Том 27 № 2 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 № 2 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Сундуков С.К., Нигметзянов Р.И., Приходько В.М., Фатюхин Д.С., Кольдюшов В.К. Сравнение методов ультразвуковой обработки поверхностей, полученных послойным синтезом, на примере сплава Ti6Al4V............. 6 Кейт Н., Кулкарни А.П., Дама Й.Б. Сравнительная оценка трения и износа альтернативных материалов, используемых для производства фрикционных композиционных материалов тормозных систем................................ 29 Наумов С.В., Панов Д.О., Соколовский В.С., Черниченко Р.С., Салищев Г.А., Белинин Д.С., Лукьянов В.В. Влияние режимов аргонодуговой сварки на структуру и свойства сварных соединений из сплава ВТИ-4 (Ti2AlNb).............................................................................................................................................................................. 43 Джатти В.С., Сингараджан В., Сайятибрагим А., Джатти В.С., Кришнан М.Р., Джатти С.В. Улучшение характеристик электроэрозионной обработки сплавов NiTi, NiCu и BeCu с использованием многокритериального подхода на основе функции полезности........................................................................................................................... 57 Стельмаков В.А., Гимадеев М.Р., Никитенко А.В. Обеспечение точности формы отверстий, полученных при чистовой обработке методом растачивания............................................................................................................... 89 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Патил Н., Агарвал С., Кулкарни А.П., Сараф А., Ране М., Дама Й.Б. Экспериментальное исследование наноСОЖ на основе оксида графена при сверлении композиционного алюмоматричного материала, армированного частицами SiC, в условиях минимального количества смазочно-охлаждающей жидкости........................................ 103 Гимадеев М.Р., Стельмаков В.А., Никитенко А.В., Улисков М.В. Прогнозирование шероховатости поверхности при фрезеровании сфероцилиндрическим инструментом с использованием искусственной нейронной сети....................................................................................................................................................................................... 126 Осипович К.С., Сидоров Е.А., Чумаевский А.В., Никонов С.Н., Колубаев Е.А. Условия изготовления биметаллических образцов на основе железных и медных сплавов методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства.................................................................................................................................................. 142 Бабаев А.С., Савченко Н.Л., Козлов В.Н., Семёнов А.Р., Григорьев М.В. Работоспособность композиционной керамики Y-TZP-Al2O3 при сухом высокоскоростном точении термически упрочнённой стали марки 40Х........... 159 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Муратов К.Р., Мамадалиев Р.А. Морфологические изменения поверхности деформированной конструкционной стали в коррозионно-активной среде............................................................................................ 174 Черниченко Р.С., Панов Д.О., Наумов С.В., Кудрявцев Е.А., Салищев Г.А., Перцев А.С. Влияние гетерогенной структуры, сформированной деформационно-термической обработкой, на механическое поведение аустенитной нержавеющей стали...................................................................................................................................... 189 Панов Д.О., Черниченко Р.С., Наумов С.В., Кудрявцев Е.А., Салищев Г.А., Перцев А.С. Влияние холодной радиальной ковки на структуру, текстуру и механические свойства легкой аустенитной стали................................ 206 Дешпанде А., Кулкарни А.П., Анерао П., Дешпанде Л., Соматкар А. Комплексное численное и экспериментальное исследование трибологических характеристик композиционного материала на основе ПТФЭ.................. 219 Воронцов А.В., Панфилов А.О., Николаева А.В., Черемнов А.В., Княжев Е.О. Влияние ударной обработки на структуру и свойства никелевого сплава ЖС6У, полученного литьем и электронно-лучевым аддитивным производством............................................................................................................................................................................... 