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 155 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 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 Халед Абдельазиз 1, 2, a, Далия Сабер 1, 3, b, * 1 Кафедра материаловедения, Факультет машиностроения, Университет Загазига, Загазиг, 44519, Египет 2 Кафедра машиностроения, Инженерный колледж, Университет Таиф, Таиф, 21944, Саудовская Аравия 3 Программа промышленного инжиниринга, Кафедра машиностроения, Инженерный колледж, Университет Таиф, Таиф, 21944, Саудовская Аравия a https://orcid.org/0000-0001-9139-548X, kalidelaziz@gmail.com; b https://orcid.org/0000-0002-7349-1723, daliasaber13@yahoo.com Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 1 с. 155–171 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.1-155-171 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 539.2(075) История статьи: Поступила: 26 октября 2024 Рецензирование: 15 ноября 2024 Принята к печати: 28 декабря 2024 Доступно онлайн: 15 марта 2025 Ключевые слова: Металломатричные композиты (ММК) Толщина стенки литейной формы Наночастицы TiO2 Механические свойства АННОТАЦИЯ Введение. Сплав Al-7Si является одним из ключевых алюминиевых сплавов, поскольку обладает удачным сочетанием литейных и механических свойств. Металломатричные композиты (ММК), армированные керамическими частицами, находят широкое применение в высокотехнологичных отраслях, таких как военная, автомобилестроительная, аэрокосмическая и электротехническая промышленность. Целями данного исследования являются: (1) изучение возможности получения композиционных материалов на основе сплава Al-7Si, армированных различным количеством наночастиц TiO2, с применением метода механического замешивания; (2) исследование влияния толщины стенки литейной формы на микроструктуру и механические свойства сплава Al-7Si в процессе затвердевания; (3) анализ влияния содержания армирующего компонента на механические свойства и износостойкость полученных композиционных материалов. Методология. Методом механического замешивания были изготовлены металломатричные композиционные материалы на основе сплава Al-7Si, содержащие 0, 2, 4 и 6 масс. % наночастиц TiO2. Для металлографических и механических испытаний были подготовлены цилиндрические образцы диаметром 15 мм и длиной 18 мм. Результаты и обсуждение. Установлено, что скорость затвердевания возрастает с увеличением толщины стенки литейной формы. Это приводит к росту скорости охлаждения и, как следствие, к формированию более мелкозернистой структуры. Микроструктура отливки демонстрирует изменение размера зерна от мелкого к крупному при переходе от внешней поверхности (прилегающей к внутренней стенке формы) к внутренней части отливки. В связи с этим микротвердость вблизи внутренней стенки формы оказывается выше. Измерения плотности показывают, что композиты с более высокой массовой долей армирующих частиц имеют большую пористость. В то же время результаты испытаний на твердость и износостойкость свидетельствуют о том, что увеличение содержания частиц TiO2 приводит к повышению твердости и значительному снижению скорости изнашивания композиционных материалов. Для цитирования: 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 // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 1. – С. 155–171. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.1-155-171. ______ *Адрес для переписки Сабер Далия, д.т.н., профессор Кафедра материаловедения, Факультет машиностроения, Университет Загазига, 44519, Загазиг, Египет Тел.: 0096645355163, e-mail: daliasaber13@yahoo.com Введение Композиционные материалы с металлической матрицей (ММК), в особенности на основе алюминиевых сплавов, в последние годы привлекают все большее внимание автомобильной и аэрокосмической промышленности [1–3]. Среди матричных материалов для ММК наиболее тщательно изучены сплавы систем Al-Si и Al-Cu [4–7]. Автомобильная и авиационная отрасли, проявляя особый интерес к трибологическим характеристикам, все чаще используют алюминиевые сплавы, упрочненные керамическими частицами [8, 9]. В качестве упрочняющих компонентов алюмоматричных композитов широко применяются различные материалы, включая карбиды, нитриды, бориды, оксиды и интерметаллиды [10, 11]. Существуют три основных
