Том 27 № 3 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 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 № 3 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кондратьев В.В., Гозбенко В.Е., Кононенко Р.В., Константинова М.В., Гусева Е.А. Определение основных параметров контактной точечной сварки алюминиевого сплава АМг-5....................................................................... 6 Гвинджилия В.Е., Фоминов Е.В., Марченко А.А., Лавренова Т.В., Дебеева С.А. Влияние скорости резания на импульсные изменения температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА.......................................................................................................................................................................... 23 Карелин Р.Д., Комаров В.С., Черкасов В.В., Осокин А.А., Сергиенко К.В., Юсупов В.С., Андреев В.А. Получение прутков и листов из сплава TiNiHf с высокотемпературным эффектом памяти формы методами продольной прокатки и ротационной ковки................................................................................................................................... 37 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства виброакустической эмиссии в системах диагностики износа режущего инструмента................................................................................................. 50 Жуков А.С., Ардашев Д.В., Батуев В.В., Кулыгин В.Л., Шулежко Е.И. Модальный анализ шлифовальных кругов различных характеристик для определения их интегральных упругих показателей....................................... 71 Нишандар С.В., Пайс А.Т., Багаде П.М. Численное и экспериментальное исследование интенсификации теплообмена в трубах с шероховатой поверхностью....................................................................................................... 87 Носенко В.А., Ривас Перес Д.Э., Александров А.А., Саразов А.В. Влияние способа измельчения на коэффициент формы зерен карбида кремния черного................................................................................................................. 108 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Исследование процесса поверхностного обезуглероживания стали 20 после цементации и термической обработки.............................................................................................. 122 Ковалевская Ж.Г., Лю Ю. Влияние термической обработки на строение и свойства высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................... 137 Сирота В.В., Прохоренков Д.С., Чуриков А.С., Подгорный Д.С., Алфимова Н.И., Коннов А.В. Коррозионные свойства покрытий из самофлюсующихся порошков, полученных методом детонационного напыления........ 151 Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю., Семенчук Н.А. Влияние структурного состояния на механические и трибологические свойства бронзы системы Cu-Al-Si-Mn.......................................................................... 166 Вахеед Ф., Каюм А., Ширази М.Ф. Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности............................................................... 183 Долгова С.В., Маликов А.Г., Голышев А.А., Никулина А.А. Особенности строения градиентных слоев «сталь – Inconel – сталь», полученных методом прямого лазерного выращивания..................................................... 205 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Влияние гранулометрии порошка карбида вольфрама на характеристики металлокерамических покрытий WC/Fe-Ni-Al............................................................................... 221 Патил С., Чинчаникар С. Исследование механических свойств нанокомпозитов на основе сплава Al7075-T6, полученных методом механического замешивания частиц в расплав, с микроструктурным и фрактографическим анализом поверхности........................................................................................................................................................ 236 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 252 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 263 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 08.09.2025. Выход в свет 15.09.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 33,0. Уч.-изд. л. 61,38. Изд. № 121. Заказ 199. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 3 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. 3 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 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. 3 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kondratiev V.V., Gozbenko V.E., Kononenko R.V., Konstantinova M.V., Guseva E.A. Determination of the main parameters of resistance spot welding of Al-5 Mg aluminum alloy..................................................................................... 