Том 21, № 4 (2019)
ТЕХНОЛОГИЯ
Исследование технологии микродозированной подачи смазочных композиций с наночастицами при шлифовании жаропрочного никелевого сплава с дополнительным воздушным охлаждением
Аннотация
Введение. Достаточно значимой проблемой с точки зрения экологии является использование смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в процессе металлообработки. В качестве альтернативы применения СОЖ в мировой практике внедряют экологически ориентированную технологию минимального смазывания (MQL – minimum quantity lubrication). Однако в процессе абразивной обработки, где наблюдаются высокие контактные температуры, использование технологии MQL не всегда достаточно эффективно. В связи с этим в научном сообществе было предложено, например, добавление в смазочные композиции наночастиц различных веществ или использование дополнительного охлаждения зоны резания холодным воздухом (CAMQL – сold air with minimum quantity lubrication). В рамках нашей статьи проводились исследования применения данных способов как отдельно, так и в синтезе с целью оценки возможности повышения эффективности технологии MQL при шлифовании жаропрочного никелевого сплава. Цель работы: – определить влияние технологии подачи MQL и CAMQL на эксплуатационные показатели процесса шлифования и свойства поверхностного слоя. В качестве смазочной среды использовали растительное соевое масло, в том числе и с добавлением наночастиц Al2O3. Методы исследования. Шероховатость обработанной поверхности контролировали профилографом-профилометром Mitutoyo Surftest SJ-410. Составляющие силы резания измеряли с использованием шестикомпонентного силоизмерительного комплекса Amti MC36-1000. Элементный анализ и оценку морфологии обработанной поверхности проводили с помощью растрового электронного микроскопа Versa 3D с микрорентгеноспектральной приставкой. Контактную разность потенциалов измеряли посредством атомно-силовой микроскопии методом зонда Кельвина. Результаты и обсуждение. Установлены наилучшие условия применения технологии MQL и CAMQL: расход смазочной среды – 30 мл/ч, величина воздушного потока для технологии CAMQL – 12 м3/ч. Результаты измерения силы резания показали, что при использовании в качестве смазки соевого масла наиболее эффективна технология CAMQL. При добавлении 0,4 мас. % наночастиц Al2O3 с концентрацией в 0,4 мас. % наблюдается значительное снижение силы резания, например, составляющая Py относительно шлифования без СОЖ уменьшается на 30 %, параметр шероховатости обработанной поверхности Ra – в среднем в 1,5 раза. При использовании технологий MQL и CAMQL составляющие силы резания практически одинаковы. При использовании смазочных композиций с наночастицами имеется тенденция на более низкие значения шероховатости поверхности при шлифовании с технологией CAMQL. Исследования состояния тонкого поверхностного слоя после шлифования показали, что применение технологии CAMQL обеспечивает снижение окисления поверхности и улучшение ее свойств. При использовании составов с наночастицами Al2O3 наблюдается уменьшение следов адгезионного взаимодействия на обработанной поверхности.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019;21(4):6-18
6-18
Получение аморфных покрытий электроискровой обработкой стали 35 в смеси железных гранул с CrMoWCBSi порошком
Аннотация
Введение. Металлические стекла вызывают интерес исследователей как материалы, которые могут быть использованы в качестве защитных покрытий для металлов и сплавов. Исследование новых способов формирования покрытий из металлических стекол является актуальной задачей. Цель работы: изучение условий формирования и свойств покрытий из металлических стекол, полученных методом электроискровой обработки стали 35 в смеси железных гранул и многокомпонентной порошковой шихты, состоящей из хрома, вольфрама, молибдена, кремния, бора и углерода. Методика исследований. Порошковая шихта имела средний размер частиц 0,3 мкм. Объемная доля порошковой шихты в смеси гранул варьировалась от 2,5 до 9,3 об. %. Покрытия наносились при энергии импульсов 0,33 Дж с частотой 1 кГц в течение 8 мин в среде аргона. Состав и структуру покрытий изучали методами рентгеновского дифракционного анализа, растровой микроскопии и энергодисперсионного анализа. Результаты и обсуждение. Средняя толщина покрытий находилась в узком диапазоне 41…43 мкм. Доля аморфной фазы в покрытиях составила от 78 до 95 об. %. Распределение элементов по сечению покрытий было однородным. С ростом содержания порошка в смеси гранул концентрация железа в покрытиях снижалась с 60 до 41 ат. %. При этом соотношение остальных элементов в составе покрытий соответствовало составу многокомпонентного порошка, что говорит о равномерном участии частиц порошков разного сорта в формировании наносимого слоя. Скорость изнашивания образцов с покрытиями в режиме сухого скольжения находилась в диапазоне 0,7…5,9 × 10-5 мм3/Нм, что в 2,5…6,5 раз меньше, чем у стали 35 без покрытия. Циклическая жаростойкость образцов с покрытиями при температуре 700 оС за 100 часов испытаний была в 15…30 раз выше, чем у стали 35, что объясняется, прежде всего, наличием хрома и кремния в покрытиях.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019;21(4):19-30
