ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. В целях продления срока службы деталей, которые в процессе эксплуатации подвергаются воздействию абразивных частиц, на их рабочие поверхности наносят износостойкие покрытия методами порошкового напыления или различными методами наплавки. Одним из самых простых и доступных методов наплавки является дуговая наплавка на воздухе. Для повышения производительности этого процесса вместо штучных электродов используется порошковая проволока. Предмет. В настоящей работе рассмотрена технология получения присадочного композиционного порошка для изготовления порошковой проволоки, описано оборудование для изготовления проволоки и для дуговой наплавки покрытий. Цель работы: исследовать композиционный порошок, синтезированный из механоактивированной смеси ферротитана ФТи35С5 и сажи (технический углерод), и износостойкие покрытия, полученные дуговой наплавкой на подложку из стали 09Г2С проволокой с оболочкой из малоуглеродистой стали 08Ю, заполненной композиционным порошком. Методы. Присадочный порошок и покрытия, полученные дуговой наплавкой, были исследованы методами оптической металлографии, растровой электронной микроскопии с определением элементного состава методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и рентгеноструктурного анализа. Проведены испытания наплавленных покрытий на абразивный износ по ГОСТ 23.208–79, измерена микротвердость присадочного порошка и наплавленных покрытий. Композиционный порошок, который был использован в качестве засыпки при изготовлении порошковой проволоки, был получен дроблением спеков – продуктов реакционного синтеза в порошковых смесях ферротитана ФТи35С5 с углеродом (сажей), механоактивированных в шаровой мельнице Activator-2S. Для изготовления порошковой проволоки и для наплавки электродуговых покрытий использовано специализированное оборудование. Результаты и обсуждение. Согласно результатам рентгеноструктурного анализа порошка, синтезированного из механоактивированной смеси ферротитана и сажи, продукты синтеза содержат две фазы: карбид титана и альфа-железо. Металлографическое исследование показало, что синтезированный порошок имеет структуру железоматричного композита с наноразмерным карбидным упрочнением. Покрытие, наплавленное порошковой проволокой, имеет такой же фазовый состав, но с уменьшенным содержанием карбида титана. Покрытие имеет мартенситноподобную микроструктуру, в 4,5 раза большую твердость и в 2,5 раза большую абразивную износостойкость по сравнению с покрытием, наплавленным проволокой из стали 08Ю, не заполненной порошком. Выводы. Электродуговые покрытия порошковой проволокой, заполненной железоматричным композиционным порошком, имеют высокую твердость (6629 ± 498 МПа) и абразивную износостойкость (158 ± 11 мг/час) благодаря мартенситной структуре наплавки, дополнительно упрочненной частицами карбида титана микронного размера. При наплавке происходит полное растворение субмикронных частиц карбида титана, присутствующих в структуре композиционного порошка, что приводит к обогащению наплавочной ванны углеродом и мартенситному превращению при охлаждении.
1. Sova A., Pervushin D., Smurov I. Development of multimaterial coatings by cold spray and gas detonation spraying // Surface and Coatings Technology. – 2010. – Vol. 205 (4). – P. 1108–1114. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2010.07.092.
2. Computer-controlled detonation spraying: from process fundamentals toward advanced applications / V. Ulianitsky, A. Shtertser, S. Zlobin, I. Smurov // Journal of Thermal Spray Technology. – 2011. – Vol. 20 (4). – P. 791–801. – DOI: 10.1007/s11666-011-9649-6.
3. Detonation spraying behavior of TiCx-Ti powders and the role of reactive processes in the coating formation / D.V. Dudina, G.A. Pribytkov, M.G. Krinitcyn, M.A. Korchagin, N.V. Bulina, B.B. Bokhonov, I.S. Batraev, D.K. Rybin, V.Yu. Ulianitsky // Ceramics International. – 2016. – Vol. 42. – P. 690–696. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.08.166.
4. Study on reactive atmospheric plasma-sprayed in situ titanium compound composite coating / Y. Yao, Z. Wang, Z. Zhou, S. Jiang, J. Shao // Journal of Thermal Spray Technology. – 2013. – Vol. 22 (4). – P. 509–517. – DOI: 10.1007/s11666-013-9907-x.
