Том 27 № 1 2025 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 в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). 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 27 № 1 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Умеров Э.Д., Скакун В.В., Джемалядинов Р.М., Егоров Ю.А. Исследование влияния масляных СОТС с улучшенными трибологическими свойствами на силы резания и шероховатость обработанных поверхностей...... 6 Маниканта Д.Э., Амбхор Н., Теллапутта Г.Р. Исследование СОЖ с использованием растительного масла, усиленного добавлением наночастиц, при токарной обработке..................................................................................... 20 Шлыков Е.С., Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Муратов К.Р. Повышение качества изготовления изделий из жаропрочного никелевого сплава нового поколения с применением проволочно-вырезной электроэрозионной обработки............................................................................................................................................................................ 34 Абляз Т.Р., Осинников И.В., Шлыков Е.С., Каменских А.А., Горохов А.Ю., Кропанев Н.А., Муратов К.Р. Прогнозирование изменений поверхностного слоя в процессе копировально-прошивной электроэрозионной обработки............................................................................................................................................................................. 48 Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Болтрушевич А.Е., Кузнецова Ю.С., Бовкун А.С. Фрезерование заготовок из инконеля 625, полученных с помощью электродуговой наплавки............................................................................ 61 Фатюхин Д.С., Нигметзянов Р.И., Приходько В.М., Сундуков С.К., Сухов А.В. Влияние угла наклона колебательной системы на поверхностные свойства стали 45 при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании......................................................................................................................................... 77 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Борисов М.А., Лобанов Д.В., Скиба В.Ю., Надеждина О.А. Разработка устройства для исследования и моделирования процесса электрохимического шлифования............................................................................................. 93 Лапшин В.П., Губанова А.А., Дудинов И.О. Прогнозирование качества получаемой при резании металлов поверхности в условиях роста изношенности инструмента........................................................................................... 106 Подгорный Ю.И., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Садыкин А.В., Мартюшев Н.В., Лобанов Д.В., Пелемешко А.К., Попков А.С. Проектирование механизма гомогенизации.............................................................. 129 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Усанова О.Ю., Рязанцева А.В., Вахрушева М.Ю., Модина М.А., Кузнецова Ю.С. Повышение эксплуатационных свойств деталей из серого чугуна с помощью ионной имплантации....................................................... 143 Абдельазиз Х., Сабер Д. Получение нанокомпозиционного материала с матрицей на основе алюминиевого сплава Al-7Si методом механического замешивания в стальную литейную форму с переменной толщиной стенок и исследование его характеристик..................................................................................................................................... 155 Дама Й.Б., Джоги Б.Ф., Паваде Р., Пал Ш., Гаиквад Й.M. Разработка и исследование композиционных материалов из акрилата с ПЭЭК для изготовления имплантатов тазобедренного сустава методом аддитивного производства (DLP 3D-печать).......................................................................................................................................................... 172 Прудников А.Н., Галачиева С.В., Абсадыков Б.Н., Шарипзянова Г.Х., Цыганко Е.Н., Иванцивский В.В. Влияние деформационной термоциклической обработки и нормализации на механические свойства листовой стали 10................................................................................................................................................................................ 192 Бханавасе В., Джоги Б.Ф., Дама Й.Б. Исследование поведения в условиях изнашивания полифениленсульфидных (PPS) композиционных материалов, армированных стекловолокном и органической глиной.................... 203 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 218 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 227 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 05.03.2025. Выход в свет 17.03.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 28,5. Уч.-изд. л. 53,01. Изд. № 25. Заказ 86. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 1 2025 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. 27 No. 1 2025 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. 