov K.K., Ruziev U.N., Abdullayev D.N., Baskanbayeva D.D., Bekirova L.R. Increasing the durability of drill bit teeth by changing its manufacturing technology......................................................... 112 Pospelov I.D. Investigation of the distribution of normal contact stresses in deformation zone during hot rolling of strips made of structural low-alloy steels to increase the resistance of working rolls..................................................... 125 Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Shlykov E.S., Muratov K.R., Osinnikov I.V. Manufacturing of tool electrodes with optimized confi guration for copy-piercing electrical discharge machining by rapid prototyping method.......................... 138 MATERIAL SCIENCE Shubert A.V., Konovalov S.V., Panchenko I.A. A review of research on high-entropy alloys, its properties, methods of creation and application.................................................................................................................................................. 153 Syusyuka E.N., Amineva E.H., Kabirov Yu.V., Prutsakova N.V. Analysis of changes in the microstructure of compression rings of an auxiliary marine engine.......................................................................................................... 180 Dudareva A.A., Bushueva E.G., Tyurin A.G., Domarov E.V., Nasennik I.E., Shikalov V.S., Skorokhod K.A., Legkodymov A.A. The eff ect of hot plastic deformation on the structure and properties of surface-modifi ed layers after non-vacuum electron beam surfacing of a powder mixture of composition 10Cr-30B on steel 0.12 C-18 Cr-9 Ni-Ti............................................................................................................................................................................. 192 Boltrushevich A.E., Martyushev N.V., Kozlov V.N., Kuznetsova Yu.S. Structure of Inconel 625 alloy blanks obtained by electric arc surfacing and electron beam surfacing........................................................................................... 206 Sablina T.Y., Panchenko M.Yu., Zyatikov I.A., Puchikin A.V., Konovalov I.N., Panchenko Yu.N. Study of surface hydrophilicity of metallic materials modifi ed by ultraviolet laser radiation........................................................................ 218 EDITORIALMATERIALS 234 FOUNDERS MATERIALS 243 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 180 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Анализ изменения микроструктуры компрессионных колец вспомогательного судового двигателя Елена Сюсюка 1, a, *, Елена Аминева 1, b, Юрий Кабиров 2, c, Наталья Пруцакова 3, d 1 Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, пр. Ленина, 93, г. Новороссийск, 353924, Российская Федерация 2 Южный федеральный университет, ул. Большая Садовая, 105/42, г. Ростов-на-Дону, 344006, Российская Федерация 3 Донской государственный технический университет, площадь Гагарина, 1, г. Ростов-на-Дону, 344000, Российская Федерация a https://orcid.org/0000-0002-4237-0697, sollain66@rambler.ru; b https://orcid.org/0000-0001-8965-9730, elika-11@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0002-9975-3410, salv62@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0003-2761-286X, shpilevay@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 4 с. 180–191 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-180-191 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 538.911 62–242 История статьи: Поступила: 24 июня 2024 Рецензирование: 12 августа 2024 Принята к печати: 24 сентября 2024 Доступно онлайн: 15 декабря 2024 Ключевые слова: Судовой двигатель Надежность Компрессионные кольца Износ Деформации Микроструктура Металлографические исследования Текстурные неоднородности Охрупчивание кристаллитов Дифракция рентгеновских лучей Макро- и микроструктура материала Плотность дислокаций Рентгеноструктурный анализ Микронапряжения Области когерентного рассеяния АННОТАЦИЯ Введение. Цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) двигателя внутреннего сгорания судового типа подвержена высоким эксплуатационным нагрузкам. От исправной работы цилиндро-поршневой группы зависит надежность, долговечность и экономичность работы всего двигателя. Смена направления движений поршня и недостаточность смазки, обусловленная разбрызгиванием смазочного материала в процессе работы, приводят к повышенному износу движущегося пакета поршневых колец. Определив, под воздействием каких факторов и как меняется структура металла в процессе эксплуатации, можно учитывать эти факторы в технологии изготовления и упрочнения деталей. Предмет исследований. Объектами исследования являются отработавшие срок эксплуатации верхнее и нижнее компрессионные кольца цилиндро-поршневой группы вспомогательного судового двигателя HIMSEN 4H21/32. Цель: рассмотреть изменения структуры и микроструктуры материала компрессионных поршневых колец