CC BY
18
УДК 621.793 : 539.62
Структура, механические и трибологические свойства композиционных покрытий на основе Ti-Cr-C-Ni-Fe
М.С. Антипов, П.М. Бажин, А.С. Константинов, А.П. Чижиков, А.О. Жидович, А.М. Столин
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН,
Черноголовка, 142432, Россия
Работа направлена на установление особенностей применения композиционных металлокерами-ческих СВС-электродов из материалов на основе сложного карбида титана, карбида хрома и нихрома, полученных методом СВС-экструзии, для нанесения композиционных покрытий на основе Ti-Cr-C-Ni-Fe методом электроискрового легирования на металлические подложки из быстрорежущей стали Р6М5. Были исследованы 4 режима электроискрового легирования, соответствующих энергии электрического разряда 0.2, 0.3, 0.6 и 1.0 Дж. Построены экспериментальные зависимости суммарной эрозии анода и суммарного привеса катода от времени легирования, которые имеют классический вид. Изучено влияние технологических режимов метода электроискрового легирования на структуру, механические (твердость) и трибологические свойства полученных композиционных покрытий. Было установлено, что покрытие состоит преимущественно из матрицы на основе двух фаз Cr-Ni-Fe-Csoiid и Fe07Ni0.3 и зерен упрочняющей фазы сложного карбида Ti0.8Cr02C, размер которых по мере приближения от поверхности покрытия к подложке снижается и становится менее 100 нм. Твердость полученных композиционных покрытий составила 10.6-13.5 ГПа. Показано, что при электроискровом легировании основная доля зерен карбидной фазы в СВС-электроде претерпела плавление, а с увеличением энергии разряда количество перенесенных зерен в твердой фазе повысилось до 9 раз. В зависимости от энергии разряда при электроискровом легировании установлены коэффициенты переноса СВС-электрода, участки приработки полученных покрытий, величина износа композиционного покрытия и контртела.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, электроискровое легирование, СВС-электрод, композиционное покрытие, трибологические испытания
DOI 10.55652/1683-805X_2023_26_4_117
Structure, mechanical and tribological properties of Ti-Cr-C-Ni-Fe composite coatings
M.S. Antipov, P.M. Bazhin, A.S. Konstantinov, A.P. Chizhikov, A O. Zhidovich, and A.M. Stolin
Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, 142432, Russia
Here we discuss the use of composite cermet SHS electrodes from materials based on titanium carbide, chromium carbide, and nichrome obtained by SHS extrusion for the electrospark deposition of Ti-Cr-C-Ni-Fe composite coatings on metal substrates made of high-speed steel R6M5. Four electrospark alloying modes are considered which correspond to electric discharge energies of 0.2, 0.3, 0.6, and 1.0 J. The plotted experimental curves of the total anode erosion and the total cathode weight gain on the alloying time have a classical form. The effect of the electrospark alloying modes on the structure, mechanical (hardness) and tribologi-cal properties of the obtained composite coatings is studied. It is shown that the coating consists mainly of a matrix based on two Cr-Ni-Fe-Csolid and Fe0.7Ni0.3 phases and reinforcement complex carbide Ti0.8Cr0.2C particles, the size of which decreases to less than 100 nm with proximity to the substrate. The hardness of the resulting composite coatings is 10.6-13.5 GPa. The major fraction of carbide particles in the SHS electrode melts during electrospark alloying, and with increasing discharge energy the number of transferred grains in the solid phase increases by a factor of up to 9. Depending on the discharge energy of electrospark alloying, we determine the transfer coefficients of the SHS electrode, the run-in areas of the resulting coatings, and the amount of wear of the coating and counterbody.
Keywords: self-propagating high-temperature synthesis, electrospark alloying, SHS electrode, composite coating, tribological tests
© Антипов М.С., Бажин П.М., Константинов А.С., Чижиков А.П., Жидович А.О., Столин А.М., 2023
1. Введение
На сегодняшний день наиболее актуальным направлением в увеличении срока службы деталей является модификация их поверхностей путем нанесения защитных покрытий. Создание на деталях износостойких, упрочняющих, антифрикционных и других покрытий является основным способом повышения эффективности эксплуатации и долговечности конструкций и механизмов, используемых в авиакосмической [1, 2], судостроительной [3-5], обрабатывающей промышленности [6-8], электро- и теплоэнергетике и т.д. К перспективным защитным покрытиям относятся композиционные на основе керамики и металлокерамики, которые способны обеспечивать термическую стабильность конструкционных материалов, их стойкость к окислению и коррозии, а также стойкость к химическому и абразивному износу в условиях высокотемпературных агрессивных сред.
В последнее время быстро развивается группа высокоскоростных методов нанесения порошковых покрытий, объединенных термином HVOF (high velocity oxy-fuel) [9-13], российский аналог — ГПС (газопламенное сверхзвуковое напыление) [14, 15]. Распыляемые материалы (карбиды, металлы) образуют термобарьерные, изно-со- и коррозионностойкие покрытия высокого качества, которые выдерживают воздействие ударно-абразивных и химически активных сред, высоких тепловых нагрузок. Наиболее популярными способами нанесения защитных покрытий являются физическое осаждение из паровой фазы (PVD) [16-20], химическое осаждение из паровой фазы (CVD) [21-24], оксидирование, гальваническое осаждение и т.д. Перечисленные способы нанесения защитных покрытий имеют как свои достоинства и области применения, так и недостатки. К недостаткам можно отнести нагрев обрабатываемой детали, в частности это относится к способам PVD, где температура в процессе нанесения покрытия достигает 400-450 °C, из-за чего снижается прочность основного материала детали.