27 No. 1 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Umerov E.D., Skakun V.V., Dzhemalyadinov R.M., Egorov Y.A. Investigation of the eff ect of oil-based MWFs with enhanced tribological properties on cutting forces and roughness of the processed surfaces.............................................. 6 Manikanta J.E., Ambhore N., Thellaputta G.R. Investigation of vegetable oil-based cutting fl uids enhanced with nanoparticle additions in turning operations........................................................................................................................ 20 Shlykov E.S., Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Muratov K.R. Improvement the manufacturing quality of new generation heat-resistant nickel alloy products using wire electrical discharge machining................................................................... 34 Ablyaz T.R., Osinnikov I.V., Shlykov E.S., Kamenskikh A.A., Gorohov A.Yu., Kropanev N.A., Muratov K.R. Prediction of changes in the surface layer during copy-piercing electrical discharge machining....................................... 48 Martyushev N.V., Kozlov V.N., Boltrushevich A.E., Kuznetsova Yu.S., Bovkun A.S. Milling of Inconel 625 blanks fabricated by wire arc additive manufacturing (WAAM)..................................................................................................... 61 Fatyukhin D.S., Nigmetzyanov R.I., Prikhodko V.M., Sundukov S.K., Sukhov A.V. Infl uence of the oscillating systems inclination angle on the surface properties of steel 45 during ultrasonic surface plastic deformation................... 77 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Borisov M.A., Lobanov D.V., Skeeba V.Y., Nadezhdina O.A. Development of a device for studying and simulating the electrochemical grinding process................................................................................................................................... 93 Lapshin V.P., Gubanova A.A., Dudinov I.O. Predicting machined surface quality under conditions of increasing tool wear............................................................................................................................................................................... 106 Podgornyj Y.I., Skeeba V.Y., Martynova T.G., Sadykin A.V., Martyushev N.V., Lobanov D.V., Pelemeshko A.K., Popkov A.S. Designing the homogenization mechanism.................................................................................................... 129 MATERIAL SCIENCE Usanova O.Yu., Ryazantseva A.V., Vakhrusheva M.Yu., Modina M.A., Kuznetsova Yu.S. Improving the performance characteristics of grey cast iron parts via ion implantation.......................................................................... 143 Abdelaziz K., Saber D. Fabrication and characterization of Al-7Si alloy matrix nanocomposite by stir casting technique using multi-wall thickness steel mold................................................................................................................ 155 Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R., Pal S., Gaikwad Y.M. DLP 3D printing and characterization of PEEK-acrylate composite biomaterials for hip-joint implants....................................................................................................................... 172 Prudnikov A.N., Galachieva S.V., Absadykov B.N., Sharipzyanova G.Kh., Tsyganko E.N., Ivancivsky V.V. Eff ect of deformation thermocyclic treatment and normalizing on the mechanical properties of sheet Steel 10.......................... 192 Bhanavase V., Jogi B.F., Dama Y.B. Wear behavior study of glass fi ber and organic clay reinforced poly-phenylenesulfi de (PPS) composites material........................................................................................................................................ 203 EDITORIALMATERIALS 218 FOUNDERS MATERIALS 227 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 143 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Повышение эксплуатационных свойств деталей из серого чугуна с помощью ионной имплантации Ольга Усанова 1, a, Анна Рязанцева 1, b, *, Марина Вахрушева 2, c, Марина Модина 3, d, Юлия Кузнецова 3, e 1 Московский политехнический университет, ул. Б. Семеновская, 38, г. Москва, 107023, Россия 2 Братский государственный университет, ул. Макаренко, 40, г. Братск, 665709, Россия 3 Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, пр. Ленина, 93, г. Новороссийск, 353924, Россия a https://orcid.org/0000-0002-4399-5074, olus2000@mail.ru; b https://orcid.org/0000-0002-6558-3089, rav300576@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0002-6118-9527, mvahr@yandex.ru; d https://orcid.org/0000-0003-2482-5472, marishamodina@yandex.ru; e https://orcid.org/0000-0002-1388-6125, julx@bk.