238 Мисоченко А.А. Мартенситные превращения в сплавах на основе TiNi в процессе прокатки с импульсным током..................................................................................................................................................................................... 255 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 270 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 279 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 03.06.2025. Выход в свет 16.06.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 35,0. Уч.-изд. л. 65,1. Изд. № 77. Заказ 150. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 2 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. 2 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. 2 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Sundukov S.K., Nigmetzyanov R.I., Prikhodko V.M., Fatyukhin D.S., Koldyushov V.K. Comparison of ultrasonic surface treatment methods applied to additively manufactured Ti-6Al-4V alloy................................................................ 6 Kate N., Kulkarni A.P., Dama Y.B. A comparative evaluation of friction and wear in alternative materials for brake friction composites............................................................................................................................................................... 29 Naumov S.V., Panov D.O., Sokolovsky V.S., Chernichenko R.S., Salishchev G.A., Belinin D.S., Lukianov V.V. Microstructure and mechanical properties of Ti2AlNb-based alloy weld joints as a function of gas tungsten arc welding parameters............................................................................................................................................................................. 43 Jatti V.S., Singarajan V., SaiyathibrahimA., Jatti V.S., KrishnanM.R., Jatti S.V. Enhancement of EDM performance for NiTi, NiCu, and BeCu alloys using a multi-criteria approach based on utility function................................................ 57 Stelmakov V.A., Gimadeev M.R., Nikitenko A.V. Ensuring hole shape accuracy in fi nish machining using boring...... 89 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Patil N., Agarwal S., Kulkarni A.P., Saraf A., Rane M., Dama Y.B. Experimental investigation of graphene oxide-based nano cutting fl uid in drilling of aluminum matrix composite reinforced with SiC particles under nano-MQL conditions............................................................................................................................................................................. 103 Gimadeev M.R., Stelmakov V.A., Nikitenko A.V., Uliskov M.V. Prediction of surface roughness in milling with a ball end tool using an artifi cial neural network................................................................................................................. 126 Osipovich K.O., Sidorov E.A., Chumaevskii A.V., Nikonov S.N., Kolubaev E.A. Manufacturing conditions of bimetallic samples based on iron and copper alloys by wire-feed electron beam additive manufacturing......................... 142 Babaev A.S., Savchenko N.L., Kozlov V.N., Semenov A.R., Grigoriev M.V. Performance of Y-TZP-Al2O3 composite ceramics in dry high-speed turning of thermally hardened steel 0.4 C-Cr (AISI 5135)...................................................... 159 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Muratov K.R., Mamadaliev R.A. Morphological changes of deformed structural steel surface in corrosive environment......................................................................................................................................................... 174 Chernichenko R.S., Panov D.O., Naumov S.V., Kudryavtsev E.A., Salishchev G.A., Pertsev A.S. Eff ect of heterogeneous structure on mechanical behavior of austenitic stainless steel subjected to novel thermomechanical processing............................................................................................................................................................................. 189 Panov D.O., Chernichenko R.S., Naumov S.V., Kudryavtsev E.A., Salishchev G.A., Pertsev A.S. Eff ect of cold radial forging on structure, texture and mechanical properties of lightweight austenitic steel................................................ 