ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Для развития областей современной промышленности требуются материалы, способные работать в условиях высоких температур и нагрузок и при этом сохранять свою функциональность и работоспособность. Традиционные материалы, такие как конструкционная сталь 40Х, широко применяются в машиностроении и обладают низкой стоимостью. Однако обыкновенные и низколегированные стали подвергаются интенсивному окислению под воздействием температур свыше 400 °C. Для повышения эксплуатационных характеристик конструкционных сталей в высокотемпературных условиях актуальной задачей является разработка эффективных методов модификации их поверхности. Цель работы. Разработка технологии создания жаростойких поверхностных слоев на конструкционной стали марки 40Х. Для этого применялся метод вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых материалов на основе тугоплавких элементов: ниобия, молибдена и бора. Методика исследования. В рамках исследования проводилось формирование модифицированных слоев на сталь 40Х методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых композиций системы Nb-Mo-B. Методами исследования являются оптическая микроскопия, растровая электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, оценка микротвердости, испытание на высокотемпературное окисление и расчет кинетики реакции окисления. Результаты и обсуждение. Строение модифицированных слоев с толщиной 2,0…2,3 мм имеет градиентную структуру, состоящую из легированного молибденом карбида ниобия в виде дендритов и кристаллов неправильной формы, а также эвтектических колоний на основе этого же карбида и твердых растворов α-Fe и α-(Mo, Fe). Рентгенофазовый анализ позволил установить в модифицированных слоях фазы карбида (Nb, Mo)C и твердые растворы на основе α-Fe и α-(Mo, Fe). Наплавка Nb, Mo и B позволила сформировать на поверхности углеродистой стали 40Х слои, имеющие твердость выше в 2,9 раза и жаростойкость выше в 3,9 раза относительно неупрочненной стали.

1. Microstructure and corrosion behavior of chromium-rich stainless steel coatings deposited by different laser cladding processes / S. Sun, Z. Wu, M. Pang, J. Chang, Y. Xuan, H. Qi, R. Yang, Y. Wu // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 29. – P. 3879–3890. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.02.044.

2. High temperature corrosion resistance of FeCr(Ni, Al) alloys as bulk/overlay weld coatings in the presence of KCl at 600 °C / V. Ssenteza, J. Eklund, I. Hanif, J. Liske, T. Jonsson // Corrosion Science. – 2023. – Vol. 213. – P. 110896. – DOI: 10.1016/j.corsci.2022.110896.

3. Thermal spray coatings on high-temperature oxidation and corrosion applications – A comprehensive review / V. Lakkannavar, K.B. Yogesha, C.D. Prasad, R.K. Phanden, G. Srinivasa, S.C. Prasad // Results in Surfaces and Interfaces. – 2024. – Vol. 16. – P. 100250. – DOI: 10.1016/j.rsurfi.2024.100250.

4. Tribo-oxidation of Ti-Al-Fe and Ti-Al-Mn cladding layers obtained by non-vacuum electron beamtreatment / O.E. Matts, S.Yu. Tarasov, B. Domenichini, D.V. Lazurenko, A.V. Filippov, V.A. Bataev, M.V. Rashkovets, I.K. Chakin, K.I. Emurlaev // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 421. – P. 127442. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127442.

5. Оспенникова О.Г., Подъячев В.Н., Столянков Ю.В. Тугоплавкие сплавы для новой техники // Труды ВИАМ. – 2016. – № 10 (46). – С. 55–63. – DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-10-5-5. – URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=1018 (дата обращения: 21.11.2025).

6. Шестаков А.В., Карашаев М.М., Дмитриев Н.С. Технологические пути создания композиционных материалов на основе жаропрочных тугоплавких соединений (обзор) // Труды ВИАМ. – 2021. – № 8 (102). – С. 12–20. – DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-8-12-20. – URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=1732 (дата обращения: 21.11.2025).

7. Chen B., Zhuo L. Latest progress on refractory high entropy alloys: Composition, fabrication, post processing, performance, simulation and prospect // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2023. – Vol. 110. – P. 105993. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2022.105993.

8. Rymer L.-M., Lindner T., Lampke T. Enhanced high-temperature wear behavior of high-speed laser metal deposited Al_0.3CrFeCoNi coatings alloyed with Nb and Mo // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 470. – P. 129832. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2023.129832.

9. Corrosion behavior of refractory metals in liquid lead at 1000 °C for 1000 h / Z. Xiao, J. Liu, Z. Jiang, L. Luo // Nuclear Engineering and Technology. – 2022. – Vol. 54 (6). – P. 1954–1961. – DOI: 10.1016/j.net.2021.12.014.

10. Boride coatings structure and properties, produced by atmospheric electron-beam cladding / A. Teplykh, M. Golkovskiy, A. Bataev, E. Drobyaz, S.V. Veselov, E. Golovin, I.A. Bataev, A. Nikulina // Advanced Materials Research. – 2011. – Vol. 287–290. – P. 26–31. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.287-290.26.

11. Oxidation performance of spark plasma sintered Inconel 625-NbC metal matrix composites / A. Grabos, P. Rutkowski, J. Huebner, D. Kozien, S. Zhang, Y.-L. Kuo, D. Kata, S. Hayashi // Corrosion Science. – 2022. – Vol. 205. – P. 110453. – DOI: 10.1016/j.corsci.2022.110453.