вспомогательного судового двигателя HIMSEN 4H21/32, возникающие в результате эксплуатации; сравнить результаты оценки микронапряжений и деформаций поверхностного слоя деталей металлографическими методами и методом рентгеноструктурного анализа для различных условий работы верхнего и нижнего компрессионного кольца. Методы. В исследовании применены металлографический и рентгеновские методы. Описаны условия рентгеновской съемки; рентгеноструктурный анализ проведен на дифрактометре «Дрон-3М». Определены остаточные микродеформации, а также размеры областей когерентного рассеяния (D) и плотность дислокаций на поверхностях образцов. Результаты работы. Представлены результаты металлографического и рентгеноструктурного анализа (РСА). Определены остаточные макро- (σᵩ) и микронапряжения, а также размеры областей когерентного рассеяния (D) поверхностного слоя компрессионных колец. Результаты рентгеноструктурного анализа сопоставимы с результатами металлографических исследований, прослеживается сходимость результатов. Область применения результатов. Результаты исследования могут применяться при подборе технологии изготовления компрессионных колец судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС). Выводы. Целесообразно проводить оценку изменения проявлений напряженного состояния чугуна при воздействии различных факторов. Это позволит подобрать оптимальную технологию изготовления компрессионных колец для обеспечения надежности их эксплуатации. Контроль качества колец различными методами оценки структуры также дает возможность прогнозирования условий разрушения компрессионных колец в процессе эксплуатации. Увеличение степени дефектности верхнего кольца происходит вследствие различного рода деформаций кристаллитов. В результате неупругих деформаций при работе кольца рождающиеся дислокации вызывают сильные механические напряжения. Для цитирования: Анализ изменения микроструктуры компрессионных колец вспомогательного судового двигателя / Е.Н. Сюсюка, Е.Х. Аминева, Ю.В. Кабиров, Н.В. Пруцакова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 180–191. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-180-191. ______ *Адрес для переписки Сюсюка Елена Николаевна, к.т.н., доцент Государственный морской университет им. адмирала Ф.Ф. Ушакова, пр. Ленина, 93, 353924, г. Новороссийск, Российская Федерация Тел.: +7 918 4478192, e-mail: sollain66@rambler.ru Введение Цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) внутреннего сгорания судового типа подвержена высоким эксплуатационным нагрузкам. От исправной работы ЦПГ зависит надежность, долговечность и экономичность работы всего двигателя. Смена направления движений поршня и недостаточ-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 4 2024 181 MATERIAL SCIENCE ность смазки, обусловленная разбрызгиванием смазочного материала в процессе работы, приводят к повышенному износу движущегося пакета поршневых колец, находящихся в верхней части цилиндра [1]. В состав ЦПГ входят компрессионные и маслосъемные кольца. Маслосъемные кольца используются в четырехтактных двигателях с системой разбрызгивания смазывающего материала для снятия излишков масла в нижней части цилиндра и регулирования его поступления на верхнюю часть цилиндра. Компрессионные кольца выполняют две функции: уплотнительную и теплоотводящую, а также способствуют распределению масла по стенкам цилиндра во время работы. В процессе работы компрессионные кольца совершают несколько видов движения. Прямое-обратное (радиальное) движение колец внутри кепа (канавки под кольцо на цилиндрической поверхности поршня) создает деформации, перпендикулярные образующей, и способствуют износу и колец, и нижней поверхности кепа. Это приводит к ухудшению уплотняющего действия компрессионных колец, а после – к радиальной вибрации и поломке кольца, чаще всего в средней части, напротив замка. Осевое перемещение происходит из-за разницы давлений газов над кольцом и под ним, силы тяжести самого кольца и силы трения между кольцом и поверхностью кепа. Вращательное движение колец обусловлено оборотами вала двигателя. Условия работы верхнего и нижнего компрессионного кольца отличаются. Давление за верхним компрессионным кольцом составляет 0,75Pr, за нижним компрессионным кольцом – 0,20Pr (Pr – рабочее давление). Это давление является одной из составляющих силы прижатия колец к цилиндру, а также создает радиальные деформации материала колец, что обусловливает повышенный износ верхнего компрессионного кольца и нижней поверхности кепа, на который осуществляется его посадка. Срок работы ЦПГ сильно зависит от скорости изнашивания компрессионных колец. С целью повышения срока службы поршневых колец разработаны различные методики упрочнения сопрягаемых поверхностей: пластическое деформирование, закалка токами высокой частоты, создание адгезионных поверхностей, постановка в зоне трения кольца в верхней мертвой точке износостойких вставок, пористое хромирование, протачивание