6 Gvindjiliya V.E., Fominov E.V., Marchenko A.A., Lavrenova T.V., Debeeva S.A. Infl uence of cutting speed on pulse changes in the temperature of the front cutter surface during turning of heat-resistant steel 0.17 C-Cr-Ni-0.6 Mo-V................................................................................................................................................................ 23 Karelin R.D., Komarov V.S., Cherkasov V.V., OsokinA.A., Sergienko K.V., Yusupov V.S., Andreev V.A. Production of rods and sheets from TiNiHf alloy with high-temperature shape memory eff ect by longitudinal rolling and rotary forging methods.................................................................................................................................................................... 37 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of vibroacoustic emission in diagnostic systems for cutting tool wear................................................................................................................................................ 50 Zhukov A.S., Ardashev D.V., Batuev V.V., Kulygin V.L., Schuleshko E.I. Modal analysis of various grinding wheel types for the evaluation of their integral elastic parameters...................................................................................... 71 Nishandar S.V., Pise A.T., Bagade P.M. Numerical and experimental investigation of heat transfer augmentation in roughened pipes................................................................................................................................................................ 87 Nosenko V.A., Rivas Perez D.E., Alexandrov A.A., Sarazov A.V. The eff ect of the grinding method on the grain shape coeffi cient of black silicon carbide....................................................................................................................................... 108 MATERIAL SCIENCE Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Investigation of the process of surface decarburization of steel 20 after cementation and heat treatment.................................................................................................................................. 122 Kovalevskaya Z.G., Liu Y. Eff ect of heat treatment on the structure and properties of high-entropy alloy AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................. 137 Sirota V.V., Prokhorenkov D.S., Churikov A.S., Podgorny D.S., Alfi mova N.I., Konnov A.V. Corrosion properties of coatings produced from self-fl uxing powders by the detonation spraying method............................................................ 151 Filippov A.V., Shamarin N.N., Tarasov S.Yu., Semenchyuk N.A. The infl uence of structural state on the mechanical and tribological properties of Cu-Al-Si-Mn bronze............................................................................................................. 166 Waheed F., Qayoom A., Shirazi M.F. Fabrication, characterization and performance evaluation of zinc oxide doped nanographite material as a humidity sensor......................................................................................................................... 183 Dolgova S.V., Malikov A.G., Golyshev A.A., Nikulina A.A. Features of the structure of gradient layers «steel - Inconel - steel», obtained by laser direct metal deposition.................................................................................................. 205 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. The infl uence of tungsten carbide particle size on the characteristics of metalloceramic WC/Fe-Ni-Al coatings.................................................................................................... 221 Patil S., Chinchanikar S. Investigation on the mechanical properties of stir-cast Al7075-T6-based nanocomposites with microstructural and fractographic surface analysis...................................................................................................... 236 EDITORIALMATERIALS 252 FOUNDERS MATERIALS 263 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 221 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Влияние гранулометрии порошка карбида вольфрама на характеристики металлокерамических покрытий WC/Fe-Ni-Al Александр Бурков а, Максим Дворник b, Мария Кулик c, *, Александра Быцура d Хабаровский Федеральный исследовательский центр ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия a https://orcid.org/0000-0002-5636-4669, burkovalex@mail.ru; b https://orcid.org/0000-0002-1216-4438, maxxxx80@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0002-4857-1887, marijka80@mail.ru; d https://orcid.org/0009-0005-4750-7970, alex_btsr@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 3 с. 221–235 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-221-235 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669.018.8 История статьи: Поступила: 11 июня 2025 Рецензирование: 03 июля 2025 Принята к печати: 24 июля 2025 Доступно онлайн: 15 сентября 2025 Ключевые слова: Покрытие WC/Fe-Ni-Al Электроискровое легирование Коэффициент трения Жаростойкость Износ Нанопорошок WC Финансирование Работа выполнена в рамках государственного задания № 075-0039925-04. АННОТАЦИЯ Введение. Гранулометрия исходных порошков оказывает значительное влияние на твердость и прочность компактных металлокерамических материалов из карбида вольфрама (WC), однако