К альтернативному и перспективному способу нанесения защитных покрытий можно отнести электроискровое легирование (ЭИЛ) [25-27]. Сущность данного процесса основана на явлении электрической эрозии и полярного переноса материала анода на катод (деталь) при протекании импульсных разрядов в газовой среде. Во время
контакта анода и катода происходит кратковременный электрический импульс, который расплавляет легирующую основу электрода с последующим его переносом на обрабатываемую поверхность. Электроискровое легирование имеет ряд достоинств, которые в свою очередь делают данный способ перспективным на сегодняшний день. При использовании данной технологии достигаются высокая адгезия формируемых покрытий без заметного термического воздействия на обрабатываемую деталь, возможность локальной обработки поверхности ответственных деталей и узлов, в том числе крупногабаритных изделий, отсутствие необходимости вести обработку в защитной среде, относительно простая методика нанесения защитного покрытия и т.д. Для успешной реализации метода ЭИЛ требуются специальные электродные материалы. Традиционно используются материалы на основе карбида вольфрама марок ВК и ТК [28, 29]. В связи с дороговизной и дефицитом вольфрама возникает проблема использования более прогрессивных электродных материалов на безвольфрамовой основе, которая должна решаться принципиально новой технологией по сравнению с производством твердых сплавов. К таковым можно отнести материалы на основе ТЮ-№Сг, которые обладают повышенными физико-механическими свойствами (твердость, микротвердость, прочность на сжатие и изгиб, ударная вязкость и др.) по сравнению с аналогичными сплавами на безвольфрамовой основе [30]. Металлокерамические материалы на основе ТЮ-№Сг применяются в виде защитных покрытий [31] в машиностроении, авиа- и судостроении для изготовления деталей и узлов, работающих в зонах повышенного износа, а также в медицине для изготовления имплантатов. Для получения изделий из металлокерамических материалов в основном используют традиционные технологии порошковой металлургии: литье [32], спекание [33-35], изостатическое горячее прессование [36, 37] и селективное лазерное спекание [38, 39]. Предложенные методы имеют весомый ряд недостатков, поэтому был предложен перспективный метод в получении электродов — СВС-экструзия [40-43]. Метод сочетает в себе процессы горения экзотермической смеси исходных компонентов и высокотемпературного сдвигового деформирования горячих продуктов синтеза. Изготовление электродов СВС-экструзией существенно упрощается и происходит за десятки секунд (вместо
Рис. 1. Микроструктура СВС-электрода (цветной в онлайн-версии)
часов, как в традиционных порошковых технологиях) в одном технологическом цикле, при этом нет энергозатрат на внешний нагрев заготовки [44].
Целями данной работы являются изучение особенностей применения композиционных металло-керамических СВС-электродов из материалов на основе карбида титана и нихрома, полученных методом СВС-экструзии, для нанесения композиционных покрытий методом электроискрового легирования на металлические подложки из стали Р6М5, исследование их структуры и свойств в зависимости от технологических режимов.
2. Экспериментальная часть
Для нанесения композиционных покрытий методом ЭИЛ были применены композиционные металлокерамические СВС-электроды, в которых упрочняющими фазами являлись сложный (двойной) карбид титана и карбид хрома (рис. 1), расположенные в матрице из нихрома. В табл. 1 приведено сравнение характеристик используемых СВС-электродов с аналогами. Как видно из
табл. 1, используемые СВС-электродные материалы имеют физико-механические характеристики на уровне или выше аналогов. Также отметим, что применение СВС-электродов с меньшими значениями электросопротивления приводит к повышению производительности процесса нанесения покрытий по сравнению с аналогами.
Нанесение композиционных покрытий методом ЭИЛ с использованием полученных СВС-электродов проводили на установке 8Б-5.01 при четырех технологических режимах, различающихся энергией электрического разряда (табл. 2). Приведенные в таблице технологические режимы нанесения композиционных покрытий подбирались экспериментальным путем из расчета выбора минимальной энергии, необходимой для начала процесса ЭИЛ, и максимальной, при превышении которой на поверхности наблюдались прижо-ги. В качестве модельной металлической подложки были выбраны образцы из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 50 мм и толщиной 5 мм.
Суммарные эрозию анода и привеса катода, приведенные к площади обрабатываемой под-
Таблица 1. Характеристика материала СВС-электродов и его аналогов
Состав Химический состав, мас. % Твердость НУ Предел прочности на изгиб, Н/мм2 Удельное сопротивление, 10-6 • Ом • м Пористость, % Размер зерна, мкм
Т1С-№Сг 68СГ0 2Т10 8С + 20СГ1 12М2 88 + 9№ + 3СГ3С2 1190-1170 1500-1800 1.5-1.9 1 -2 2.6-4.6
СТИМ-3Б 72Т1С + 18Сг3С2 + 10№ 960-946 900-1000 1.7-2.1 5-7 3-5
Т30К4 30Т1С + 66Со + 1048-1033 980-1000 3-7 -
ВК3 97^№С + 3Со 1081-1064 1100-1176 5.5-6.5 2-5 -
ВК6 94^№С + 6Со 1190-1200 1500-1520 2-5 -
Таблица 2. Технологические режимы нанесения композиционного покрытия
№ образца Частота колебаний э/м вибратора, Гц C, мкФ и, В Энергия разряда, Дж
1 180 50 0.2
2 160 ± 10 200 50 0.3
3 250 70 0.6
4 300 80 1.0
5 Образец из стали Р6М5 без покрытия
ложки от времени легирования при ЭИЛ, измеряли гравиметрическим методом с использованием аналитических весов ViBRA HT-224CE с точностью 10-4 г. Рентгенофазовый анализ проводился на порошковом рентгеновском дифрактометре Arl X'tra с диапазоном сканирования 29 = 30°-100° с шагом 0.02°. В качестве анода применялось железо со средней длиной волны 0.19604 нм. Рент-генофазовый анализ проводился с поверхности образца нанесенного покрытия. Микроструктуру полученных изделий исследовали на растровом электронном микроскопе LE0-1450 в комбинации с энергодисперсионным микроанализатором INCA Energy (EDS System). Трибологические исследования проводили на универсальной машине трения МТУ-01 по схеме «палец - диск» (табл. 3).
