Том 25 № 2 2023 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 Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск 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, ИФПМ СО РАН, г. Томск, 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 за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. 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 25 № 2 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кисель А.Г., Чуранкин В.Г. Прогнозирование смазочных свойств СОЖ по их плотности и смачивающему действию................................................................................................................................................ 6 Березин И.М., Залазинский А.Г., Крючков Д.И. Аналитическая модель равноканального углового прессования титановой губки............................................................................................................................ 17 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Куц В.В., Чевычелов С.А. Теоретическое исследование кривизны обработанной поверхности при косоугольном фрезеровании сборными фрезами.................................................................................... 32 Скиба В.Ю., Зверев Е.А., Скиба П.Ю., Черников А.Д., Попков А.С. Гибридное технологическое оборудование: к вопросу рационального выбора объектов модернизации при проведении работ, связанных с дооснащением стандартной станочной системы дополнительным концентрированным источником энергии........................................................................................................................................... 45 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. In-situ анализ многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термического воздействия........................................................................................................ 68 Корниенко Е.Е., Гуляев И.П., Кузьмин В.И., Тамбовцев А.С., Тырышкин П.А. Структура и свойства покрытий WC-10Co4Cr, полученных высокоскоростным плазменным напылением............................. 81 Балановский А. Е., Нгуен В. В., Астафьева Н.А., Гусев Р.Ю. Структура и свойства низкоуглеродистой стали после плазменной наплавки борсодержащей обмазки......................................................................... 93 Эмурлаева Ю.Ю., Лазуренко Д.В., Батаева З.Б., Петров И.Ю., Довженко Г.Д., Макагон Л.Д., Хомяков М.Н., Эмурлаев К.И., Батаев И.А. Оценка энергии формирования вакансий в ОЦК-, ГЦК- и ГПУ-металлах с использованием теории функционала плотности........................................................... 104 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 117 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 127 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 05.06.2023. Выход в свет 15.06.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 16,0. Уч.-изд. л. 29,76. Изд. № 116. Заказ 173. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 2 2023 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. 25 No. 2 2023 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 Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk 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, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 2 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kisel’ A.G., Churankin V.G. Predicting the coolant lubricating properties based on its density and wetting eff ect.................................................................................................................................................................... 6 Berezin I.M., Zalazinsky A.G., Kryuchkov D.I. Analytical model of equal-channel angular pressing of titanium sponge.............................................................................................................................................. 17 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Kuts V.V., Chevychelov S.A. Theoretical study of the curvature of the treated surface during oblique milling with prefabricated milling cutters....................................................................................................................... 32 Skeeba V.Yu., Zverev E.A., Skeeba P.Yu., Chernikov A.D., Popkov A.S. Hybrid technological equipment: on the issue of a rational choice of objects of modernization when carrying out work related to retrofi tting a standard machine tool system with an additional concentrated energy source................................................ 45 MATERIAL SCIENCE Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. In-situ analysis of ZrN/CrN multilayer coatings under heating................................................................................................................................................................. 68 Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Kuzmin V.I., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A. Structure and properties of WC-10Co4Cr coatings obtained with high velocity atmospheric plasma spraying.................................... 81 Balanovsky A.E., Nguyen V.V., Astafi eva N.A., Gusev R.Yu. Structure and properties of low carbon steel after plasma-jet hard-facing of boron-containing coating............................................................................. 