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 1 с. 143–154 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.1-143-154 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.787.4:669.13 История статьи: Поступила: 30 сентября 2024 Рецензирование: 19 октября 2024 Принята к печати: 21 ноября 2024 Доступно онлайн: 15 марта 2025 Ключевые слова: Ионная имплантация Микроструктура Микродюрометрический анализ Фазовый состав Рентгеноструктурный анализ АННОТАЦИЯ Введение. Существует широкий спектр методов для улучшения свойств чугуна при помощи разнообразных технологий. Пример таких методов – нанесение защитного покрытия TiN, нормализация чугуна, нанесение диффузионных карбидсодержащих покрытий и др. Однако эти методы имеют недостатки: изменение размеров после обработки, слабое сцепление покрытия с материалом подложки. В нашей работе мы рассмотрели один из наиболее перспективных и современных методов – ионную имплантацию. Целью работы является изучение влияния имплантации с различными дозами ионов азота (для определения оптимального режима) для изменения поверхностных и механических свойств чугуна. Методы. Образцы чугуна были имплантированы ионами азота различными дозами для выбора наиболее оптимального режима (оптимальной дозы имплантированных ионов азота как нитридообразующего элемента). Исследована микроструктура поверхности образцов чугуна после обработки с помощью сканирующего электронного микроскопа «Стереоскан S-180» при увеличении 2900, 5000 крат. Выполнен микродюрометрический анализ образцов с помощью металлографического микроскопа Neophot-2, оснащенного приставкой для измерения микротвердости, при нагрузке 10 г после имплантации образцов чугуна различными дозами ионов азота. Был также осуществлен рентгеноструктурный анализ на дифрактометре ДРОН-3 для определения фазового состава и тонкой структуры модифицированных образцов чугуна. Результаты и обсуждение. Ионная имплантация образцов чугуна значительно повышает микротвердость. Так, в результате проведенных исследований установлено, что наилучшие механические свойства (микротвердость) наблюдаются у образцов чугуна после имплантации ионами N+ с дозой 5⋅1017 ион/см2 и энергией 40 КэВ. Рентгеноструктурный анализ показал, что в результате имплантации ионами азота образуются нитриты Fe2N и Fe3N, а также наблюдаются изменения в тонкой структуре (средняя плотность дислокации и величина блоков мозаики). Для цитирования: Повышение эксплуатационных свойств деталей из серого чугуна с помощью ионной имплантации / О.Ю. Усанова, А.В. Рязанцева, М.Ю. Вахрушева, М.А. Модина, Ю.С. Кузнецова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 1. – С. 143–154. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.1-143-154. ______ *Адрес для переписки Рязанцева Анна Владимировна, к.т.н., доцент Московский политехнический университет, ул. Б. Семеновская, 38, 107023, г. Москва, Россия Тел.: +7 967 114-12-30, e-mail: rav300576@mail.ru Введение Чугун обладает рядом свойств, делающих его незаменимым при изготовлении различных деталей [1], например поршневых колец, втулок, деталей турбин и др. Прочностные свойства дают возможность его использования для изготовления элементов, которые подвергаются большим нагрузкам, и деталей, выдерживающих воздействие воды и пара. Однако существует проблема улучшения поверхностных свойств чугуна (износостойкости, коррозионной стойкости и др.). Существует множество способов дополнительно улучшить свойства чугуна с помощью различных технологий [2–4], таких как нанесение защитного покрытия нитрида титана [5], нормализация чугуна [6], нанесение диффузионных карбидсодержащих покрытий [7] и др. Однако у этих методов есть недостаток: плохое
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 144 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ сцепление покрытия с материалом подложки (чугуном) [8–10]. Для улучшения свойств чугуна и усиления его поверхности, а также для создания качественного сцепления между поверхностным слоем и основным материалом предлагается применить метод ионной имплантации [11–13]. Ионная имплантация – это технология, которая позволяет изменять свойства материалов, «бомбардируя» их поверхность высокоэнергетическими ионами. В случае чугуна в качестве «снарядов» используются ионы различных элементов, которые встраиваются в его поверхностный слой. В результате ионной имплантации образуется не просто покрытие, а глубоко измененный сплав с переменным составом. Этот сплав отличается от обычных покрытий отсутствием четкой границы между исходным материалом и модифицированным слоем. Вместо резкого перехода мы видим плавное изменение состава и свойств в глубину материала. Такое плавное изменение состава дает возможность достигать более равномерного распределения улучшенных свойств по глубине модифицированного слоя. Исследования показывают, что толщина такого измененного слоя может достигать 150…200 мкм, что делает ионную имплантацию отличным инструментом для повышения износостойкости и прочности деталей [14, 15]. Использование метода ионной имплантации обеспечивает улучшение механических свойств материала, увеличивая его твердость, прочность и износостойкость. Этот процесс также способствует улучшению адгезии между поверхностным слоем и основным материалом, что повышает стойкость к коррозии и воздействию внешних факторов [16–18]. Ионная имплантация широко применяется в промышленности для модификации свойств различных материалов, таких как различные стали и сплавы, включая чугун. Этот метод