3. Результаты и обсуждения
Проведенный рентгенофазовый анализ при четырех режимах ЭИЛ показал, что полученные защитные покрытия независимо от энергии разряда состоят из трех фаз: Cr-Ni-Fe-Csolid, Fe0.7Ni03 и Ti0.8Cr02C (рис. 2). Упрочняющей фазой в покрытии, также как и в СВС-электроде, является сложный карбид Ti0.8Cr02C. Учитывая, что величина параметра ГЦК-решетки чистого Ni имеет размер а = 0.352 нм, а для синтезированного твердого раствора размер составил а = 0.36 нм, то можно сделать вывод, что при ЭИЛ нихром и карбид
Таблица 3. Условия трибологических испытаний
Нагрузка, Н 200
Частота вращения, об/мин 400
Время, с 300
Материал контртела / Твердость ИЯС Сталь 45 / 40
Диаметр контртела, мм 3
Рис. 2. Рентгенофазовый анализ поверхности композиционных покрытий. Здесь и далее 1-5 соответствуют номеру образца в табл. 2 (цветной в онлайн-версии)
хрома плавятся и взаимодействуют с расплавленным материалом поверхности подложки (железом) с образованием твердого раствора на основе N1 (Сг-№-Ре-С80ш) (табл. 4). Также во время процесса нанесения композиционного покрытия при взаимодействии СВС-электрода и исходной подложки происходит образование интерметаллида Ре0.7№0.3. Это подтверждает химическое взаимодействие расплавленных компонентов материалов СВС-электрода и подложки, что обуславливает высокую адгезионную прочность полученного защитного покрытия с подложкой. Установлено, что энергия разряда не влияет на параметры элементарной ячейки фазовых составляющих в покрытии.
Микроструктура полученного покрытия представлена преимущественно в виде округлых зерен, расположенных в матрице (рис. 3). Учитывая результаты РФА и энергодисперсионного анализа по площади и в выделенной локальной точке, можно утверждать, что округлые зерна имеют стехиометрию, как в СВС-электроде — Т10.8Сг0.2С, а матрицей является интерметаллид Ре0.7№0.з. Как видно из рис. 4, сформированные округлые зерна, помимо микронных размеров, имеют размеры менее 100 нм. Можно предположить, что эти зерна являются частицами фазы Т10.8Сг0.2С, но этот вопрос требует дополнительных исследований. Перенос структурных составляющих из СВС-электрода на металлические подложки при ЭИЛ также нами был установлен в работах [42, 44], а также другими исследователями [45, 46]. На рис. 4 представлены концентрационные кривые распре-
Таблица 4. Параметры элементарной ячейки структурных составляющих в покрытии
Место съемки
Фаза
Тип решетки
РББ-2
Размер, нм
Сг-М-Ре-С8оМ
51-0619
Защитное покрытие
Ре0.7М0.:
(Т10.8СГ0.2)С
Кубическая
10-71-8326
10-70-2903
Подложка
Бе
06-0696
0.36000
0.28650
0.42990
0.28664
деления химических элементов в поперечном сечении на границе покрытие - подложка. Установлено, что во время процесса нанесения покрытия структурные составляющие материала СВС-электрода диффундируют в подложку, а железо — в покрытие, при этом железо наблюдается по всей высоте покрытия. Учитывая, что средний размер исходных зерен Т108Сг02С в СВС-электро-де составил 2.6-4.6 мкм, это говорит об их плавлении при ЭИЛ и последующей кристаллизации. Таким образом, в условиях проведения ЭИЛ при использовании СВС-электродов исходные зерна сложного карбида Т108Сг02С из многокомпонентного расплава ТьСг-М-Бе после кристаллизации вновь приобретают исходную стехиометрию, что говорит о создании термодинамически выгодных условий для образования данного соединения. За счет периодических электрических разрядов при ЭИЛ на поверхности покрытия наблюдается более высокая температура, которая резко снижается при приближении к подложке за счет кондук-тивного теплообмена формируемого покрытия с
подложкой. Таким образом, скорость диффузии элементов, обеспечивающих рост частиц, снижается и при приближении к подложке размер зерен уменьшается. В результате электрического разряда при ЭИЛ температура в межэлектродном пространстве составляет 4000-5000 К, в результате чего материал электрода находится в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. При ЭИЛ происходит полярный перенос материала СВС-электрода на подложку в жидком состоянии и в твердой фазе. Сущность процесса ЭИЛ заключается в протекающих многократных импульсных тепловых воздействиях на материал СВС-элект-рода и формируемого защитного покрытия, что приводит к неизбежному образованию остаточных напряжений. Величина и распределение остаточных напряжений зависят как от энергии электрического разряда при ЭИЛ, так и от среды легирования, времени легирования и свойств материалов СВС-электродов и металлической подложки. Максимальные остаточные напряжения (как правило, растягивающие) наблюдаются в по-
Рис. 3. Композиционное покрытие в зависимости от режима ЭИЛ: 1 (а), 2 (б), 3 (в), 4 (г). Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)
Рис. 4. Результаты СЭМ поперечного сечения покрытия, полученного при режиме 3, и концентрационные кривые распределения химических элементов по выделенной линии (цветной в онлайн-версии)
верхностных или приповерхностных зонах, и их абсолютные значения могут превышать предел прочности материала СВС-электродов. Таким образом, из-за увеличения энергии разряда при ЭИЛ за счет остаточных напряжений происходит более интенсивный механический отрыв зерен в твердой фазе. Для каждого режима ЭИЛ было рассчитано количество перенесенных частиц
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Энергия разряда, Дж
Рис. 5. Зависимости количества зерен, перенесенных в твердой фазе, и коэффициента переноса материала СВС-электрода от энергии разряда (цветной в он-лайн-версии)
Т10.8Сг0.2С в твердой фазе (рис. 5) на подложку, которые не претерпели плавления, сохранив свои исходные размеры. Установлено, что с увеличением энергии разряда количество перенесенных зерен сложного карбида Т10.8Сг0.2С в твердой фазе увеличивается до 9 раз (рис. 5). Таким образом, изменяя энергию разряда при ЭИЛ, возможно регулировать структуру защитного покрытия.