206 Deshpande A., Kulkarni A.P., Anerao P., Deshpande L., Somatkar A. Integrated numerical and experimental investigation of tribological performance of PTFE based composite material.................................................................... 219 Vorontsov A.V., Panfi lov A.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.V., Knyazhev E.O. Eff ect of impact processing on the structure and properties of nickel alloy ZhS6U produced by casting and electron beam additive manufacturing........ 238 Misochenko A.A. Martensitic transformations in TiNi-based alloys during rolling with pulsed current........................... 255 EDITORIALMATERIALS 270 FOUNDERS MATERIALS 279 CONTENTS
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 2 2025 219 MATERIAL SCIENCE Комплексное численное и экспериментальное исследование трибологических характеристик композиционного материала на основе ПТФЭ Абхиджит Дешпанде 1, a, *, Атул Кулкарни 2, b, Прашант Анерао 2, c, Лина Дешпанде 1, d, Авинаш Соматкар 1,e 1 Институт информационных технологий Вишвакармы, Кондва (Бадрек), Махараштра, Пуне - 411048, Индия 2 Технологический институт Вишвакарма, Пуна, Махараштра, 411037, Индия a https://orcid.org/0000-0001-8956-3093, abhijeet.deshpande@viit.ac.in; b https://orcid.org/0000-0002-6452-6349, atul.kulkarni@vit.edu; c https://orcid.org/0000-0003-0353-7420, prashant.anerao@vit.edu, d https://orcid.org/0000-0001-7426-2028, leena.deshpande@viit.ac.in; e https://orcid.org/0000-0002-2885-2104, avinash.somatkar@viit.ac.in Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 2 с. 219–237 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.2-219-237 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 678.073 История статьи: Поступила: 22 января 2025 Рецензирование: 17 февраля 2025 Принята к печати: 27 марта 2025 Доступно онлайн: 15 июня 2025 Ключевые слова: Экологичное производство Композиты и возобновляемость ресурсов Конечно-элементный анализ (КЭА) Стекло Углерод ПТФЭ (PTFE) Характеристики износа АННОТАЦИЯ Введение. Одними из наиболее значимых явлений в каждой отрасли промышленности оказываются трение и износ, которые неизбежно возникают при относительном движении между однородными или разнородными материалами. Считается, что значительная доля мирового производства энергии расходуется на преодоление трения и износа, это делает их важнейшими факторами в энергоэффективности и устойчивости. В последнее время благодаря достижениям в материаловедении, технологиях смазочных материалов и инновационным методам проектирования удалось значительно снизить трение и износ, что ведет к существенной экономии энергии и увеличению срока службы компонентов. Политетрафторэтилен (ПТФЭ), среди прочих материалов, произвел революцию в трибологической отрасли, став высокоэффективным синтетическим полимером. Это обусловлено его выдающимися свойствами, такими как низкий коэффициент трения, химическая инертность, термическая стабильность, антипригарные свойства и биосовместимость. Эти уникальные свойства делают ПТФЭ идеальным материалом для различных промышленных применений, от аэрокосмической отрасли до биомедицинской. Цель работы: проведение комплексного численного и экспериментального исследования трибологических свойств композита на основе ПТФЭ. В качестве исследуемых материалов выбраны чистый ПТФЭ, ПТФЭ с 25 % С, и ПТФЭ с 20 % стекла. Испытания проводили, применяя в качестве контртела нержавеющую сталь (SS 304). Трибологические испытания и последующую оценку осуществляли в условиях сухого трения скольжения с учетом ключевых параметров, таких как нагрузка, скорость трения и температура. Разработку эмпирической модели, использующей экспериментальные данные для прогнозирования износостойкости этих материалов, проводили с помощью методологии поверхности отклика (МПО). Эмпирические модели разрабатывали для понимания влияния параметров процесса на поведение при износе и для оптимизации условий эксплуатации с целью минимизации потери материала. Методы исследования. В качестве теоретической основы для прогнозирования потери объема и удельной скорости износа на основе численного моделирования применяли модель износа Арчарда. Коэффициент износа (K) определяли в ходе экспериментальных испытаний и использовали в качестве входного параметра в численных моделях. Численное моделирование разрабатывали с помощью программного обеспечения для конечно-элементного анализа