это не исследовано при приготовлении покрытий WC/Fe-Ni-Al. Цель работы. Исследовать влияние гранулометрии исходного порошка WC, вводимого в нелокализованный электрод, на кинетику массопереноса, химический состав, структуру поперечных сечений покрытий WC/Fe-Ni-Al, их коррозионные и трибологические свойства. Методы. Осаждение покрытий WC/Fe-Ni-Al на сталь 45 проводилось методом электроискрового легирования с применением нелокализованного электрода, который состоял из железных гранул (Ø = 4 мм), порошков Ni и Al, а также порошков карбида вольфрама с различным размером зерен. По данным рентгенофазового анализа в составе приготовленных покрытий обнаруживаются карбид вольфрама, субкарбид вольфрама (W2C), интерметаллид Al86Fe14, ферроникель (FeNi) и ОЦК-фазы AlNi, AlFe. Результаты и обсуждение. Определено, что при повышении размера фракции порошка WC в электроде состав матрицы покрытий обогащался алюминием, тогда как концентрация железа снижалась с 60 до 30 ат. %. Показано, что наиболее низкие значения твердости, износостойкости и жаростойкости наблюдались для образца, полученного с использованием нанопорошка карбида вольфрама. Установлено, что микротвердость осажденных слоев находилась в диапазоне от 4,39 до 9,16 ГПа. Определено, что жаростойкость образцов с покрытиями при температуре 700 °С монотонно возрастала с ростом размера фракции порошка карбида вольфрама. В работе установлено, что применение порошка карбида вольфрама с размером фракций от 20 до 40 мкм обеспечивает наилучшие показатели твердости, износостойкости и жаростойкости покрытий WC/Fe-Ni-Al при температуре 700°С. Показано, что такие покрытия позволяют повысить жаростойкость стали 45 в 11,6 раза, а износостойкость в 44–80 раз, что открывает перспективы их применения в высокоинтенсивных приложениях. Для цитирования: Влияние гранулометрии порошка карбида вольфрама на характеристики металлокерамических покрытий WC/Fe-Ni-Al / А.А. Бурков, М.А. Дворник, М.А. Кулик, А.Ю. Быцура // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 3. – С. 221–235. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-221-235. ______ *Адрес для переписки Кулик Мария Андреевна, м.н.с. Хабаровский Федеральный исследовательский центр ДВО РАН, ул. Тихоокеанская, 153, 680042, г. Хабаровск, Россия Тел.: 8 (4212) 22-69-56, e-mail: marijka80@mail.ru Введение В последнее время покрытия NiAl вызывают интерес среди исследователей благодаря своей превосходной стойкости к высокотемпературной газовой коррозии [1, 2]. Применение покрытий NiAl в высокотемпературных средах привлекло широкое внимание благодаря их способности образовывать плотную и стабильную окалину Al2O3 [1]. Известно, что твердость, износостойкость и предел текучести при сжатии сплавов на основе NiAl растут с увеличением содержания железа до 20 ат. % [3]. В работе [4] были получены покрытия Fe75Ni15Al10 и Fe56Ni14Al30 на поверхности низкоуглеродистой стали с использованием метода газопламенного напыления смеси порошков железа, никеля и алюминия. Установлено, что повышение концентрации алюминия в покрытиях Fe-Ni-Al улучшает их жаростойкость. Вместе с тем беглый анализ литературы показывает, что износостойкость композиций Fe-Ni-Al все еще сильно уступает металлоке-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 222 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ рамическим композитам (МКК). Поэтому перспективно армировать композиции Fe-Ni-Al частицами керамических порошков, что призвано существенно повысить их твердость и износостойкость при сохранении высоких показателей жаростойкости. Карбид вольфрама (WC) часто рассматривают в качестве армирующего компонента МКК благодаря его высокой твердости и хорошей смачиваемости расплавами металлов [5–7]. Композиция Fe-Ni-Al обладает исключительно высокой жаростойкостью, но слабой износостойкостью, тогда как твердый карбид вольфрама легко окисляется при высоких температурах. Поэтому армирование матрицы Fe-Ni-Al карбидом вольфрама позволяет создать композитное покрытие WC/Fe-Ni-Al, сочетающее высокую жаростойкость и износостойкость. Согласно анализу литературы, металлокерамические покрытия WC/Fe-Ni-Al ранее наносили методами газопламенного распыления [8], плазменно-дугового напыления порошков [9] и электроискрового легирования (ЭИЛ) [10]. Электроискровое легирование представляет собой технологию поверхностного упрочнения, которая использует низковольтные электрические разряды высокого тока для плавления и полярного переноса материалов с рабочего электрода на поверхность подложки, что значительно повышает твердость и износостойкость ее поверхности. Технология ЭИЛ имеет очевидные преимущества, такие как простота процесса, высокая экономическая эффективность, низкие остаточные напряжения и отсутствие деформации подложки. Это было продемонстрировано как очень эффективный метод получения покрытий на металлах и сплавах [11]. Высокая температура, возникающая в процессе электроискрового разряда, расплавляет материал электрода, что приводит к нанесению однородного и плотного покрытия, а металлургическая связь обеспечивает высокую адгезию покрытия к подложке. Метод ЭИЛ используется в следующих случаях: для улучшения физико-химических свойств металлических материалов нанесением тугоплавких металлов и их соединений; для расширения области применения композиционных материалов путем создания на их поверхности износостойких и жаростойких слоев; для изменения в заданном направлении химического и фазового состава поверхности путем обработки в присутствии реакционного газа (например, азотирование титанового сплава) [12]. Применение нелокализованного электрода (НЭ) для ЭИЛ обеспечивает автоматизацию процесса нанесения покрытия в том числе на криволинейные детали и позволяет использовать порошки в качестве основного компонента покрытий [13]. В предшествующей работе получены покрытия WC/Fe-Ni-Al с высокой долей керамики методом ЭИЛНЭ с применением НЭ, состоящего из набора никелевых и алюминиевых гранул, а также порошка αWC со средним размером частиц 1 мкм [10]. В области компактных металлокерамических материалов WC-Co размер частиц карбида вольфрама оказывает существенное влияние на твердость и прочность спеченных изделий [14, 15]. Однако в области металлокерамических покрытий влияние размера частиц используемых порошков WC систематически не исследовалось. Цель работы: установить влияние гранулометрии исходного порошка WC, вводимого в НЭ, на кинетику массопереноса, химический состав, структуру поперечных сечений покрытий WC/Fe-Ni-Al и их коррозионные и трибологические свойства. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи: – с помощью измельчения в планетарной шаровой мельнице и ситового анализа подготовить различные фракции порошка карбида вольфрама; – изучить влияние гранулометрии исходного порошка карбида вольфрама, вводимого в нелокализованный электрод, на массоперенос, состав и структуру покрытия; – установить взаимосвязь между структурой покрытия и его свойствами – шероховатостью, смачиваемостью, твердостью, износостойкостью и жаростойкостью. Материалы и методы исследования Рабочим электродом для ЭИЛ выступал нелокализованный электрод, состоящий из железных гранул и порошков Ni, Al и WC (табл. 1). Железные гранулы получали путем нарезки сварочной проволоки диаметром 4 ± 0,1 мм (СВ-08АА) на цилиндры длиной 4 ± 0,5 мм. Фракции порош-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 223 MATERIAL SCIENCE ка карбида вольфрама укладывались в диапазон от 80 нм до 40 мкм. В качестве наиболее дисперсной фракции использован наноструктурный порошок WC (99,95 %) со средним диаметром частиц по объему D [4.3] 0,8 мкм производства Hongwu (Китай) (рис. 1, а, б). Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Состав нелокализованного электрода и обозначение покрытий Composition of non-localized electrode and coating designations Обозначение покрытия Доля (процент) гранул, об. % Доля порошка Al, об. % Доля порошка Ni, об. % Доля порошка WC, об. % Фракция порошка WC, мкм WСn 93,80 2,05 1,35 2,80 0,08 ≤ WC ≤ 0,1 WС20 1 ≤ WC ≤ 20 WС40 20 ≤ WC ≤ 40 Рис. 1. СЭМ-изображение частиц порошка фракции WCn (а) и результаты его БЭТ-анализа (б); интегральное распределение порошков Ni, Al, WC20, WC40 (в) и рентгенофазовый анализ порошков WC (г) Fig. 1. SEM image of WCn fraction powder particles (а) and the results of its BET analysis (б); integral distribution of Ni, Al, WC20, WC40 powders (в) and X-ray diff raction patterns of WC powders (г) а б в г
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 224 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Для приготовления более крупных фракций был взят порошок WC (ТУ 6-09-03-360-78) с размером частиц 1 ≤ WC ≤ 40 мкм, который разделяли через сита 40 и 20 мкм с помощью вибростола. Диаметр частиц порошков измерялся методом произвольных секущих по стандарту ASTM E112-12. Средний размер частиц порошков алюминия и никеля составил 18,0 ± 10,3 мкм и 11,3 ± 6,4 мкм соответственно (рис. 1, в). При уменьшении диаметра частиц WC на рентгеновских дифрактограммах наблюдалось монотонное снижение интенсивности и увеличение ширины рефлексов, что согласуется с уравнением Шеррера (рис. 1, г). Подложка (катод) из стали 45 в форме цилиндра (d = 12 мм, h = 10 мм), погружалась в смесь гранул с порошками торцевой поверхностью вниз. Таким образом, покрытие формировалось на торцевой и боковой поверхности подложки с суммарной покрываемой площадью 2,88 см2. В качестве источника импульсов тока использовался генератор IMES-40. Настройки прибора были следующие: длительность импульсов 100⋅10–6 с, частота 103 Гц, сила тока в импульсе 170 А при напряжении разомкнутой цепи 25 В. Нанесение покрытий осуществлялось в потоке аргона со скоростью 0,3 м3/час для защиты электродов от окисления. Полное время нанесения покрытия на один образец составляло 10 минут. Более детальное описание лабораторной установки для автоматического нанесения покрытий методом ЭИЛНЭ с порошками приведено в статье [16]. Привес подложки измерялся на аналитических весах (Vibra HT120) (10–4 г) каждые 120 секунд ЭИЛНЭ-обработки. Фазовый состав используемых порошков и полученных образцов определялся рентгенодифракционным методом. Для этого в работе применялся многофункциональный рентгеновский дифрактометр ДРОН7 (НПП «Буревестник», Россия) с Cu-Kα излучением (λ = 1,54056 