5. Калита В.И., Комлев Д.И. Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной структурой: монография. – М.: Лидер-М, 2008. – 387 с. – ISBN 978-5-91593-005-5.
6. Effect of Ti/Nb content on microstructure evolution and wear properties of in-situ (Ti,Nb)C reinforced composite coatings by plasma spray welding / X. Mao, P. Zhu, S. Huang, H. He, X. Sun, C. Xu, C. He, Y. Chen, Z. Cheng // Surface and Coatings Technology. – 2024. – Vol. 484. – P. 130826. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.130826.
7. Study on the microstructure and mechanical properties of reactive plasma sprayed TiCxN1−x composite coatings with different Ti/graphite powders / Y. Qin, Z. He, H. Zhao, J. Song, J. Lu, Z. Ma, J. He // Diamond and Related Materials. – 2022. – Vol. 126. – P. 109028. – DOI: 10.1016/j.diamond.2022.109028.
8. Effect of N on microstructure, nucleation mechanism and mechanical performance of (Ti,Nb)C particles in Fe-based composite coating via plasma spray welding / X. Mao, P. Zhu, X. Sun, C. Xu, S. Huang, H. He, Z. Cheng // Surface and Coatings Technology. – 2024. – Vol. 490. – P. 131177. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.131177.
9. Corrosion behavior of cold sprayed 7075Al composite coating reinforced with TiB2 nanoparticles / X. Xie, B. Hosni, C. Chen, H. Wu, Y. Li, Z. Chen, C. Verdy, O.E.I. Kedim, Q. Zhong, A. Addad, C. Coddet, G. Ji, H. Liao // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 404. – P. 126460. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126460.
10. Tuning the microstructure and mechanical properties of additive manufactured aluminum matrix composites by cold spray / Q. Wang, W. Niu, X. Li, P. Han, X. Mao, Y. Ju, M.-X. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 428. – P. 127847. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127847.
11. Wear behavior of electron beam remelting modified Ni/WC thermal spray coatings / G. Zhao, Q. Guo, Y. Li, J. Li, L. Ma, H. Li // Surface and Coatings Technology. – 2024. – Vol. 494 (1). – P. 131336. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.131336.
12. Microstructure and corrosion properties of plasma-sprayed NiCr–Cr3C2 coatings comparison with different post treatment / G. Xie, Y. Lu, Z. He, B. Hu, K. Wang, X. Mo, Y. Wu, P. Lin // Surface and Coatings Technology. – 2008. – Vol. 202. – P. 2885–2890. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2007.10.024.
13. Влияние различных высокоэнергетических обработок на структуру и свойства плазменнонапыленных покрытий на основе эвтектического железа / В.А. Клименов, Е.А. Ковалевский, Ю.Ф. Иванов, Б.С. Семухин, Ж.Г. Сенчило (Ковалевская) // Перспективные материалы. – 1997. – № 2. – С. 66–74.
14. Неровный В.М. Особенности нанесения композиционных покрытий дуговой наплавкой в вакууме // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2018. – Т. 14, № 11 (167). – С. 514–518.
15. Гладкий П.В., Переплетчиков Е.Ф., Рябцев И.А. Плазменная наплавка (обзор) // Сварочное производство. – 2007. – № 2. – С. 32–40.
16. Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий / В.Е. Панин, С.И. Белюк, В.Г. Дураков, Г.А. Прибытков, Н.Г. Ремпе // Сварочное производство. – 2000. – № 2. – С. 34–38.
17. Фоминский Л.П., Казанский В.В. Наплавка порошковых покрытий пучком релятивистских электронов // Сварочное производство. – 1985. – № 5. – С. 13–15.
18. Особенности конструкции и принцип работы установки для изготовления порошковой проволоки для сварки и наплавки / Е.А. Зернин, С.Б. Сапожков, Е.Д. Петрова, А.С. Андреев, Ш.С. Нозирзода // Сварочное производство. – 2023. – № 3. – С. 56–59.