канавок для заливки оловом, а также нанесение упрочняющих покрытий из молибдена и других материалов, повышающих триботехнические свойства [2, 3]. Из основных конструкционных требований к кольцам выделяются высокие прочность, упругость, износостойкость и малый коэффициент трения. Большое значение имеет равномерное распределение радиального давления по окружности кольца [4]. Поршневые кольца изготавливаются из серого легированного чугуна с пластинчатым графитом или высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Серый чугун наряду с высокими литейными свойствами имеет хорошую демпфирующую способность, высокие антифрикционные свойства и меньшую склонность к термическим деформациям по сравнению со сталью. Различия фазовых состояний серых чугунов, диффузия элементов, неоднородность коэффициентов линейного и объемного расширения феррита, цементита и графита приводят к анизотропии напряженного состояния. Это является источником зарождения и развития дефектов – дислокаций. Представляется целесообразным оценивать изменение проявлений напряженного состояния чугуна при воздействии различных факторов с целью прогнозирования условий разрушения компрессионных колец в процессе эксплуатации. Технология изготовления компрессионных колец определяется требованиями надежности и описана в соответствующих стандартах для каждого вида колец. Контроль качества колец осуществляется различными методами оценки структуры отливок с учетом технологии закалки, нормализации, термической и механической обработки [1–5]. Использование серого чугуна для изготовления компрессионных колец обусловлено его хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Механические свойства чугуна определяются количественным соотношением структурных составляющих, в основном феррита, перлита и графита. Чугун с перлитной основой наиболее прочен и износоустойчив. Феррит снижает механические свойства чугуна. Крупные включения графита снижают прочность, но обеспечивают высокую циклическую вязкость и низкую чувствительность к внешним надрезам. В процес-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 182 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ се эксплуатации структуры материала верхнего и нижнего колец претерпевают значительные изменения. Кольца, изготовленные из серого легированного чугуна с пластинчатым графитом, должны иметь определенную микроструктуру: металлическая основа состоит из средне- и мелкопластинчатого или сорбитообразного перлита. Перлит соответствует высокой твердости, износостойкости и хорошей обрабатываемости резанием. Наличие феррита в виде отдельных мелких включений не должно превышать 5 % площади шлифа. Феррит свидетельствует о снижении механических свойств и износостойкости чугуна. Неструктурный цементит не допускается. Фосфидная эвтектика может присутствовать в виде мелких равномерных включений или разорванных сеток, при этом тройная фосфидная эвтектика с пластинками не допускается [6]. Появление в структуре цементита приводит к хрупкости [7, 8]. Согласно ГОСТ 7133–80 кольца, изготовленные из чугуна с шаровидным графитом в качестве металлической основы, должны содержать тонко-, мелко- и среднепластинчатый перлит или сорбитообразный перлит. Процентное содержание цементита в виде мелких включений не должно превышать 10 %, для феррита – не более 10 % площади шлифа. Существуют методики оптико-математического метода описания металлографических изображений, позволяющие оценить процентное содержание включений различных фаз высокохромистого чугуна [9]. Проблема повышения надежности ЦПГ может быть решена путем всесторонних исследований возможных эксплуатационных изменений материалов с применением современной испытательной, исследовательской техники и аналитических программ. При любом динамическом и тепловом воздействии на кольца в процессе эксплуатации внутренняя структура материала изменяется, а зона пластической деформации приобретает характерные особенности. Это подтверждается послойным текстурным анализом металла в области хрупких изломов для недеформированного нового образца и образца с дефектами после эксплуатации [10]. Увеличение плотности дислокаций, изменение микроструктуры и возможное появление текстурных неоднородностей можно исследовать, применяя металлографические методы и дифракцию рентгеновских и электронных лучей [11–14]. Анализ литературы по данной тематике позволяет сделать выводы о взаимосвязи изменений структуры и эксплуатационных свойств материала. В работе [15] исследователи выяснили, что при изменении материала рабочих органов погружных насосов из чугуна, когда пластинчатая форма включений графита меняется на шаровидную, существенно улучшаются такие эксплуатационные характеристики чугуна, как прочность и пластичность, но проявляется повышенная объемная усадка и ухудшается жидкотекучесть. Эти факторы необходимо учитывать при подборе технологии изготовления компрессионных колец. Прослеживается похожий характер влияния изменения микроструктуры на