19-30
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
Зависимость изнашивания инструмента и параметров качества формируемой резанием поверхности от динамических характеристик
Аннотация
Введение. Известно, что износ и качество поверхности детали изменяются в ходе обработки. Эти изменения зависят от динамической системы резания. Известны также исследования в области динамики процесса резания, в которых рассматриваются проблемы устойчивости формируемых в окрестностях траекторий различных притягивающих множеств деформационных смещений. Анализируются и бифуркации притягивающих множеств, в том числе связанные с выделением энергии в зоне обработки. Однако исследование связи эволюционной перестройки системы с выходными свойствами процесса резания в единстве интенсивности изнашивания инструментов и формируемой резанием геометрической топологии поверхности не выполнено. В статье развиваются положения эволюционных преобразований динамической системы резания на случай анализа выходных характеристик процесса резания. Целью работы является раскрытие взаимосвязи эволюционной перестройки динамической системы резания с износостойкостью инструмента и изменением геометрической топологии формируемой резанием поверхности для обеспечения требуемых выходных характеристик обработки. Предлагается методика и приводятся результаты изучения изменения скорости изнашивания, величины износа и изменения геометрической топологии формируемой резанием поверхности в зависимости от исходных технологических режимов и динамических параметров системы в ходе эволюционной перестройки. Методами исследований являются: математическое моделирование эволюционных преобразований на основе представления зависимости параметров динамической связи, формируемой процессом резания, в виде их зависимости от траектории мощности необратимых преобразований в узлах сопряжений граней инструмента с заготовкой и зоной резания. При этом рассматривается преобразование мощности в скорость изнашивания инструмента и изменение геометрической топологии поверхности. Результаты и обсуждение. Раскрыты зависимости износа и геометрии поверхности от эволюционно изменяющихся свойств динамической системы резания. Поставлена задача согласования проектируемых траекторий с внутренней эволюционно изменяющейся динамикой системы для повышения эффективности обработки. Результаты исследований перспективны особенно для обработки деталей сложного геометрического профиля, а также деталей, матрицы жесткости которых изменяются вдоль траектории инструмента.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019;21(4):31-46
31-46
Синтез закона движения механизма прибоя уточных нитей станка СТБ с приводом от кулачков
Аннотация
Введение. Рассматривается проектирование механизма прибоя уточных нитей для ткацкого станка типа СТБ. Анализ научной литературы по данному вопросу указывает на то, что при выработке массового ассортимента тканей при высоких скоростях необходимо предусматривать в начальный период движения механизма дополнительный участок на профиле кулачка, позволяющий снижать ударную нагрузку в момент выборки зазора в паре кулачок–ролик. В этом случае конструктору необходимо синтезировать такой закон ускорений, который должен иметь специфический характер и обеспечивать выполнение определенной технологической операции. Актуальность исследования обусловлена тем, что на основе существующих методик синтеза механизмов прибоя уточных нитей не удается модернизировать механизмы, работа которых зависит от основного (механизма прибоя). Повысить производительность таких механизмов становится возможным только после существенного изменения их цикловых диаграмм. Цель работы: синтез нового закона движения механизма прибоя уточных нитей (батанного механизма), позволяющего снизить нагрузки на ведомое звено в начальный период его движения. В работе исследован закон движения механизма прибоя с дополнительным участком профиля кулачка, позволяющего сообщать дополнительное движение ведомому звену в момент начала его движения. Метод исследования: проектирование привода батанного механизма, выполненного в виде кулачков на геометрическое замыкание с использованием пакетов прикладных программ. Результаты и обсуждение. В результате проведённых исследований предложена методика синтеза закона движения для батанного механизма. Предлагается ввести дополнительный участок для профиля кулачка. Законы изменения перемещений получены путем интегрирования графика ускорений. Теоретические исследования доведены до числовых значений ускорений и перемещений ведомого звена батанного механизма.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019;21(4):47-58