93 Emurlaeva Yu.Yu., Lazurenko D.V., Bataeva Z.B., Petrov I.Yu., Dovzhenko G.D., Makogon L.D., Khomyakov M.N., Emurlaev K.I., Bataev I.A. Evaluation of vacancy formation energy for BCC-, FCC-, and HCP-metals using density functional theory................................................................................................ 104 EDITORIALMATERIALS 117 FOUNDERS MATERIALS 127 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 81 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Структура и свойства покрытий WC-10Co4Cr, полученных высокоскоростным плазменным напылением Елена Корниенко 1, а,*, Игорь Гуляев 2, b, Виктор Кузьмин 2, c, Александр Тамбовцев 2, d, Павел Тырышкин 2, e 1 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия 2 Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, ул. Институтская, 4/1, г. Новосибирск, 630090, Россия a https://orcid.org/0000-0002-5874-5422, e.kornienko@corp.nstu.ru, b https://orcid.org/0000-0001-5186-6793, gulyaev@itam.nsc.ru, c https://orcid.org/0000-0002-9951-7821, vikuzmin57@mail.ru, d http://orcid.org/0000-0003-1635-9352, alsetam123@icloud.com, e https://orcid.org/0009-0009-8125-6772, pavel99730@gmail.com Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 2 с. 81–92 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.2-81-92 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Сталь широко применяется для изготовления различных деталей машин благодаря комплексу высоких механических, технологических и физико-химических свойств. Несмотря на эти преимущества, эксплуатация стальных деталей в агрессивных условиях (высокие температуры, ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.793.71 История статьи: Поступила: 24 марта 2023 Рецензирование: 02 апреля 2023 Принята к печати: 08 апреля 2023 Доступно онлайн: 15 июня 2023 Ключевые слова: Плазменное напыление Высокоскоростное плазменное напыление Покрытие WC-Co HV-APS Coating Финансирование Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования (проект № 121030500145-0). Благодарности Исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Углеродистая сталь часто используется для изготовления различных деталей машин, но эксплуатация в агрессивных условиях способствует быстрому снижению их свойств вплоть до выхода из строя. Решением данной проблемы является модификация рабочих поверхностей стальных деталей для повышения их износостойкости и коррозионной стойкости, что будет способствовать увеличению срока их службы. Стальные детали с металлокерамическими покрытиями на основе карбида вольфрама WC часто применяются там, где требуются повышенная твердость, износостойкость и коррозионная стойкость. Цель работы. Исследовать влияние режимов высокоскоростного плазменного напыления (high velocity plasma spraying, HV-APS) с использованием воздуха в качестве плазмообразующего газа на структуру, фазовый состав и свойства покрытий WС-Co. Материалы и методики. В настоящей работе покрытия WC-10Co4Cr наносили на подложку из стали 20 методом HV-APS. Структуру и фазовый состав покрытий анализировали при помощи оптической и растровой электронной микроскопии (РЭМ), а также рентгенофазового анализа (РФА). Кроме того, в работе представлены результаты измерений пористости, микротвердости, износостойкости и качественная оценка адгезии полученных покрытий. Результаты и обсуждение. Показано, что все покрытия характеризуются высокой плотностью, отсутствием трещин и оксидных пленок. Установлено, что покрытия состоят из частиц WC и W2C, равномерно распределенных в металлической матрице, которая представляет собой аморфный или нанокристаллический пересыщенный твердый раствор Co(W,C). Максимальное количество карбидов (49 %) наблюдается в покрытиях, полученных при дистанции напыления 170 мм, ток дуги – 140 А. Минимальное количество карбидов (25 %) наблюдается в покрытиях, полученных при дистанция напыления 250 мм, ток дуги – 200 А. Покрытия с максимальным количеством карбидов обладают максимальными значениями микротвердости (1284 HV0,1) и износостойкости. Установлено, что все покрытия характеризуются высокой адгезией. При испытаниях на загиб 180° вокруг направляющего ролика они не отслаивались. Для цитирования: Структура и свойства покрытий WC-10Co4Cr, полученных высокоскоростным плазменным напылением / Е.Е. Корниенко, И.П. Гуляев, В.И. Кузьмин, А.С. Тамбовцев, П.А. Тырышкин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 2. – С. 81–92. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.2-81-92. ______ *Адрес для переписки Корниенко Елена Евгеньевна, к.т.н., доцент Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, 630073, г. Новосибирск, Россия Тел.: 8 (383) 346-11-71, e-mail: e.kornienko@corp.nstu.