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 156 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ подхода к изготовлению подобных композитов: твердофазные, жидкофазные и полужидкофазные методы [12–14]. Для ММК, упрочненных частицами, наиболее часто используемым является метод перемешивания расплавленного металла. Чтобы достичь однородного перемешивания, этот метод предполагает регулирование ряда производственных параметров, таких как температура расплавленного металла, время перемешивания, непрерывная и равномерная скорость частичной подачи в смесь упрочняющего компонента и скорость перемешивания [13]. Метод перемешивания расплавленного металла имеет ряд преимуществ, включая простоту, низкие затраты на обработку, легкий контроль над структурой матрицы и производство изделий, близких к окончательной форме. Однако существенной проблемой, возникающей при использовании этого метода, является низкая смачиваемость керамических частиц, требующая специальных мер для обеспечения надлежащего соединения между упрочняющими частицами и матрицей. Решение этой проблемы необходимо для достижения качественного соединения компонентов и улучшения эксплуатационных характеристик композиционных материалов [3, 9]. TiO2 является ярким примером керамического материала, широко используемого в ММК и обладающего большим потенциалом в качестве упрочняющего компонента алюминиевых композитов. Алюминиевые сплавы, упрочненные TiO2, характеризуются повышенной твердостью, что делает их перспективными для широкого спектра применений, включая электронные устройства, автомобильные детали и компоненты аэрокосмической техники. Улучшенные механические свойства материала обеспечивают повышенную стабильность и долговечность в сложных условиях эксплуатации, таких как высокие температуры и агрессивные среды. Подтверждено, что введение TiO2 в алюминий эффективно улучшает механические свойства и твердость алюминиевых сплавов, расширяя возможности их применения [4, 15–17]. В исследовании Нассара и др. (Nassar et al.) оценены механические, трибологические и структурные характеристики нанокомпозита Al/TiO2, полученного методом порошковой металлургии. Результаты показали равномерное распределение наночастиц TiO2 в алюминиевой матрице и незначительную пористость. Установлено, что с увеличением содержания наноразмерного TiO2 повышается предел текучести, износостойкость, предел прочности и твердость нанокомпозита [2]. Следует отметить, что TiO2, как и большинство керамических материалов, характеризуется плохой смачиваемостью расплавленным алюминием [18–20]. Для решения этой проблемы разработаны различные методы улучшения смачивания армирующих частиц матрицей. К ним относятся добавление реакционно-активных элементов, таких как магний, термообработка керамических частиц и нанесение металлических покрытий [4, 19]. На скорость охлаждения отливки влияют такие факторы, как толщина стенок формы, температура заливки и теплоаккумулирующая способность литейной формы [21–23]. Повышение скорости охлаждения оказывает значительное влияние на структуру литого материала, приводя к измельчению зерна и изменению структуры матрицы [24, 25]. Это, в свою очередь, влияет на механические характеристики и повышает склонность к отбелу, что приводит к увеличению твердости, но может снизить прочность и ухудшить обрабатываемость отливок. Эвтектоидное превращение, происходящее после затвердевания, также оказывает влияние на структуру литого сплава. Цель данного исследования – изучение влияния толщины стенок литейной формы в процессе затвердевания на микроструктуру и механические свойства матрицы сплава Al-7Si. Помимо этого, целью исследования является получение комплексного представления о свойствах и потенциале композиционных материалов на основе сплава Al-7Si, упрочненных частицами TiO2, для применения в высоконагруженных конструкциях. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: – исследовано влияние массовой доли упрочняющего компонента TiO2 на плотность, твердость и износостойкость композитов; – проведен металлографический анализ микроструктуры, формирующейся в сплаве Al-7Si после литья в стальную форму с различной толщиной стенок; – определены микротвердость и средний размер зерна в полученных образцах сплава, отлитых в стальные формы с различной толщиной стенок.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 1 2025 157 MATERIAL SCIENCE Методы В качестве материала матрицы композитов в данном исследовании использовался доэвтектический сплав Al-7Si. Химический состав сплава приведен в табл. 1. Упрочняющим компонентом служили частицы TiO2 со средним размером около 80 нм. На рис. 1 представлены результаты рентгенофазового анализа (РФА) нанопорошка TiO2, использованного в качестве упрочняющего материала. Массовая доля наночастиц TiO2 варьировалась и составляла 0, 2, 4 и 6 %. Композиционные материалы получали с использованием специально разработанной электрической муфельной печи, что существенно облегчило процесс их получения. На рис. 2 представлена схема процесса изготовления образцов из сплава Al-7Si и нанокомпозитов. Для проведения эксперимента 400 г сплава Al-7Si загружали в тигель, который затем помещали в электрическую печь сопротивления. Для изготовления образцов, предназначенных для исследования влияния толщины стенок формы на структуру и свойства, расплав сплава Al-7Si заливали в формы из низкоуглеродистой стали с толщиной стенок 8, 12 и 29 мм. Образцы нанокомпозитов с матрицей из сплава Al-7Si и частицами TiO2 в качестве упрочняющего материала изготавливали с использованием отдельной стальной формы с толщиной стенки 7,5 мм, как показано на рис. 2. Частицы Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав сплава A356, использованного в качестве матрицы в ММК Chemical composition of A356 alloy used as the matrix in the MMCs Химический состав элементов, % Al Si Mg Mn Cu Zn Ni Fe Осн. 7,1 0,5 0,01 0,316 0,04 0,01 0,14 Рис. 1. Результат качественного рентгенофазового анализа нанодиоксида титана (TiO2) Fig. 1. Result of qualitative XRD analysis of nano-titanium oxide (TiO2)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 158 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 2. Блок-схема и схематическое изображение, демонстрирующие последовательность этапов изготовления в рамках настоящего исследования Fig. 2. Flowchart and schematic representation detailing the fabrication sequence of the present study TiO2 вводили в расплав с постоянной скоростью 5 г/мин. После завершения подачи частиц расплав перемешивали в течение 5 минут со скоростью 450 об/мин. Для повышения смачиваемости между упрочняющим компонентом и матрицей в расплав добавляли 1 % магния. Частицы TiO2 перед введением в расплав подвергали предварительному нагреву при температуре 700 °C в течение 2 часов, что способствовало улучшению их смачиваемости. После изготовления литые образцы были подготовлены для дальнейшего изучения механических свойств и микроструктуры. Для подготовки металлографических шлифов образцы подвергали последовательной шлифовке и полировке, используя абразивную бумагу SiC с зернистостью от 150 до 1200. Для выявления микроструктурных составляющих образцы травили раствором, содержащим 75 мл HCl, 25 мл HNO3, 5 мл HF и 25 мл H2O. Для анализа микроструктуры поверхности образцов использовалась оптическая микроскопия и сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Определение размера зерна проводили в соответствии со стандартом ASTM E112. Микротвердость измеряли на микротвердомере VHS-1000 