47-58
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Гидротермальное нанесение С/MoS2 на электроискровые Fe-Al покрытия для нержавеющей стали AISI 304
Аннотация
Введение. Улучшение триботехнических свойств нержавеющих сталей может быть достигнуто путем создания антифрикционных покрытий. Цель работы: изучение структуры и износостойкости композиционных электроискровых покрытий из интерметаллидов Fe-Al с порами, заполненными C/MoS2. Методы исследования. В работе исследованы покрытия из интерметаллидов Fe-Al, полученных на нержавеющей стали AISI 304 методом электроискровой обработки в смеси гранул, состоящих из железа и алюминия. Было приготовлено пять смесей гранул с содержанием алюминия от 20 до 100 моль %. С целью увеличения пористости интерметаллидных покрытий они были подвергнуты травлению в 20 %-м растворе щелочи. Для заполнения пористой поверхности образцов аморфным углеродом и дисульфидом молибдена применялся метод гидротермального синтеза в два этапа: в растворе глюкозы при 160 оС и в растворе тиомочевины и молибдата натрия при 220 оС. Структуру покрытий изучали методами рентгеновского дифракционного анализа, растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и рамановской спектроскопии. Износостойкость покрытий исследовалась согласно стандарту ASTM G99 – 04 при сухом трении скольжения с применением контртел в виде дисков из быстрорежущей стали Р6М5 на скорости 0,47 м/с при нагрузках 10 и 50 Н. Результаты и обсуждение. Установлено, что с ростом содержания алюминия в смеси гранул фазовый состав интерметаллидных покрытий изменяется от FeAl до Fe14Al86. Показано, что травление интерметаллидных покрытий приводило к расширению поперечных трещин и возникновению пор, которые заполнялись углеродом и сульфидом молибдена. Коэффициент трения покрытий находился в диапазоне от 0,26 до 0,46. Скорость износа Fe-Al-С-MoS2 покрытий находилась в пределах 1,1…9 × 10–5 мм3/Нм, что меньше чем у стали AISI 304 в 3…22,5 раз. Лучшую износостойкость ожидаемо продемонстрировали покрытия, приготовленные в среде гранул с наибольшим содержанием алюминия.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019;21(4):59-69
59-69
Влияние лазерного легирования порошковыми смесями Cu–Zn–Ti и Si–Cu на структуру и свойства литейного алюминиевого сплава
Аннотация
Введение. Использование технологий лазерного модифицирования является актуальным и перспективным способом повышения свойств поверхности алюминиевых сплавов. Большой интерес вызывает лазерное легирование алюминиевых сплавов, которое способствует повышению их коррозионной стойкости, механических свойств и износостойкости в условиях адгезионного и абразивного изнашивания. Цель работы: исследование возможности повышения физико-механических свойств литейного алюминиевого сплава АК7ч путем лазерного легирования порошковыми смесями Cu–Zn–Ti (смесь № 1) и Si–Cu (смесь № 2), нанесенными на поверхность образцов в виде обмазок. Лазерное легирование поверхности образцов проводили на СО2-лазере непрерывного действия c длиной волны излучения λ = 10,6 мкм. Методы исследования. Оптическая и сканирующая электронная микроскопия, энергодисперсионный микроанализ, рентгеноструктурный фазовый анализ, измерение микротвердости, инструментированное микроиндентирование, испытания на абразивную износостойкость и разгаростойкость. Результаты и обсуждение. Установлено, что в результате лазерного легирования на поверхности образцов сплава АК7ч формируются легированные слои глубиной h = 3,5…4,0 мм. Легированные слои имеют дендритно-ячеистую структуру, основными структурными составляющими которой являются твердый раствор α–Al и сетка эвтектических кристаллов кремния по границам дендритных ячеек. В структуре легированных слоев также присутствует интерметаллид CuAl2 с размером частиц 1…5 мкм. Лазерное легирование повышает микротвердость сплава АК7ч от 90 до 125 HV 0,025 при легировании смесью № 1 и до 100 HV0,025 при легировании смесью № 2. По данным микроиндентирования легированные слои характеризуются повышеннным сопротивлением упругопластическому деформированию, о чем свидетельствует рост параметров Rе в 1,2…1,38 раза, HIT/E* в 1,33…1,67 раза и DrawAspect="Content" ObjectID="_1637050762"> в 2,14…3,71 раза. Испытания на износостойкость в условиях абразивного изнашивания показали, что лазерное легирование приводит к некоторому росту интенсивности изнашивания Ih (снижению износостойкости) алюминиевого сплава АК7ч от (1,49 ± 0,09) × 10−3 до (1,82 ± 0,06) × 10−3 при легировании смесями № 1 и 2. Однако лазерное легирование сплава АК7ч приводит к повышению его разгаростойкости, что выражается в уменьшении количества и размеров термических трещин.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019;21(4):70-84