ANSYS, что позволяло моделировать сложные трибологические взаимодействия между композиционными материалами и контртелом. Для структурирования экспериментов использовали центральный композиционный ротатабельный план (CCRD) в рамках МПО, эксперименты проводили в условиях сухого трения скольжения по схеме «палец – диск». В качестве входных параметров для экспериментов выбраны нагрузка (от 15 до 200 Н), скорость трения (от 400 до 1000 об/мин) и температура (от 60 до 200 °C). Каждый эксперимент выполнялся на протяжении 5 км скольжения, чтобы обеспечить достаточный износ для анализа. Для каждого материала проводили в общей сложности 20 экспериментов, что обеспечило полный набор данных для статистического анализа и проверки модели. Результаты и обсуждение. Результаты исследования подчеркивают эффективность численного моделирования в прогнозировании износостойкости композитов на основе ПТФЭ в условиях сухого трения скольжения. Экспериментальные исследования показывают, что чистый ПТФЭ обладает низкой механической прочностью, что приводит к высокой скорости износа, в то время как ПТФЭ с добавками углерода и стекла демонстрирует улучшенные характеристики износостойкости. Добавление углерода в ПТФЭ повышает характеристики композита, формируя на контртеле стабильную пленку переноса, тогда как добавление стекла способствует увеличению твердости и, как следствие, уменьшению потерь материала. Эмпирические модели, разработанные с использованием методологии поверхности отклика (МПО), подтверждают, что наиболее значимым параметром, влияющим на износ, является приложенная к пальцу нагрузка, за которой следуют скорость трения и температура. Численное моделирование на основе модели износа Арчарда хорошо согласуется с экспериментальными данными, подтверждая точность численного моделирования. Данное исследование способствует углублению знаний об использовании композитов на основе ПТФЭ для увеличения срока службы и надежности промышленных изделий. Для цитирования: Комплексное численное и экспериментальное исследование трибологических характеристик композиционного материала на основе ПТФЭ / А. Дешпанде, А.П. Кулкарни, П. Анерао, Л. Дешпанде, А. Соматкар // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 2. – С. 219–237. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.2-219-237. ______ *Адрес для переписки Кулкарни Атул П., профессор Технологический институт Вишвакарма, Пуна, Махараштра, 411037, Индия Тел.: (+91) 9922914460, e-mail: atul.kulkarni@vit.edu
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 2 2025 220 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Введение В последние годы наблюдается растущая тенденция к замене металлов полимерами в трибологических системах. Это обусловлено рядом преимуществ, таких как самосмазывание, химическая инертность, низкая плотность и, в некоторых случаях, биосовместимость. Данный переход стимулировал активную разработку высокоэффективных и экономически привлекательных полимерных композиционных материалов. Политетрафторэтилен (ПТФЭ) занимает лидирующие позиции среди полимерных материалов, востребованных в горнодобывающей, автомобильной, аэрокосмической, электротехнической и электронной промышленности [1]. Благодаря уникальному сочетанию свойств, включая низкий коэффициент трения, исключительную химическую инертность, высокую термическую стабильность и антипригарные свойства, ПТФЭ эффективно снижает трение и износ, формируя тонкую переносную пленку на контактирующей поверхности. Это свойство в совокупности с термической и химической стабильностью делает ПТФЭ перспективным материалом для широкого спектра промышленных применений, требующих повышенной износостойкости [2]. Тем не менее эксплуатационные характеристики чистого ПТФЭ зачастую оказываются недостаточными для ряда трибологических задач. С целью улучшения механических и трибологических свойств исследователи активно изучают модификацию ПТФЭ путем введения различных наполнителей. Традиционно применяются такие наполнители, как углеродные материалы, стекловолокно, графит, бронза, дисульфид молибдена (MoS2), оксид алюминия, полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) и нитевидный титанат калия (PTW) [3]. В последнее время растет интерес к перспективным наполнителям, таким как полифениленоксид, полиэфирсульфон и полипарафенилен-терефталамидные (PPDT) волокна, и изучаются их потенциальные преимущества