при нагрузке 100 г, используя шлифованные и полированные образцы. Испытания на износ проводили на машине трения по схеме «стержень – диск». Образцы подвергались нагрузкам 10 и 20 Н при скольжении по стальному диску диаметром 200 мм со скоростью 1 м/с при длине пути трения 350 м и 700 м. Объемная плотность композитов с матрицей из сплава Al-7Si, упрочненных частицами TiO2, определяли методом Архимеда. Теоретическая плотность рассчитывалась по правилу смесей, исходя из массовой доли частиц TiO2. Пористость композитов определяли путем сравнения экспериментальной и теоретической плотности для каждого образца. Твердость композитов оценивали методом Виккерса. Результаты и их обсуждение На рис. 3 представлены результаты анализа сплава Al-7Si в литом состоянии методами СЭМ и ЭДС. Из рис. 3, a, в видно, что микроструктура матричного сплава состоит из первичных ден-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 1 2025 159 MATERIAL SCIENCE а в б г Рис. 3. Анализ сплава с Al-Si-матрицей методами СЭМ/ЭДС: а, в – микроструктура; б, г – ЭДС-анализ дендритов α-Al и междендритных областей в (а) и (в) соответственно Fig. 3. SEM/EDS analysis on the Al-Si alloy-matrix: a, в – microstructure; б, г – EDS of α-Al dendrites and inter-dendritic regions in (a), (в) respectively дритов α-Al и междендритных областей, которые представляют собой либо усадочные поры, либо эвтектическую фазу, обогащенную кремнием. Вышеупомянутые фазы в микроструктуре отражены в спектре и массовых долях элементов в различных областях, показанных на рис. 3. Микроструктура сплава Al-7Si с различной толщиной стенок формы и скоростью охлаждения представлена на рис. 4–6. Из этих рисунков видно, что с увеличением скорости охлаждения как α-Al, так и эвтектический кремний становятся более мелкими. Для создания различных условий охлаждения при кристаллизации использовалась ступенчатая форма с тремя различными толщинами стенок: 29, 12 и 8 мм (рис. 4–6). Установлено, что толщина стенки формы оказывает существенное влияние на микроструктуру литого сплава Al-7Si. Как видно из представленных микрофотографий, увеличение толщины стенки формы приводит к измельчению микроструктуры сплава. Это, вероятно, обусловлено тем, что с увеличением толщины стенки металлической формы возрастает скорость отвода тепла и, соответственно, скорость охлаждения. Условия охлаждения, как известно, оказывают влияние на степень измельчения зерна. Быстрая кристаллизация способствует формированию мелкозернистой структуры с равномерным распределением зерен, в то время как медленная кристаллизация приводит к образованию крупных зерен [27]. На рис. 7 показано влияние толщины стенки формы на размер зерна в литом сплаве. При увеличении толщины стенки формы
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 160 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б Рис. 4. Микроструктура отливки, затвердевшей в стальной форме с толщиной стенки 29 мм, на расстоянии 9 мм от поверхности стенки формы (а), 4 мм от поверхности стенки формы (б) Fig. 4. The microstructure of the casting solidifi ed in 29 mm wall thickness steel mold at; (a) distance of 9 mm from mold wall surface, (б) distance of 4 mm from mold wall surface а б Рис. 6. Микроструктура отливки, затвердевшей в стальной форме с толщиной стенки 8 мм, на расстоянии 9 мм от поверхности стенки формы (а), 4 мм от поверхности стенки формы (б) Fig. 6. The microstructure of the casting solidifi ed in 8 mm wall thickness steel mold at; (a) distance 9 mm from mold wall surface, (б) distance 4 mm from mold wall surface а б Рис. 5. Микроструктура отливки, затвердевшей в стальной форме с толщиной стенки 12 мм, на расстоянии 9 мм от поверхности стенки формы (а), 4 мм от поверхности стенки формы (б) Fig. 5. The microstructure of the casting solidifi ed in 12 mm wall thickness steel mold at; (a) distance 9 mm from mold wall surface, (б) distance 4 mm from mold wall surface