Наиболее полную и достоверную информацию о возможностях СВС-электрода для нанесения защитных покрытий методом ЭИЛ на детали и инструмент получают при изучении кинетических зависимостей эрозии анода и привеса катода при варьировании технологических режимов и оценке свойств сформированных покрытий (равномерности, сплошности, толщины, микротвердости, адгезии и т.п.). На основе этих зависимостей задаются параметры технологического процесса ЭИЛ для нанесения защитных покрытий на инструмент и детали машин. Кроме того, зависимости суммарной эрозии анода и массопереноса на катод дают косвенные представления о динамике нарастания дефектности в поверхностных слоях электродов и защитных покрытий (появление напряжений и вторичной структуры, изменение фа-
О (5 ~1-1-1-1-1-1-1-1-1-г
О 10 20 30 40
Время легирования, с
Рис. 6. Зависимости суммарной эрозии анода (СВС-электрод) и суммарного привеса катода (подложка Р6М5) от времени легирования (цветной в онлайн-версии)
зового состава) [47]. В настоящей работе были построены экспериментальные зависимости суммарной эрозии анода (СВС-электрода) и суммарного привеса катода (металлическая подложка) от времени нанесения защитных покрытий, приведенных к единице площади обрабатываемой поверхности подложки при четырех режимах ЭИЛ (рис. 6). Полученные зависимости имеют классический вид для процессов ЭИЛ, т.е. суммарная эрозия анода и суммарный привес катода изменяются симбатно. На кривых привеса катода вначале наблюдается привес, далее присутствуют перегибы, которые соответствуют максимальному привесу катода и максимальной убыли анода. После прохождения максимума происходит процесс обратной эрозии материала покрытия на СВС-электрод [47]. Точка перегиба характеризует порог хрупкого разрушения материала формируемого покрытия и соответствует максимальному накоплению остаточных и термических напряжений. Эти напряжения возникают под действием нестационарных и резко неравномерных температурных полей, создаваемых периодическими электрическими разрядами. Теоретические расчеты исследователей [48, 49], занимающихся процессами ЭИЛ, показывают, что величина термических напряжений растет с ростом энергии разряда и пропорциональна в первом приближении коэффициенту термического расширения и модулю сдвига. Причем эта величина в слоях, прилегающих к поверхности зоны воздействия разряда, может превосходить пределы текучести и прочности материала. Поэтому в поверхностных и
приповерхностных слоях могут наблюдаться зоны пластического течения и хрупкого разрушения. Увеличение времени легирования приводит к увеличению термоциклирования поверхностных слоев материала СВС-электродов и полученного покрытия, что увеличивает термические напряжения, которые приводят к появлению усталости [50, 51]. При этом происходит убыль массы формируемого защитного покрытия на подложке. Все особенности электрической эрозии СВС-электродов и формирования слоев на катоде при ЭИЛ невозможно объяснить только появлением остаточных и термических напряжений в процессе обработки. Имеются попытки связать эти явления с фундаментальными свойствами твердого тела — электронным строением, энергией связи кристаллической решетки, направлением межатомной связи и т.п.
Экспериментально установлено в настоящей работе, что с увеличением энергии разряда происходит увеличение коэффициента переноса СВС-электрода с 63 до 92 мас. %, что увеличивает производительность процесса ЭИЛ и существенно снижает себестоимость формируемого защитного покрытия (рис. 5). К примеру, при ЭИЛ при энергии разряда 0.7 Дж СВС-электродами марки СТИМ-2/30 (упрочняющая фаза НС, расположенная в металлической матрице никеля) коэффициент переноса составляет более 70 мас. %, а для промышленных аналогов электродов марки Т15К6 он составляет 45-55 мас. %, для В3К — 6065 мас. %.
Проведенные трибологические испытания свидетельствуют о том, что зависимости коэффициента трения подложки от пробега контртела имеют характерный вид с участком приработки (рис. 7). Для металлической подложки без покрытия выделить участок приработки затруднительно: вначале наблюдается резкий скачек коэффициента трения, после 20 м можно выделить несколько участков, на которых он стабилизируется (рис. 7). При использовании СВС-электродов для режима 1 участок приработки составляет примерно 10 м после чего коэффициент трения стабилизируется, для режима 2 участок приработки практически отсутствует, для режима 3 участок приработки составил 20 м, для режима 4 участок приработки также, как и без покрытия, сложно выявить, т. к. имеется несколько участков с его стабилизацией. Это связано с образованием за счет повышенной энергии разряда при ЭИЛ на поверхности покрытия локальных макрокапель, ко-
Рис. 7. Экспериментальные зависимости коэффициента трения от длины пробега и режима ЭИЛ (цветной в онлайн-версии)
торые приводят к повышению шероховатости поверхности по сравнению с другими покрытиями, полученными при режимах 1-3 ЭИЛ.