19. Carbide stoichiometry in TiCx and Cu-TiCx produced by self-propagating high-temperature synthesis / N. Zarrinfar, P.H. Shipway, A.R. Kinnedy, A. Saidi // Scripta Materialia. – 2002. – Vol. 46 (2). – P. 121–126. – DOI: 10.1016/S1359-6462(01)01205-2.
20. Preparation of Fe-TiC composites by the thermal-explosion mode of combustion synthesis / A. Saidi, A. Crysanthou, J.V. Wood, J.L.F. Kellie // Ceramics International. – 1997. – Vol. 23 (2). – P. 185–189. – DOI: 10.1016/S0272-8842(96)00022-3.
21. Fan Q., Chai H., Jin Z. Role of iron addition in the combustion synthesis of TiC-Fe cermet // Journal of Materials Science. – 1997. – Vol. 32 (16). – P. 4319–4323. – DOI: 10.1023/A:1018667722150.
22. Han J.C., Zhang X.H., Wood J.V. In-situ combustion synthesis and densification of TiC–xNi cermets // Materials Science and Engineering: A. – 2000. – Vol. 280 (2). – P. 328–333. – DOI: 10.1016/S0921-5093(99)00606-1.
23. Borisova A.L., Borisov Yu.S. Self-propagating high-temperature synthesis for the deposition of thermal-sprayed coatings // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. – 2008. – Vol. 47 (1–2). – P. 80–94. – DOI: 10.1007/s11106-008-0012-5.
24. Microstructural evolution, mechanical properties and wear behavior of in-situ TiC-reinforced Ti matrix composite coating by induction cladding / M. Wei, H. Yu, Z. Song, Y. Yin, X. Zhou, H. Wang, X. Ji, X. Li, P. Shi, W. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 412. – P. 127048. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127048.
25. Mechanoactivated SHS in ferrotitanium–carbon black powder mixtures / G.A. Pribytkov, A.V. Baranovskiy, V.V. Korzhova, M.G. Krinitcyn // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. – 2020. – Vol. 29 (1). – P. 61–63. – DOI: 10.3103/S1061386220010082.
26. Патент № 2750784 C1 Российская Федерация, МПК B22F 3/23, C22C 1/05, C22C 29/10. Способ получения порошкового композиционного материала: № 2020139984: заявл. 05.12.2020: опубл. 02.07.2021 / Г.А. Прибытков, Е.Н. Коростелева, А.В. Барановский, В.В. Коржова, М.Г. Криницын, В.П. Кривопалов; заявитель Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН).
27. ГОСТ 23.208–79. Метод испытания на абразивный износ при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы. Механические испытания. Обеспечение износостойкости изделий. – М.: Стандартинформ, 2005. – 4 с.
28. Марочник сталей и сплавов / под общ. ред. В.Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 638 c. – ISBN 5-217-00509-2.
29. Твердость и абразивная износостойкость электронно-лучевых покрытий, наплавленных СВС композиционными порошками «TiC + сталь Р6М5» / Г.А. Прибытков, А.В. Барановский, И.А. Фирсина, В.Г. Дураков, М.Г. Криницын // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2017. – № 10. – С. 446–452.
30. Structure and properties of composite coatings prepared by electron beam melting with "titanium carbide – titanium binder" / M. Krinitcyn, G. Pribytkov, V. Korzhova, I. Firsina // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 358. – P. 706–714. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.12.001.
Финансирование
Исследование выполнено в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема номер FWRW-2026-0009.
Благодарности
Авторы благодарят В.П. Кривопалова за помощь при синтезе композиционных порошков, А.В. Барановского за помощь при проведении рентгеноструктурных исследований и К.О. Акимова за помощь при выполнении электронномикроскопических исследований.
Прибытков Г.А., Фирсина И.А., Михно А.Р. Электродуговые покрытия, наплавленные порошковой проволокой с карбидным наполнением // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2026. – Т. 28, № 2. – С. 264–279. – DOI: 10.17212/1994-6309-2026-28.2-264-279.
Pribytkov G.A., Firsina I.A., Mikhno A.R. Electric arc surfacing using flux-cored wire with titanium carbide filling. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2026, vol. 28, no. 2, pp. 264–279. DOI: 10.17212/1994-6309-2026-28.2-264-279. (In Russian).