12. Kinetics and mechanisms of high-temperature oxidation in BCC and FCC high-alloy Fe-based alloys with high volume fraction of carbides / K. Wieczerzak, M. Stygar, T. Brylewski, R. Chulist, P. Bala, J. Michler // Materials & Design. – 2024. – Vol. 244. – P. 113163. – DOI: 10.1016/j.matdes.2024.113163.

13. Wear-resistant boride reinforced steel coatings produced by non-vacuum electron beam cladding / D.A. Santana, G.Y. Koga, W. Wolf, I.A. Bataev, A.A. Ruktuev, C. Bolfarini, C.S. Kiminami, W.J. Botta, A.M. Jorge Jr // Surface & Coatings Technology. – 2020. – Vol. 386. – P. 125466. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125466.

14. Microstructure and mechanical properties of carbides reinforced nickel matrix alloy prepared by selective laser melting / T. Xia, R. Wang, Z. Bi, R. Wang, P. Zhang, G. Sun, J. Zhang // Materials. – 2021. – Vol. 14. – P. 4792. – DOI: 10.3390/ma14174792.

15. Effect of addition of metal carbide on the oxidation behaviors of titanium matrix composites / L. Yanbin, L. Yong, Z. Zhongwei, C. Yanhui, T. Huiping // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 599. – P. 188–194. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.02.056.

16. The elevated temperature oxidation and wear behavior of Fe₂₀Co₂₀Ni₂₀Cr₈Mo₁₂B₁₀Si₁₀ high-entropy alloy coating by laser cladding / G. Zhang, Z. Zhang, J. Xuan, B. Chen, D. Jiang, X. Song // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 29. – P. 4216–4231. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.02.135.

17. Effects of Nb content on the microstructure and properties of CoCrFeMnNiNbx high-entropy alloy coatings by laser cladding / M. Feng, T. Lin, G. Lian, C. Chen, X. Huang // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 28. – P. 3835–3848. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.01.002.

18. Wear of Mo- and W-alloyed TiAlN coatings during high-speed turning of stainless steel / M. Moreno, J.M. Andersson, M.P. Johansson-Jöesaar, B.E. Friedrich, R. Boyd, I.C. Schramm, L.J.S. Johnson, M. Odén, L. Rogström // Surface and Coatings Technology. – 2022. – Vol. 446. – P. 128786. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128786.

19. B and Ce composite microalloying for improving high-temperature oxidation resistance of 254SMO super-austenite stainless steel / Z. Li, J. Ren, J. Ma, C. Zhang, W. Wang, Y. Li, N. Dong, P. Han // Intermetallics. – 2024. – Vol. 174. – P. 108457. – DOI: 10.1016/j.intermet.2024.108457.

20. Анализ современной ситуации в области применения электронно-пучковой обработки различных сплавов. Ч. 1 / Д.В. Комаров, С.В. Коновалов, Д.В. Жуков, И.С. Виноградов, И.А. Панченко // Ползуновский вестник. – 2021. – № 4. – C. 129–139. – DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2021.04.017.

21. Non-vacuum electron-beam boriding of lowcarbon steel / I.A. Bataev, A.A. Bataev, M.G. Golkovsky, A.Yu. Teplykh, V.G. Burov, S.V. Veselov // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 207. – P. 245–253. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.06.081.

22. Cutting and welding of high-strength steels using non-vacuum electron beam as a universal tool for material processing / T. Hassel, N. Murray, G. Klimov, A. Beniyash // World Journal of Engineering and Technology. – 2016. – Vol. 4. – P. 598–607. – DOI: 10.4236/wjet.2016.44056.

23. Марочник сталей и сплавов / под ред. А.С. Зубченко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2003. – 784 c. – ISBN 978-5-94275-582-9.

24. ГОСТ Р ИСО 6507-1–2007. Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу. Ч. 1. Метод измерения. – М.: Стандартинформ, 2008. – 16 с.

25. ГОСТ 6130–71. Металлы. Методы определения жаростойкости: взамен ГОСТ 6130–52: переизд. (сент. 1990 г.) с Изм. № 1. – М.: Изд-во стандартов, 1990. – 14 с.

26. Rogl P., Korniyenko K., Velikanova T. Boron – Carbon – Niobium // Refractory Metal Systems. – Springer, 2009. – P. 474–498. – DOI: 10.1007/978-3-540-88053-0_20.

27. The crystal structure of trigonal diboron trioxide / G.E. Gurr, P.W. Montgomery, C.D. Knutson, B.T. Gorres // Acta Crystallographica. – 1970. – Vol. 26 (7). – P. 906–915. – DOI: 10.1107/S0567740870003369.

28. Tool steel coatings based on niobium carbide and carbonitride compounds / R.A. Mesquita, C.A. Schuh // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 207. – P. 472–479. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.07.052.

29. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней: введение в коррозионную науку и технику / пер. с англ. А.М. Сухотина. – Л.: Химия, 1989. – 456 с. – ISBN 5-7245-0355-7.

30. Oxidation mechanism and high-temperature strength of Mo–B–C-coated diamonds in the 700°C–1200 °C temperature range / X. Mao, Q. Meng, S. Wang, S. Huang, M. Yuan, Y. Qiu // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 33. – P. 7829–7841. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.10.249.

31. Effects of Mo and Nb on the microstructure and high temperature oxidation behaviors of CoCrFeNi-based high entropy alloys / T. Wu, L. Yu, G. Chen, R. Wang, Y. Xue, Y. Lu, B. Luan // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 27. – P. 1537–1549. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.10.058.