Установлено, что значения величины износа образцов с покрытиями при разных технологических режимах схожи друг с другом и примерно в 7 раз ниже, чем износ быстрорежущей стали без покрытия (рис. 8, а). Повышенную износостойкость можно объяснить тем, что в составе покрытия присутствует износостойкая фаза сложного карбида Т10.8Сг0.2С, за счет которой твердость покрытия составляет 10.6-13.5 ГПа (твердость под-
Рис. 8. Результаты износа образцов с композиционными покрытиями (а) и износа контртел (б) (цветной в онлайн-версии)
ложки без покрытия составила 2.0-2.2 ГПа). Имея повышенную твердость, образцы с покрытиями изнашивают и контртело в большей степени, чем без покрытия (рис. 8, б). Однако интенсивность изнашивания контртел невелика, т. к. в процессе трения происходит налипание на них продуктов износа (рис. 9), что подтверждается наличием на рабочей части контртел химических элементов материала покрытия (Т1, N1, Сг).
Проводя сравнительный анализ полученных экспериментальных данных в настоящей работе с данными других исследовательских групп, за критерий сравнения была взята твердость формируемого защитного покрытия. В работе [52] защитные покрытия были получены методом элект-
Рис. 9. Результаты СЭМ и ЭДА поверхности контртела после износа (цветной в онлайн-версии)
ронно-лучевой наплавки композиционными порошками ТЮ-Т^ полученными с применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Твердость таких нанесенных покрытий составила 3.4-4.4 ГПа. В работе [53] ионно-плаз-менным методом наносили износостойкие покрытия состава Т1К на инструментальные стали Х12М, У8 и Р6М5. Твердость нанесенных покрытий составила 2.1 ГПа. Группой исследователей в работе [54] методом вакуумного ионно-плазмен-ного напыления были нанесены покрытия состава Т1К на закаленную поверхность быстрорежущей стали Р6М5 и было установлено, что твердость нанесенных покрытий на образцах из стали Р6М5 уменьшается от 12 до 7ГПа из-за роста давления азота. Одним из способов увеличения срока эксплуатации ответственных деталей в машиностроении, например вал-шестерней, коленчатых, распределительных валов и др., является имплантирование. В работе [55] в качестве импланта авторами был выбран порошок вольфрама, образующий в стали карбид '6С, который при аустенити-зации частично переходит в твердый раствор. Это обеспечивает получение после закалки легированного вольфрамом мартенсита, что затрудняет распад мартенсита при нагреве, и необходимую красностойкость стали. Нерастворенная часть карбида '6С приводит к повышению износостойкости инструментальной стали. В результате обработки на поверхности формируется градиентная структура, которая имеет три слоя, твердость которых составляет 7.4-8.5, 5.5-6.3, 4.3-5.3 ГПа соответственно. В работе [56] твердость нанесенного с помощью ионного азотирования покрытия достигала 11 ГПа.
Таким образом, разработанные защитные покрытия имеют твердость, сопоставимую или выше, чем представленные известные аналоги, что делает метод ЭИЛ при использовании СВС-электродов изучаемого состава перспективным для локального нанесения защитных покрытий на детали и инструмент. Стоит отметить некоторые сложности в нанесении защитных покрытий аналогичными методами, которые требуют в свою очередь наличия инертной среды в рабочей камере, подготовку поверхности деталей и инструмента до определенного класса шероховатости, а также трудоемкость осуществления технологического процесса нанесения защитных покрытий. При этом каждый метод имеет свои преимущества и свою область применения, а широта известных методов нанесения защитных покрытий позволя-
ет решать самые разнообразные производственные задачи.
4. Заключение
Методом ЭИЛ при использовании СВС-элект-родов получено защитное композиционное покрытие на подложке из быстрорежущей стали Р6М5, состоящее преимущественно из упрочняющей фазы Т108Сг02С, расположенной в интерме-таллидной матрице Ре0.7№0.3 и Сг-№-Ре-С^ы. Установлено, что при ЭИЛ основная доля зерен карбидной фазы претерпела плавление. По мере приближения от поверхности покрытия к подложке размер округлых зерен уменьшается и становится менее 100 нм. С увеличением энергии электрического разряда количество перенесенных зерен в твердой фазе увеличивается до 9 раз.
Установлено, что защитные покрытия имеют твердость 10.6-13.5 ГПа, их величина износа при выбранных технологических режимах схожа друг с другом и примерно в 7 раз ниже, чем износ быстрорежущей стали без покрытия. При использовании СВС-электродов максимальный участок приработки составляет не более 20 м для режимов 1-3, при этом при режиме 2 участок приработки практически отсутствует. Для режима 4 за счет высокой энергии разряда, приводящей к образованию макрокапель на поверхности покрытия, имеется несколько участков с его стабилизацией.
Литература
1. Заварзин С.В., Оглодков М.С., Чесноков Д.В., Козлов И.А. Высокотемпературная солевая коррозия и защита материалов газотурбинных двигателей (обзор) // Труды ВИАМ. - 2022. - Т. 3. - № 109. -С. 121-134. - https://doi.org/10.18577/2307-6046-2022-0-3-121-134
2. Каримова С.А., Авдюшкина Л.И., Ефимова Е.А. Исследование возможности применения полиэфир-уретанового компаунда для защиты материалов деталей авиационной техники // Труды ВИАМ. -2015. - № 4. - С. 10.