70-84
Структура и свойства соединений медных компенсаторов, полученных по гибридной технологии с использованием сварки трением с перемешиванием
Аннотация
Введение. Для компенсации температурного расширения, вибраций и вызванных ими опасных деформаций на силовых токоведущих проводниках используются специальные медные компенсаторы. Применение компенсаторов для токоведущих элементов позволяет повысить надежность, долговечность и безопасность эксплуатации силовых электротехнических устройств. Однако в настоящее время для изготовления компенсаторов используется технология ручной пайки, недостатками которой являются низкая производительность, ограниченные размеры получаемых изделий, а также зависимость качества получаемой продукции от квалификации персонала. В связи с этим актуальной задачей является разработка новых перспективных методов получения медных компенсаторов. К таким методам можно отнести сварку трением с перемешиванием. Этот вид формирования неразъемных соединений прочно занял свою нишу в корабле- и автомобилестроении, производстве корпусов ракет и в других отраслях. Сварка трением с перемешиванием разрабатывалась в первую очередь для получения неразъемных соединений термически упрочняемых алюминиевых сплавов, однако используется и для сварки термически не упрочняемых алюминиевых сплавов, титановых сплавов, сталей и меди. Теоретические и экспериментальные исследования процесса сварки трением с перемешиванием меди демонстрируют высокую способность данной технологии для получения неразъемных соединений из меди и ее сплавов. Целью настоящей работы стало выявление особенностей структуры и механических характеристик медных компенсаторов, произведенных методом сварки трением с перемешиванием. Результаты и обсуждения. Проведенные исследования показали, что при сварке трением с перемешиванием медной монолитной пластины и медных фольг, предварительно соединенных припоем в пакет, можно получить неразъемное соединение без образования нежелательных интерметаллидных соединений. Припой замешивается в сварной шов послойно, при этом распределение припоя в зоне перемешивания неравномерно. Данные измерений микротвердости и элементного микроанализа показали, что отступающая сторона шва содержит наибольшее количество ламелей замешанного припоя. Структура пакета фольг после сварки не претерпела изменений, благодаря чему электропроводность материала также не изменилась. Испытания на растяжение показали, что разрушение компенсатора происходит не по сварному шву, а последовательным разрывом медных фольг, что позволяет заранее идентифицировать поврежденный элемент.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019;21(4):85-93
85-93
Закономерности формирования материалов с композитной структурой с использованием аддитивной электронно-лучевой технологии, сварки трением с перемешиванием и фрикционной перемешивающей обработки
Аннотация
Введение. В настоящее время среди методик получения полиметаллических структур большое значение имеют технологии твердофазного и жидкофазного получения материалов, а также способы комбинирования различных методик и использования гибридных технологий. В связи с этим необходимо проведение комплексных сравнительных исследовательских испытаний структурно-фазовых изменений в материалах, полученных различными методиками из разнородных металлов и сплавов. Целью настоящей работы является получение различными методами полиметаллических структур системы «медь-алюминий» и исследование структурно-фазового состояния. В работе проведены исследования структуры полиметаллических образцов системы «медь-алюминий», сформированных методами сварки трением с перемешиванием, фрикционной перемешивающей обработки и аддитивной электронно-лучевой проволочной технологии. В работе использовались такие методы исследования, как оптическая, растровая электронная микроскопия и измерение микротвердости. Результаты и обсуждения. Выявлены различные особенности образования