в модификации трибологических свойств ПТФЭ [4]. Углеродные наполнители получили широкое распространение благодаря способности значительно повышать износостойкость, прочность на растяжение, ударную вязкость и твердость полимерной матрицы [3]. Оптимальное улучшение свойств ПТФЭ достигается при введении углерода в концентрации от 15 до 30 % по объему [4]. Модификация ПТФЭ углеродом расширяет возможности его применения в условиях высоких нагрузок и температур. Аналогично введение стекловолокна в ПТФЭ приводит к повышению твердости, прочности на растяжение, допустимой нагрузки и износостойкости [5]. Композиты на основе ПТФЭ, армированные стекловолокном, демонстрируют повышенную устойчивость к деформации и стабильность размеров при высоких нагрузках и температурах [6], что обеспечивает их эффективное применение в качестве подшипников, уплотнений, прокладок и направляющих [7]. Добавление бронзы в концентрации от 40 до 60 % по объему также способствует повышению допустимой нагрузки, термической стабильности и износостойкости ПТФЭ [8]. Исследования показывают, что модификация ПТФЭ бронзой обеспечивает стабильность фрикционных характеристик и увеличивает срок службы компонентов, используемых в уплотнениях, подшипниках и втулках [9, 10]. Дальнейшее улучшение характеристик композита достигается при добавлении дисульфида молибдена (MoS2) в концентрации 5 % по объему, что делает такой композит перспективным для применения в автомобильной промышленности [11–13]. Известно, что трибологические характеристики полимерных композитов в значительной степени зависят от ряда эксплуатационных параметров, включая нормальную нагрузку, площадь контакта, скорость скольжения, топографию контртела и температуру [14–18]. Перечисленные параметры оказывают влияние на формирование на контртеле стабильной пленки переноса, что способствует снижению интенсивности взаимодействия контактирующих поверхностей и, как следствие, уменьшению износа [19]. Вместе с тем некоторые параметры, такие как температура и нагрузка, могут инициировать деградацию полимерной матрицы и таким образом оказывать негативное влияние на трибологическое поведение композита в определенных условиях эксплуатации. Следовательно, тщательное изучение и оптимизация данных параметров представляются необходимыми для достижения максимальных эксплуатационных характеристик композиционного материала [20]. Кроме
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 2 2025 221 MATERIAL SCIENCE того, очевидна взаимосвязь между указанными параметрами и фундаментальным явлением адгезии полимерных композиционных материалов, что, в свою очередь, отражается на их износостойкости. Традиционно экспериментальные методы являются основным инструментом оценки износа и трения материалов в трибологических исследованиях. Однако проведение таких исследований сопряжено со значительными временными и ресурсными затратами, а также ограничениями в отношении детального изучения факторов, определяющих механизмы износа. В качестве эффективного дополнения к экспериментальным исследованиям все чаще используется численное моделирование, в частности конечно-элементный анализ (КЭА) в сочетании с моделью износа Арчарда [21]. Подобные модели позволяют имитировать процессы изнашивания, прогнозировать трибологическое поведение материалов при различных эксплуатационных условиях и оптимизировать конструкцию материала на этапе проектирования, предваряющем проведение физических испытаний. Метод конечных элементов зарекомендовал себя как универсальный и мощный инструмент для моделирования износа. При моделировании динамических нагрузок и различных условий окружающей среды КЭА обеспечивает всесторонний анализ распределения напряжений, деформаций и развития износа [22], позволяя исследовать локальные явления изнашивания и углубленно изучать механизмы износа. Исследования показывают, что точность прогнозирования модели износа значительно возрастает при интеграции закона Арчарда в КЭА [23, 24]. В настоящей работе представлен численный подход, основанный на модели износа Арчарда, результаты которого верифицированы посредством экспериментального анализа. Исследовано трибологическое поведение трех композиционных материалов: чистого ПТФЭ (M1), ПТФЭ с 25%-м содержанием углерода (M2) и ПТФЭ с 20%-м содержанием стекловолокна (M3) в зависимости от таких эксплуатационных параметров, как нагрузка, скорость скольжения и