3. Синявский В.С., Калинин В.Д. Коррозия и способы защиты алюминиевых сплавов в морской воде соответственно их составу и структуре // Защита металлов. - 2005. - Т. 41. - № 4. - С. 347-359.
4. Пласкеева Е.И., Трусов В.И. Защита от коррозии труднодоступных конструкций отсеков судов // Морские интеллектуальные технологии. - 2019. -Т. 3-2. - № 45. - С. 107-110.
5. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Машталяр Д.В. Эффективная защита сварного соединения алюминиевого сплава 1579 от локального коррозионного разрушения // Морские интеллектуальные технологии. - 2019. - № 3-3. - № 45. - С. 71-76.
6. Гузанов Б.Н., Пугачева Н.Б., Быкова Т.М. Эрозионная стойкость комбинированного многослойного покрытия для защиты ответственных деталей современных газово-турбинных двигателей // DREAM. - 2021. - № 2. - С. 6-21. - https://doi.org/ 10.17804/2410-9908.2021.2.006-021
7. Фиговский О.Л., Штейнбок А.З., Шуваев Д.И., Во-локитина А.В. Инновации в отрасли строительных материалов. Часть 2 // Химия, физика и механика материалов. - 2021. - Т. 1. - № 28. - С. 54-83.
8. Stolin A.M., Bazhin P M., Mikheyev M.V., Averi-chev O.A., Saguidollayev A.S., Kylyshbaev K.T. Deposition of protective coatings by electric arc cladding with SHS electrodes // Weld. Int. - 2015. - V. 29. -No. 8. - P. 657-660. - https://doi.org/10.1080/ 09507116.2014.960703
9. Zhou Y., Kang J., Zhang J., Zhu S., Fu Z., Zhu L., She D. Effect of nitriding on microstructure and wear behavior of HVOF sprayed AlxCoCrFeNi (x = 0.4, 0.7, 1.0) high-entropy alloy coatings // Intermetallics. -2022. - V. 151. - P. 107709. - https://doi.org/10.1016/ j.intermet.2022.107709
10. Srivastava M., Jadhav M.S., Chakradhar R.P.S., Singh S. Investigation of HVOF sprayed novel AIi.4Co2.iCr0.7Ni2.45Si0.2Ti0.i4 HEA coating as bond coat material in TBC system // J. Alloys Compd. -2022. - V. 924. - P. 166388. - https://doi.org/10.1016/ j.jallcom.2022.166388
11. Nowakowska M., Latka L., Sokotowski P., Szala M., Toma F., Walczak M. Investigation into microstructure and mechanical properties effects on sliding wear and cavitation erosion of Al2O3-TiO2 coatings sprayed by APS, SPS and S-HVOF // Wear. - 2022. - V. 508509. - P. 204462. - https://doi.org/10.1016/j.wear. 2022.204462
12. Liu C., Sun J., Venturi F., Romero A.R., Hussain T. Enhancing wear performance by depositing alumina/ GNPs coating on textured WC-TiC^o substrates // Surf. Coat. Technol. - 2022. - V. 447. - P. 128817. -https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128817
13. Zhu Z., Chen Q., Bai X., Yang C., Ji G., Zhang M., Wang F. Microstructure, phase constitution and mechanical properties of WC-Cr3C2-CoNiLa coatings fabricated by using HVOF spraying core-shell powder // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. - 2022. - V. 106. -P. 105862. - https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2022. 105862
14. Рогов В.Р., Анисимов В.Р., Исаченко Е.А. Направление развития технологий для повышения антикоррозионной устойчивости автотранспортных средств // Грузовик. - 2019. - № 8. - С. 16-18.
15. Борисов Б.С., Астахов Е.А., Мурашов А.П. Исследование структуры и свойств газотермических покрытий системы WC-Co-Cr, полученных высокоскоростными методами напыления // Автоматическая сварка. - 2015. - Т. 10. - № 746. - С. 26-29.
16. Охлупин Д.Н., Королев А.В., Синев И.В., Авдонин К.А. Исследование покрытия деталей методом PVD // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2020. - № 3. -№ 86. - С. 78-86.
17. Миронов М.М., Миронова Е.А. Особенности получения слоистой структуры PVD покрытий на основе гафния // Вестник Технологического университета. - 2020. - Т. 23. - № 12. - С. 60-64.