Å). Для металлографического исследования микроструктуры и химического микроанализа образцов с покрытиями использовался сканирующий электронный микроскоп Vega 3 LMH (Tescan, Чехия), который оснащен микроанализатором (ЭДС) X-max 80 (Oxford Instruments, Великобритания). Измерение шероховатости поверхности покрытий проводилось на профилометре 296 (СССР). Для каждого образца выполнено 10 измерений величины шероховатости и вычислены средние значения. Для определения смачиваемости в работе использован метод «сидячей капли». Каплю дистиллированной воды наносили на горизонтальную поверхность покрытия и по профилю капли определяли угол контакта с поверхностью при температуре 25 °С [17]. Для каждого образца выполнено пять измерений величины смачиваемости и вычислены средние значения. Микротвердость была определена по методу восстановленного отпечатка с помощью микротвердомера ПМТ3-М. Измерение микротвердости проводилось по Виккерсу при силе нагружения 1,96 Н, время воздействия 12 с. На каждом образце индентором сделано 20 отпечатков, проведено 20 измерений величины микротвердости и вычислены средние значения. Испытания на коэффициент трения и износ образцов проводились по схеме «штифт – диск» [18–20] при нагрузке 25 Н со скоростями 0,47 и 1,89 м⋅с–1 в течение 10 минут. Диски (d = 50 мм) из быстрорежущей стали М45 (60 HRC) применялись в качестве контртела. Для каждого образца было сделано не менее четырех измерений, вычислены средние массивы данных и определены средние значения коэффициента трения. Для определения износостойкости сделано не менее шести измерений каждого образца. Для изучения циклической жаростойкости в эксперименте использовали образцы кубической формы с ребром 6 мм из стали 45 и с покрытиями. Образцы выдерживали в муфельной печи циклами по ~6 ч при температуре 700 °С, после этого помещали в эксикатор для остывания, а затем взвешивали. Эксперимент проводился в течение 100 ч. Результаты и их обсуждение При испытании новых составов нелокализованного электрода необходимо контролировать привес катода в ходе обработки для установления величины удельного привеса, поскольку она характеризует объем материала, перенесенного на подложку, а при отрицательных значениях привеса покрытие формироваться не будет. В моменты прохождения импульсов напряжения в местах электрического контакта гранул с подложкой возникали электрические разряды, что сопровождалось переносом металла из линзы
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 225 MATERIAL SCIENCE расплава гранулы в линзу на поверхности подложки. Частицы порошков Ni, Al и WC, находящиеся на поверхности подложки или гранул в области воздействия разряда, смачивались расплавленным металлом и кооптировались в линзу расплава на подложке, формируя покрытие. При увеличении времени обработки привес подложки постепенно возрастал для всех образцов (рис. 2, а). За 10 минут обработки средние значения суммарного удельного привеса катода находились в интервале от 2,74 до 4,76 мг/см2 с минимумом у образца WC40. Значения суммарного привеса для образцов WСn и WС20 были очень близкими, тогда как для W40 скорость привеса оказалась заметно ниже. Это может быть связано с низкой удельной поверхностью крупных частиц. Низкая площадь поверхности дает более низкую удельную свободную поверхностную энергию, которой может быть недостаточно для надежного прикрепления частиц к поверхности гранул и катода, что могло ограничивать кооптацию таких частиц в покрытие. Рентгенофазовый анализ показал, что в структуре покрытий присутствуют карбид вольфрама (WC), субкарбид вольфрама (W2C), ОЦК-фазы, интерметаллид (Al86Fe14) и твердый раствор FeNi (рис. 2, б). ОЦК-фазы могут быть представлены интерметаллидами AlNi и AlFe, рефлексы которых совпадают по шкале 2θ. Фаза W2C образовалась в результате обезуглероживания карбида вольфрама при взаимодействии с расплавом железа в микрованне расплава согласно следующей реакции: 2WC + 3Fe = W2C + Fe3C. (*) Таким образом, приготовленные покрытия имеют металлокерамическую структуру, где металлическая связка представлена алюминидами и ферроникелем, тогда как карбиды вольфрама выполняют роль армирующих фаз. Рентгеновские спектры покрытий, полученных с использованием микронных порошков и нанопорошка, сильно различаются. Так, в покрытиях WC20 и WC40 наибольшую концентрацию имеет карбид вольфрама WC, тогда как в покрытии WCn ферроникель и алюминид Al86Fe14 имеют повышенную концентрацию (табл. 2). Кроме того, концентрация фазы W2C в покрытии WCn была наименьшей среди образцов. Изображения поперечного сечения покрытий МКК представлены на рис. 3, а–г. Средняя толщина покрытий очень близка и составляет от 24,3 до 26,1 мкм. Структура покрытий представлена матрицей Fe-Ni-Al и зернами микронного и субмикронного диапазонов. Покрытие Wn является однородным без включений микронного размера (рис. 3, а). При высоком увеличении а б Рис. 2. Массоперенос образцов в процессе осаждения покрытий (а) и рентгенофазовый анализ приготовленных покрытий (б) Fig. 2. Mass transfer of samples during coating deposition (а) and XRD analysis of the obtained coatings (б)
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1