твердых растворов и интерметаллидных фаз в материалах при различных технологических процессах и определены особенности формирования дефектов в зависимости от технологических приемов формирования образцов. Определены возможности получения образцов с композитной структурой с упрочняющими интерметаллидными частицами на основе металлической матрицы различными методами производства и обработки материалов. Полученные данные свидетельствуют о формировании интерметаллидных фаз более высокой твердости в области граничного слоя при перемешивании компонентов системы в жидком состоянии в условиях аддитивной электронно-лучевой технологии. Распределение интерметаллидных компонентов является более равномерным при фрикционной перемешивающей обработке листового пакета меди и алюминия с расположением листового проката алюминиевого сплава в верхней части. Наименее твердые интерметаллидные фазы образуются при сварке трением с перемешиванием. Неоднородности строения зоны перемешивания компонентов системы при сварке трением с перемешиванием обусловлены различными условиями на наступающей и отступающей стороне образца. Строение зоны перемешивания образца разнородных материалов аналогично формирующимся при сварке трением с перемешиванием однородных материалов и представлено вихревой структурой с чередованием слоев различных компонентов системы. Интенсивное диффузионное взаимодействие алюминиевого сплава и меди при фрикционной перемешивающей обработке приводит к внедрению твердых растворов и интерметаллидных фаз на существенную глубину в зону термического влияния медного листа.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019;21(4):94-112
94-112
Механические свойства булатной стали
Аннотация
Цель работы: определение механических свойств булатной стали, а также установление основных недостатков и преимуществ клиночных изделий древности по сравнению с современными высокоуглеродистыми инструментальными сталями. Материалы и методы исследования. Объектом исследования были выбраны инструментальная сталь У15А и булатная сталь Ds15P. Химический состав материалов определяли с помощью оптико-эмиссионного спектрометра типа ARL 3460. Структурные исследования осуществляли на растровом электронном микроскопе Zeiss EV050 XVP с системой зондового микроанализатора EDS X-Act и оптического микроскопа серии МЕТАМ РВ-21-2. Строение избыточной карбидной фазы изучали с помощью просвечивающего электронного микроскопа типа TEI Tecnai G2 20 TWIN. Твердость структурных составляющих определяли с помощью микротвердомера Model 402MVD. Результаты и обсуждения. Научных работ по определению механических свойств булатных сталей очень мало. Это связано с тем, что большинство качественных клинков из булатной стали хранятся в государственных музеях или в частных коллекциях. Авторы работ сходятся во мнении, что булатные стали с содержанием углерода от 1,3 до 2,3 % обладают легендарной упругостью и вязкостью при достаточно высоком содержании фосфора в составе этих сталей. В статье сравниваются механические свойства современной углеродистой инструментальной стали и булатной стали (genuine Damascus steel). Подтверждено, что слоистая структура восточной булатной стали Ds15P (genuine Damascus steel), сформированная карбидными слоями шириной не более 75 мкм в трооститной матрице, отличается от гомогенной структуры современной углеродистой инструментальной стали У15А. Микротвердость карбидных слоев в булатной стали составляет 920 HV, микротвердость трооститных слоев - 475 HV. Карбидные слои в булатной стали состоят из цементита продолговатой формы. Продолговатые избыточные карбиды по морфологическому признаку напоминают овал с утолщением в средней части. Размеры карбидов в поперечном сечении составляют около 3…4 мкм, в продольном сечении не превышают 9…12 мкм, отношение осей составляет 1/3. Установлено, что кромка лезвия булатного клинка представляет собой микропилу, состоящую из параллельных карбидных и трооститных слоев. Проведены сравнительные испытания на сохранение остроты режущей кромки лезвия стали У15А и булатной стали Ds15P. Установлено, что при небольших усилиях реза булатная сталь (Ds15P) показывает большее число резов по сравнению со сталью У15А. Выявлено, что в слоистой структуре булатной стали Ds15P распространение усталостной трещины от момента ее возникновения до полного разрушения, происходит за большее количество циклов, чем в гомогенной структуре стали У15А. Булатная сталь Ds15P показала двухкратный запас усталостной долговечности по сравнению с современной высокоуглеродистой сталью У15А.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019;21(4):113-126
113-126