18. Демиров А.П., Сергевнин В.С., Блинков И.В. Термическая стабильность и электрохимическое поведение arc-PVD покрытий Ti-Al-Mo-Ni-N // Физико-химия поверхности и защита материалов. - 2020. -Т. 56. - № 2. - С. 181-185. - https://doi.org/10. 31857/S0044185620020059
19. Vijayasarathi P. Characterization and corrosion studies of TiAlN PVD coating by using the polarization test method // J. Bio-Tribo-Corros. - 2019. - V. 5. -No. 1. - P. 29. - https://doi.org/10.1007/s40735-019-0220-1
20. Иванов Ю.Ф., Почетуха В.В., Романов Д.А., Громов В.Е. Структура и свойства покрытия Ag-Ni-N на меди, сформированного комбинированным методом, сочетающим электровзрывное напыление, облучение импульсным электронным пучком и последующее азотирование // Физ. мезомех. - 2021. -Т. 24. - № 2. - С. 13-22. - https://doi.org/10.24412/ 1683-805X-2021-2-13-22
21. Koshevoy K.I., Volkov Y.Y., Strel'nitskij V.E., Reshet-nyak E.N. Structure of polycrystalline diamond coatings deposited by GVD method in the plasma of glow discharge with the use of pulse power supply // Probl. At. Sci. Technol. - 2021. - V. 132. - No. 2. - P. 113118. - https://doi.org/10.46813/2021-132-113
22. Pashchenko E.O., Kukharenko S.A., Riabchenko S.V. Development of the technology for manufacturing and introducing a new class of tools with CVD diamond for grinding high-precision gear wheels of special reducer units // Sci. Innovation. - 2020. - V. 16. - No. 1. -P. 69-75. - https://doi.org/10.15407/scine16.01.069
23. Колубаев А.В., Сизова О.В., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Терюкалова Н.В., Новицкая О.С., Белый А.В. Структура и свойства многослойных покрытий CrN/TiN на меди и медно-бериллиевом сплаве, нанесенных методом вакуумно-дугового плазменно-ассистированного осаждения // Физ. мезомех. - 2022. - Т. 25. - № 2. - С. 35-46. - https:// doi.org/10.55652/1683-805X_2022_25_2_35
24. Белашова И.С., Петрова Л.Г., Брежнев А.А. Структура и свойства композиционных слоев, полученных отжигом CVD-покрытий на инструментальной
стали // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2022. - Т. 2. - № 128. - С. 3-10. - https://doi. org/10.30987/2223-4608-2022-2-3-10
25. Иванов В.И. Электроискровое легирование инструмента кузнечного производства // Сельскохозяйственная техника: Обслуживание и ремонт. - 2018. -№ 7. - С. 36-43.
26. Востриков Я.А., Слепцова С.А. Формирование на твердом сплаве многослойного покрытия электродами на основе Ni, Cr, Cu, чугуна, сплава ТТ10К8 и исследование его состава и микротвердости // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. - 2019. - Т. 12. - № 8. - С. 962971. - https://doi.org/10.17516/1999-494X-0196
27. Емелин А.В. Электроискровое легирование рабочих поверхностей деталей и инструментов // Евразийское научное объединение. - 2021. - Т. 3-1. -№ 73. - С. 62-65.
28. Никитина М.С., Яковлев В.С., Никитин С.И. Разработка и внедрение технологий изготовления напай-ного режущего инструмента из твердосплавных пластин и пластин из быстрорежущих сталей // Прогрессивные технологии и процессы: Сборник научных статей Международной молодежной научно-практической конференции, Курск, 2526 сентября 2014 г.: в 2-х т. - Курск: Университетская книга, 2014. - Т. 2. - С. 123-126.
29. Богодухов С.И., Козик Е.С., Свиденко Е.В. Влияние нагрева в различных средах твердых сплавов групп ВК и ТК на качество поверхности // Изв. вузов. Цветная металлургия. - 2022. - Т. 28. - № 6. -С. 71-80. - https://doi.org/10.17073/0021-3438-2022-6-71-80
30. Aramian A., Sadeghian Z., Razavi S.M.J., Berto F. Room and high-temperature sliding wear behavior of in situ TiC-based cermet fabricated through selective laser melting // J. Mater. Eng. Perform. - 2021. -V. 30. - No. 9. - P. 6777. - https://doi.org/doi.org/10. 1007/s11665-021-05995-8
31. Chesnokov A.E., Smirnov A.V., Batraev I.S. Effect of the microstructure of cermet powders on the performance characteristics of thermal spray coatings // J. Synch. Investig. - 2019. - V. 13. - No. 4. - P. 628. -https://doi.org/10.1134/S1027451019030248
32. Heidari E., Boutorabi S.M.A., Honaramooz M.T., Campbell J. Ablation casting of thin-wall ductile iron // Int. J. Met. - 2021. - V. 16. - No. 1. - P. 166. -https://doi.org/10.1007/s40962-021-00579-7
33. Zhong Q., Liu H.B., Xu L.P., Zhang X., Rao M.J., Peng Z.W., Li G.H., Jiang T., Zhong Q. An efficient method for iron ore sintering with high-bed layer: Double-layer sintering // J. Iron Steel. Res. Int. -2021. - V. 28. - No. 11. - P. 1366. - https://doi.org/ 10.1007/s42243-021-00576-4
34. Byun J.M., Lee E.S., Heo Y.J., Jeong Y-K., Oh S-T. Consolidation and properties of tungsten by spark plasma sintering and hot isostatic pressing // Int. J. Re-
fract. Hard. Met. - 2021. - V. 99. - P. 105602. -https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2021.105602
35. Lapshin O.V., Boldyreva E.V., Boldyrev V.V. Role of mixing and mlling in mechanochemical synthesis (review) // Russ. J. Inorg. Chem. - 2021. - V. 66. -No. 3. - P. 433-453. - https://doi.org/10.1134/ S0036023621030116
36. Хлыбов А.А., Беляев Е.С., Рябцев А.Д., Беляева С.С., Гетмановский Ю.А. Горячее изостатическое прессование карбидосталей из стружковых отходов металлорежущего производства // Вестник ИжГТУ. -2020. - Т. 23. - № 3. - С. 38-45. - https://doi.org/10. 22213/2413-1172-2020-3-38-45
37. Manyanin S.E., Vaxidov U.Sh., Maslov K.A. Ways to improve the quality of products using hot isostatic pressing // J. Adv. Res. Tech. Sci. - 2020. - V. 22. -P. 94-97. - https://doi.org/10.26160/2474-5901-2020-22-94-97
38. Никируй А.Э., Лымарь С.В., Дроговоз П.А. Время и стоимость изготовления деталей методом селективного лазерного спекания при организации прецизионного производства // Современные наукоемкие технологии. - 2022. - Т. 2. - С. 72-77. - https:// doi.org/10.17513/snt.39040
39. Бабенцова Л.П., Анциферова И.В. Особенности процесса селективного лазерного спекания // Технология машиностроения. - 2018. - Т. 5. - С. 15-19.