является эффективным способом улучшения качества поверхности и общих характеристик материала, что делает его привлекательным для использования в различных отраслях, где требуется повышение износостойкости, твердости, усталостной прочности, коррозионной стойкости и других поверхностных свойств материалов [19–22]. Ионная имплантация, несмотря на свою эффективность, не лишена определенных сложностей. Одна из ключевых проблем заключается в непредсказуемости ее результатов. В отличие от других методов обработки материалов, где влияние параметров на свойства легко моделируется, ионная имплантация характеризуется значительной вариабельностью результатов. Это обусловлено тем, что в процессе имплантации ионы взаимодействуют с материалом на атомном уровне, а их поведение под воздействием разных условий может быть довольно сложным. До сих пор не существует универсальной модели, которая бы полностью описывала механизм упрочнения от ионной имплантации и позволяла с точностью предсказывать результат. Часто оказывается, что ионы ведут себя не в соответствии с предполагаемыми закономерностями, что приводит к необходимости тщательной экспериментальной проверки каждого конкретного случая [23]. Однако необходимо отметить, что успешность процесса зависит от технологических параметров, таких как доза и энергия ионов. Несмотря на сложности, связанные с предсказуемостью и результатами процесса, ионная имплантация остается важным методом для улучшения свойств материалов и создания новых функциональных поверхностей. Важно правильно выбирать технологические параметры для достижения желаемых результатов и дальнейшего применения этого метода [24, 25]. Для решения проблемы упрочнения поверхностного слоя чугунных изделий и деталей необходимо провести предварительные исследования, которые покажут закономерности формирования структуры и свойств имплантированных поверхностей. Целью данной работы стало определение технологических параметров обработки поверхности заготовок из чугуна с помощью ионной имплантации (оптимальной дозы излучения и энергии пучка), позволяющих повысить прочностные свойства поверхностного слоя. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи. 1. Определен оптимальный режим ионной имплантации азота в серый чугун, установлена оптимальная доза излучения и энергия пучка для достижения максимальной прочности поверхностного слоя. 2. Изучено влияние ионной имплантации на микроструктуру серого чугуна. Проведен анализ изменений в микроструктуре, таких как раз-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 1 2025 145 MATERIAL SCIENCE дробление перлитных колоний, формирование диффузионного слоя и выгорание графитовых включений. 3. Проведена оценка изменения микротвердости поверхности чугуна после имплантации. Определена зависимость микротвердости от дозы имплантации и анализ ее распределения по глубине модифицированного слоя. 4. Определен фазовый состав и тонкая структура имплантированного слоя. Идентифицированы фазы, образующиеся в результате имплантации. Проведен анализ изменений в средней плотности дислокаций и величине блоков мозаики. Методика исследований Исследование микроструктуры опытного чугуна Микроструктуру имплантированного серого чугуна (типа СЧ20 перлитной структуры, химический состав приведен в табл. 1) изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа «Стереоскан S-180» с разрешающей способностью до 60 Å на образцах 10×10×10 мм (рис. 1) после травления в 3%-й HNO3. Образцы были вырезаны в направлении, перпендикулярном имплантированному слою, и исследовалась при увеличении ×2900, 5000. Т а л и ц а 1 Ta b l e 1 Состав чугуна The composition of cast iron Элемент С Si Мn Сr Р S Процентное содержание, % 3,45 2,2 0,8 0,32 0,1 0,12 тированному слою. Значения микротвердости по глубине слоя определялось как среднее арифметическое пяти измерений. Исследование фазового состава поверхности чугуна после имплантации Рентгеноструктурные исследования выполнялись на дифрактометре ДРОН-3. Рентгеновский анализ проводился в излучении СоКα. Известно, что собственно имплантированный слой в толщину составляет всего около 1000 Å [26–28]. Помимо специально применимых приборов съемки, задачу фазового анализа облегчило и то обстоятельство, что самые интенсивные линии фаз, ожидаемых в имплантированных слоях (нитриды, карбиды и др.), находятся в диапазоне малых углов отражения. В силу геометрии съемки на малых углах рентгеновские лучи проходят в поверхностном слое более длинный путь, чем на углах, близких к 90°, за счет чего увеличивается отражающий объем образующихся фаз. Несмотря на то что интенсивность дифракционных линий фаз в имплантированных слоях во много раз меньше интенсивностей линий матрицы, удалось провести идентификацию фаз. Исследование чугуна после имплантации методом микродюрометрии Для дюрометрических исследований использовали образцы, полученные при трех режимах обработки (с дозами 1017, 2⋅1017 и 5⋅1017 ион/см2 и с энергией имплантации 40 КэВ). Исследования проводили на приборе Neophot-2 (нагрузка составляла 10 г). Микротвердость измеряли в направлении от имплантированной поверхности к центру на образцах, вырезанных перпендикулярно импланРис. 1. Схема образца серого чугуна Fig. 1. Gray cast iron sample diagram