свойства материала для чугунов и для сталей. Анализ изменений микроструктуры и кристаллографической текстуры ферритной стали при коррозионном разрушении под нагрузкой (КРН) с помощью растровой электронной микроскопии позволил установить размер и тип неметаллических включений, элементный состав продуктов коррозии, а также характер разрушения в зоне действия КРН [16]. В рамках рентгеноструктурного анализа (РСА), при котором учитывали форму и размер зерен-кристаллитов, кристаллографическую текстуру, заселенность кристаллической решетки атомами, атомные смещения, фактор Дебая – Уоллера и инструментальное уширение линий, были оценены параметры тонкой структуры ферритной стали в зоне разрушения и в свободной от КРН зоне. Показано, что область разрушения характеризуется высокой плотностью внесенных дислокаций краевого типа, сильными упругими искажениями кристаллической решетки и относительно малым размером областей когерентного рассеяния (ОКР). Множество исследований различных видов стали показывает, что с повышением скорости деформации при высоких температурах увеличивается пороговая деформация, возникающая перед началом динамической рекристаллизации аустенита. При использовании микролегирова-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 4 2024 183 MATERIAL SCIENCE ния бором наблюдается обратный эффект – пороговая деформация уменьшается. Наличие бора в растворе способствует образованию зерен на границах, что препятствует перестройкам атомов и облегчает миграцию этих зерен. Быстрая динамическая рекристаллизация улучшает пластичность стали и способствует измельчению, что снижает ее хрупкость [17, 18]. Интересно также изучение воздействия напряженно-деформированного состояния на распространение трещин в квазисколах стали, подверженной охрупчиванию из-за наличия водорода. Исследовалась роль водорода в механизме распространения трещин, и было установлено, что путь трещин в квазисколах в охрупченных водородом ферритных и ферритно-перлитных низкоуглеродистых сталях определяется в большей степени характером напряженно-деформированного состояния, чем микроструктурой или кристаллографической ориентацией отдельных зерен [19]. Существуют новые технологии производства стальных поршневых колец, которые предусматривают шлифование поверхности [20] и нанесение износостойких покрытий, например разработанный метод трехслойного упрочнения их поверхности. Этот метод включает в себя карбонитрацию, ионную имплантацию нитрида титана, а затем сульфидирование, что приводит к улучшенной обработке и повышенной износостойкости поршневых колец [21]. Очень эффективным в упрочнении поршневых колец может оказаться метод электроакустического напыления [22]. Получающееся при таком способе нанесения нанокристаллическое покрытие на поверхности металла менее подвержено релаксации, что позволяет в 6…8 раз увеличить ресурс работы детали. Цели исследования: рассмотреть изменения структуры и микроструктуры материала верхнего и нижнего компрессионных поршневых колец вспомогательного судового двигателя HIMSEN 4H21/32, возникающие в результате эксплуатации этих колец в различных условиях и при различных нагрузках; сравнить микронапряжения, возникающие вследствие деформаций поверхностного слоя верхнего и нижнего компрессионных колец, используя металлографические методы и метод рентгеноструктурного анализа. Методика исследований Предметами исследования являются отработавшие срок эксплуатации поршневые компрессионные кольца (верхнее и нижнее) вспомогательного судового двигателя HIMSEN 4H21/32. Существующие методики металлографических исследований и рентгеновской дифрактометрии [14–24] позволяют исследовать напряженное состояние и атомную структуру, микродеформации, а также разброс размеров частиц материала. В настоящем исследовании для изучения микроструктуры компрессионных колец были использованы металлографический и рентгеновские методы. Изменение структуры материала верхнего кольца при износе, вызванном различиями в условиях эксплуатации верхнего и нижнего компрессионных колец, приводит к потере подвижности нижнего кольца. Это означает, что всю тепловую и механическую нагрузку несет горячий резерв верхнего кольца. Анализ изменения структуры материала верхнего и нижнего колец позволит подтвердить различия в динамических и тепловых воздействиях на материал в процессе эксплуатации, что позволит определить технологические параметры для изготовления колец и их специального упрочнения. Образцы для приготовления шлифов с целью определения микроструктуры и фазового состава материала сделаны методом порезки перпендикулярно образующей кольца (рис. 1). Поскольку динамические и тепловые нагрузки равновероятны по всем радиальным направлениям в плоскости кольца, то место пореза особого значения не имеет. При наличии возможного разлома или трещины место пореза должно соседствовать с дефектом. Рис. 1. Схема порезки кольца Fig. 1. Ring cutting pattern
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1