40. Bazhin P.M., Chizhikov A.P., Stolin A.M., Anti-pov M.S., Konstantinov A.S. Long-sized rods of Al2O3-SiC-TiB2 ceramic composite material obtained by SHS-extrusion: Microstructure, X-ray analysis and properties // Ceram. Int. - 2021. - V. 47. - No. 20. -P. 28444. - https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.06. 262
41. Antipov M.S., Chizhikov A.P., Konstantinov A.S., Ba-zhin P.M. Sintered material based on titanium carbide to increase the service life of slide gates // Refract. Ind. Ceram. - 2021. - V. 62. - No. 2. - P. 208-211. -https://doi.org/10.1007/s11148-021-00584-7
42. Bazhin P.M., Kostitsyna E.V., Stolin A.M., Chizhikov A.P., Bychkova M.Ya., Pazniak A. Nanostructured ceramic composite rods: Synthesis, properties and application // Ceram. Int. - 2019. - V. 45. - No. 7. -P. 9297. - https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01. 188
43. Bazhin P.M., Stolin A.M., Alymov M.I. Preparation of nanostructured composite ceramic materials and products under conditions of a combination of combustion and high-temperature deformation (SHS extrusion) // Nanotechnol. Russ. - 2014. - V. 9. - No. 11-12. -P. 583-600. - https://doi.org/10.1134/S1995078014 060020
44. Бажин П.М., Столин П.А., Столин А.М. Керамические электроискровые покрытия, полученные СВС-электродами на основе МАХ-фазы Ti-Al-C // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2018. -Т. 14. - № 8(164). - С. 359-362.
45. Верхотуров А.Д., Гордиенко П.С., Коневцов Л.А., Панин Е. С. Некоторые комментарии к обобщениям механизма электроискрового воздействия на материалы (к 100-летию Б.Р. Лазаренко) // Вестник ДВО РАН. - 2010. - № 1. - С. 46-54.
46. Лазаренко Б.Р. Электроискровая обработка металлов // Вестник АН СССР. - 1965. - № 1.
47. Бажин П.М., Столин А.М., Зарипов Н.Г., Чижиков А.П. Электроискровые покрытия, полученные керамическими СВС-электродными материалами с наноразмерной структурой // ЭОМ. - 2016. -№ 3. - С. 1-8.
48. Гадалов В.Н., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е. Применение композиционных покрытий, полученных различными технологиями для повышения эксплуатационных свойств инструмента и деталей специального назначения // Изв. Тульского государственного университета. Технические науки. -2017. - № 11. - С. 141-153.
49. Иванов В.П., Вигерина Т.В. Коэффициент термического расширения и внутренние напряжения материала покрытий из порошковых материалов // Вестник Полоцкого государственного университета. В. Прикладные науки. Промышленность. -2007. - № 2. - С. 62-66.
50. Гитлевич А.Е. Электроискровое легирование металлических поверхностей. - Кишинев: Штиинца, 1985. - С. 101-104.
51. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. - Л.: Машиностроение, 1989.
52. Криницын М.Г. Структура и свойства покрытий «карбид титана - титан», полученных электроннолучевой порошковой наплавкой // Технологии и материалы. - 2015. - № 4. - С. 24-29.
53. Тополянский П.А. Исследование ионно-плазменных износостойких покрытий на инструментальных сталях // Металлообработка. - 2004. - № 1(19). -С. 24-30.
54. Алифанов А.В., Демянчик А.С., Лях А.А., Милюкова А.М. Повышение эксплуатационных свойств дереворежущих ножей комбинированным методом нанесения вакуумных упрочняющих покрытий и магнитно-импульсной обработки // Литье и металлургия. - 2014. - № 2(75). - С. 95-100.
55. Давыдов С.В., Горленко А.О., Шевцов М.Ю. Износостойкая поверхность трения углеродистой стали, упрочненная порошком карбида вольфрама // Технология машиностроения и материаловедение. -2017. - № 1. - С. 71-80.
56. Asylbaev A., Vafin R., Khairetdinov E., Shaikhutdino-va L., Mamontov D., Sklizkov I., Sunagatova L. Research of the effect of severe plastic deformation with the following ion nitriding on the thickness and micro-hardness of the hardened layer of tool steel R6M5 // J. Phys. Conf. Ser. - 2020. - V. 1713. - P. 012007. -https://doi.org/10.1088/1742-6596/1713/1/012007
Поступила в редакцию 14.11.2022 г., после доработки 28.02.2023 г., принята к публикации 13.03.2023 г.
Сведения об авторах
Антипов Михаил Сергеевич, асп., мнс ИСМАН им. А.Г. Мержанова РАН, [email protected]
Бажин Павел Михайлович, д.т.н., внс ИСМАН им. А.Г. Мержанова РАН, [email protected]
Константинов Александр Сергеевич, к.т.н., нс ИСМАН им. А.Г. Мержанова РАН, [email protected]
Чижиков Андрей Павлович, к.т.н., снс ИСМАН им. А.Г. Мержанова РАН, [email protected]
Жидович Александра Олеговна, мнс ИСМАН им. А.Г. Мержанова РАН, [email protected]
Столин Александр Моисеевич, д.ф.-м.н., проф., зав. лаб. ИСМАН им. А.Г. Мержанова РАН, [email protected]