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 146 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Результаты и их обсуждение Микроструктура опытного чугуна Микроструктура имплантированных металлов и сплавов контролируется процессами, протекающими в любом пересыщенном твердом растворе, и специфическими эффектами, характерными для имплантированной поверхности металла. В результате ионной имплантации происходит не просто нанесение поверхностного покрытия, а глубокое изменение структуры материала. Вместо четкой границы между новым слоем и исходным материалом, как это бывает при обычном напылении, образуется переходная зона. В этой зоне состав материала постепенно меняется от исходного чугуна к модифицированному слою, обогащенному атомами азота. Этот изменяющийся состав создает градиент свойств, где твердость и другие механические характеристики плавно переходят от исходных значений к улучшенным параметрам, достигнутым благодаря ионной имплантации (рис. 2). Тем не менее из фотографий микроструктуры поверхностного слоя видно, что на поверхности имплантированного образца сформировался диффузионный слой толщиной около 400 мкм. В данном слое практически полностью отсутствуют графитовые включения. Они начинают появляться только в конце этого слоя и в небольшом количестве. В структуре серого чугуна происходит выгорание графита под воздействием ионов азота. Подобные результаты были получены и авторами работы [29]. В этой работе азотирование поверхности серого чугуна при других режимах также приводило к выгоранию включений графита в поверхностном слое образцов. Имплантация ионами азота (N+) в приповерхностную область серого чугуна приводит к существенным изменениям его микроструктуры. В первую очередь происходит раздробление и разориентация перлитных колоний, которые являются характерной особенностью микроструктуры серого чугуна. Микроструктура имплантированного чугуна представлена на рис. 3. Рис. 2. Микроструктура поверхностного слоя чугуна, имплантированного ионами N+ Fig. 2. Microstructure of the surface layer of cast iron implanted with N+ ions Рис. 3. Микроструктура поверхностного слоя чугуна, имплантированного ионами N+: а – 2⋅1017 ион/см2; б – 1⋅1017 ион/см2 Fig. 3. Microstructure of the surface layer of cast iron implanted with N+ ions: а – 2⋅1017 ion/cm2; б – 1⋅1017 ion/cm2 а а
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 1 2025 147 MATERIAL SCIENCE Т а л и ц а 2 Ta b l e 2 Результаты микродюрометрического анализа чугуна после имплантации Results of microdurometry analysis of cast iron after implantation Доза излучения, ион/см2 Значение твердости, МПа 0 2500 1017 18 500 2⋅1017 20 500 5⋅1017 24 000 Изменения в микроструктуре поверхностного слоя после ионной имплантации имеют решающее значение для определения различных свойств поверхности (микротвердости, износостойкости и др.). Микродюрометрический анализ чугуна после имплантации Микродюрометрический анализ показал, что в результате ионной имплантации происходит повышение микротвердости (табл. 2, рис. 4, 5, 6). Из табл. 2 и графиков (рис. 4, 5, 6) видно, что твердость у поверхности существенно возрастает и при удалении от поверхности постепенно понижается до 2500 МПа. Снижение происходит до значения, характерного для исходного состояния, до имплантации. Таким образом, максимальное значение микротвердости поверхности наблюдается у образцов после имплантации ионами азота с дозой 5⋅1017 ион/см2. Следовательно, это является оптимальной дозой ионной имплантации для образцов чугуна (типа СЧ20), что показано при данных условиях исследований. Увеличение микротвердости в приповерхностном слое связано с образованием в нем большого количества специфических радиационных дефектов – таких как, например, пары Френкеля, Рис. 4. Изменение микротвердости чугуна, имплантированного ионами азота с дозой 1017 ион/см2 Fig. 4. Change in microhardness of cast iron implanted with nitrogen ions at a dose of 1017 ion/cm2
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 148 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 5. Изменение микротвердости чугуна, имплантированного ионами азота с дозой 2⋅1017 ион/см2 Fig. 5. Change in microhardness of cast iron implanted with nitrogen ions at a dose of 2⋅1017 ion/cm2 Рис. 6. Изменение микротвердости чугуна, имплантированного ионами азота с дозой 5⋅1017 ион/см2 Fig. 6. Change in microhardness of cast iron implanted with nitrogen ions at a dose of 5⋅1017 ion/cm2 и образуемых фаз, в данном случае нитридов, которые, как известно, имеют высокое значение твердости (микротвердости). Анализируя полученные данные о твердости поверхностного слоя образцов и данные, полученные по результатам микроструктурного анализа (при различных мощностях излучения), можно увидеть, что толщина имплантированного слоя азота в наших образцах из серого чугуна напрямую зависит от дозы имплантации. Чем больше доза излучения, тем шире слой. Однако зависимость не носит линейный характер.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1