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 1 2025 161 MATERIAL SCIENCE 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 4 8 12 16 20 24 28 32 ɋɪɟɞɧɢɣ ɪɚɡɦɟɪ ɡɟɪɧɚ, ɦɤɦ Ɍɨɥɳɢɧɚ ɫɬɟɧɤɢ ɫɬɚɥɶɧɨɣ ɮɨɪɦɵ, ɦɦ At distance 4mm from internal mold wall At distance 9mm from internal mold wall ɧɚ ɪɚɫɫɬɨɹɧɢɢ 4 ɦɦ ɨɬ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬɢ ɫɬɟɧɤɢ ɮɨɪɦɵ ɧɚ ɪɚɫɫɬɨɹɧɢɢ 9 ɦɦ ɨɬ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬɢ ɫɬɟɧɤɢ ɮɨɪɦɵ с 8 до 29 мм средний размер зерна на расстоянии 9 мм от внешней поверхности уменьшается с 63 до 34 мкм. На расстоянии 4 мм от внешней поверхности средний размер зерна уменьшается с 48 до 28 мкм. Таким образом, скорость кристаллизации оказывает определяющее влияние на степень измельчения зерна, что объясняет влияние толщины стенки формы на микроструктуру и размер зерна [28–30]. Канг и др. (Kang et al.) [31] исследовали влияние скорости охлаждения на механические свойства и микроструктуру сплавов Al-7Si. Согласно полученным данным, увеличение скорости охлаждения приводит к большему переохлаждению, что способствует уменьшению критического радиуса зародыша. В результате облегчается процесс зародышеобразования. Однако в условиях высокой скорости охлаждения мелким зернам не хватает времени, чтобы вырасти. Увеличение скорости охлаждения способствует формированию более мелкой микроструктуры. Зародышеобразование при небольшом переохлаждении протекает легче. При затвердевании поверхности формируется большое количество зародышей, которые растут впереди фронта кристаллизации. Увеличение количества центров кристаллизации приводит к формированию более мелкой структуры с большим количеством зерен. При кристаллизации отливки среднего размера фронт кристаллизации перемещается от поверхности к центру. В результате формируется однородная мелкозернистая структура по всему сечению. Значения микротвердости возрастают с увеличением толщины стенки литейной формы изза высокой скорости охлаждения поверхности отливки вблизи стенки. На рис. 8 показана зависимость значений микротвердости отливок от толщины стенки стальной формы. Из этого рисунка видно, что микротвердость сплава Al-7Si при толщине стенки формы 29 мм (вблизи стенки формы) составила 95 HV. На расстоянии 9 мм от внутренней стенки формы микротвердость снизилась до 89 HV. Каждое значение усреднено по четырем измерениям. Отливка с толщиной стенки 8 мм имела микротвердость 78 HV вблизи стенки формы и 74 HV вблизи центра образца. Как видно из рис. 4 и 6, увеличение среднего размера зерна может быть причиной снижения микротвердости с уменьшением толщины стенки. Из-за низкой скорости охлаждения микроструктура сплава, полученного в форме с минимальной толщиной стенки, характеризуется более крупным зерном, тогда как в отливках, полученных в формах с большей толщиной стенки, зерно мельче вследствие более интенсивного отвода тепла. Уменьшение скорости охлаждения приводит к ухудшению свойств и структуры сплава, а также к увеличению междендритного расстояния и снижению эффективности процессов измельчения и модифицирования зерна [32, 33]. На скорость кристаллизации и структуру сплава, включая размер частиц вторичных фаз, Рис. 7. Средний размер зерна отливок в зависимости от толщины стенки стальной формы Fig. 7. Average grain size for the castings versus steel mold wall thickness 50 60 70 80 90 100 110 4 8 12 16 20 24 28 32 Ɂɧɚɱɟɧɢɹ ɦɢɤɪɨɬɜɟɪɞɨɫɬɢ Ɍɨɥɳɢɧɚ ɫɬɟɧɤɢ ɫɬɚɥɶɧɨɣ ɮɨɪɦɵ, ɦɦ At distance 4mm from internal mold wall At distance 9mm from internal mold wall ɧɚ ɪɚɫɫɬɨɹɧɢɢ 4 ɦɦ ɨɬ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬɢ ɫɬɟɧɤɢ ɮɨɪɦɵ ɧɚ ɪɚɫɫɬɨɹɧɢɢ 9 ɦɦ ɨɬ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬɢ ɫɬɟɧɤɢ ɮɨɪɦɵ Рис. 8. Значения микротвердости отливок в зависимости от толщины стенки стальной формы Fig. 8. Microhardness values of the castings versus steel mold wall thickness
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1