температура. Целью исследования является также оценка прогностической способности предложенной численной модели для анализа износа. Материалы и методы Материалы Образцы были изготовлены методом компрессионного формования и получены от компании Innominds Engineering (Пуна, Махараштра, Индия). Геометрические параметры образцов (радиус 5 мм, длина 32 мм) были обеспечены путем механической обработки на станке с ЧПУ SimpleTurn 5075 (ACEMicromatic, Бангалор, Индия). Внешний вид полученных образцов представлен на рис. 1. Состав и физико-механические свойства исследованных композитов на основе ПТФЭ приведены в табл. 1. Известно, что оптимальная объемная доля углерода в композитах на основе ПТФЭ варьируется в диапазоне от 10 до 30 % в зависимости от конкретного промышленного применения. Однако в рамках а б в Рис. 1. Образцы для испытаний: а – M1; б – M2; в – M3 Fig. 1. Test specimen: а – M1; б – M2; в – M3
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 2 2025 222 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Свойства композиционного материала на основе ПТФЭ Properties of PTFE-based composite Свойства / Properties Номер стандарта ASTM / ASTM Code M1 M2 M3 Плотность, кг/м3 / Density (kg/m3) ASTM D 792 [16] 2160 2244 2147 Прочность при растяжении, МПа / Tensile strength (MPa) ASTM D 638 [16] 22,7 15,54 15,8 Прочность при сжатии, МПа / Compressive strength (MPa) ASTM D 638 [16] 4,32 15,46 14,32 Твёрдость по Шору D / Shore D hardness ASTM D 2240 [16] 49 65 61 настоящего исследования была выбрана 25%-я объемная концентрация углеродного наполнителя, обеспечивающая существенное повышение механических свойств, включая жесткость и прочность полимерной матрицы [9]. Данная концентрация также позволяет избежать агломерации наполнителя, его перегрузки и обеспечивает требуемую термическую стабильность, положительно влияющую на износостойкость материала. Аналогично введение 20 % (по объему) стекловолокна в ПТФЭ способствует повышению стабильности размеров за счет снижения эффектов ползучести и деформации под нагрузкой. Кроме того, упрочнение ПТФЭ стекловолокном повышает его химическую стойкость, расширяя возможности применения данного материала в агрессивных средах [16]. Экспериментальная методика Трибологические испытания проводили на трибометре по схеме трения скольжения «палец – диск» (Ducom Instruments Pvt. Ltd., Бангалор, Индия). Принцип работы установки заключается во вращении диска с постоянной скоростью при фиксированном положении образца, прижатого к диску с заданной нагрузкой. Износ материала образца (пальца) инициируется относительным движением между образцом и вращающимся диском. В качестве контртела использовали диск, изготовленный из аустенитной нержавеющей стали (SS 304), диаметром 165 мм и толщиной 8 мм. Среднее значение твердости поверхности диска составило 58 HRC, а среднее значение шероховатости – 1,8 мкм. Для непрерывной регистрации перемещения образца, коррелирующего с величиной износа, использовали линейный дифференциальный трансформатор (LVDT). Установка была оснащена дополнительными приспособлениями, такими как нагреватель образца и климатическая камера, позволяющими моделировать условия эксплуатации, приближенные к реальным. Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 2. На рис. 2, а, б и в показаны приспособление для нагрева образца, испытательная камера и контроллер с программным обеспечением соответственно. Технические характеристики установки позволяют проводить испытания в диапазоне нагрузок от 0 до 200 Н и диапазоне скоростей вращения от 200 до 2000 об/мин. Диаметр используемого образца может варьироваться от 3 до 10 мм. Точность измерений LVDT составляет ±1 % от измеренной величины износа (мкм), при этом минимальное измеряемое значение износа составляет 1 мкм, а максимальное – 1200 мкм. Предусмотрена возможность нагрева образца до температуры 400 °C. Диаметр дорожки износа варьируется в диапазоне от 55 до 154 мм, а в рамках настоящего исследования был зафиксирован на уровне 100 мм. Диаметр дорожки трения выбирался в соответствии со скоростью вращения диска для обеспечения заданных скоростей скольжения в согласно плану эксперимента CCRD (Central Composite Rotatable Design, центральный композиционный ротатабельный план). Использование данного плана позволяет обеспечить равномерную дисперсию прогноза в точках,
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1