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 82 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ износ и коррозионные среды) способствует быстрому снижению их свойств вплоть до выхода из строя. Решением данной проблемы является модификация рабочих поверхностей стальных деталей для повышения их износостойкости и коррозионной стойкости, что будет способствовать увеличению срока их службы [1, 2]. Кроме того, нанесение небольших по толщине покрытий позволит сохранить допустимый уровень вязкости по сечению изделий. Известно, что стальные детали с металлокерамическими покрытиями на основе карбида вольфрама (WC) часто используются в таких областях промышленности, как нефтедобывающая, авиационная, металлургическая, химическая и машиностроительная, благодаря высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости [3–6]. К основным технологиям нанесения покрытий из этих материалов относятся HVOF и APS [7–11]. Из-за высокой твердости и хрупкости частицы WC обычно наносят вместе с металлическим связующим, формируя композиционные покрытия. Такие покрытия сочетают в себе высокую пластичность, ударную вязкость и технологичность связующего (Co, Ni, Ti, Fe, Cu и других), а также высокую износостойкость и коррозионную стойкость керамики [12, 13]. Известно, что, изменяя параметры напыления или характеристики напыляемого порошка, можно контролировать структуру и фазовый состав, а значит, и свойства покрытий. Так, в работе [14] установлена зависимость пористости и коррозионной стойкости покрытий WC-12Co, полученных методом HVOF, от температуры нагрева частиц в струе транспортирующего газа. Более высокая температура нагрева способствовала формированию аморфной структуры в покрытиях и повышению коррозионной стойкости. Авторы работы [15] показали, что параметры процесса HVOF при напылении покрытий WC12Co влияют на фазовый состав, пористость, твердость и позволяют управлять трибологическими характеристиками покрытий. В работах [16–18] утверждается, что использование наноструктурированного порошка WC-Co позволяет значительно повысить твердость, износостойкость и коррозионную стойкость по сравнению с покрытиями, полученными из микронных порошков WC-Co. Использование авторами работы [7] беспористого ультрамелкозернистого порошка WC-Co позволило получить покрытия, состоящие только из WC и аморфной и нанокристаллической матрицы Со, износостойкость которых была в четыре раза выше, чем у покрытий из более крупного порошка. С другой стороны, в работах [19, 20] показано, что при нанесении газотермическими методами большая часть наноразмерного порошка WC успевает разложиться в напылительной струе. Это, в свою очередь, приводит к снижению износостойкости формируемых покрытий. Авторы работы [5] показали, что при плазменном напылении большее влияние на износостойкость оказывает состав плазмообразующего газа Ar/He или Ar/H2, а не размер напыляемых частиц. При использовании аргон-гелиевой смеси плазменная струя (с более низкой рабочей температурой) снижает степень обезуглероживания частиц WC и, таким образом, повышает их объемную долю в покрытии. Поскольку покрытия, напыленные Ar/He-струей, имели более высокую объемную долю частиц WC, они характеризовались более высокими значениями твердости, износостойкости, а также ударной вязкости. Авторы сообщают, что при плазменном напылении Ar/He-струей бо́льшую износостойкость имели покрытия из наноразмерного порошка, а не из микронного. Анализируя данные, приведенные в литературе, можно сделать следующий вывод: на сегодняшний день HVOF- и APS-методы получения керметных покрытий достаточно подробно исследованы. Показано, что после отработки технологии напыления конкретного порошка можно достоверно регулировать свойства получаемых покрытий. В связи с вышеизложенным целью настоящей работы является исследование влияния режимов HV-APS с использованием воздуха в качестве плазмообразующего газа на структуру, фазовый состав и свойства покрытий WС-Co. Методика экспериментального исследования Объектом исследований в настоящей работе являлись покрытия, сформированные из коммерческого гранулированного порошка WC10Co4Cr фракцией 15–38 мкм. Сверхзвуковое плазменное напыление HV-APS проводили с использованием электродугового плазмотрона
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 83 MATERIAL SCIENCE ПНК-50, разработанного в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН. В качестве подложки подготавливали шайбы из стали 20 (d = 20 мм, s = 7,5 мм). Покрытие наносили на торцевую поверхность шайб. Перед напылением порошка торцевую поверхность подложек очищали при помощи пескоструйной обработки. Режимы HVAPS приведены в табл. 1. В качестве изменяемого параметра выступали дистанция напыления (170 и 250 мм) и ток дуги (140, 170 и 200 А). В качестве плазмообразующего, транспортирующего и фокусирующего газа использовали воздух с добавкой 4 об. % метана. Структурные исследования и измерения пористости и микротвердости проводили на поперечных микрошлифах, подготовка которых заключалась в следующем: механическое шлифование при помощи суспензий с частицами Al2O3 зернистостью 9, 6, 3 и 1 мкм и финишное полирование на сукне с использованием коллоидного раствора оксида кремния зернистостью 0,04 мкм. Для исследования структуры покрытий использовали оптический микроскоп Olympus GX-51 (Olympus, Япония), оснащенный программным обеспечением OLYMPUS Stream ImageAnalysis Stream Essentials 1.9.1 для измерения пористости материалов. Кроме того, структурные исследования проводили на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EVO50 XVP с микроанализатором EDS X-Act. Рентгеновский дифрактометр ARL X’TRA использовали для изучения фазового состава в CuKα-излучении. Режимы съемки: время t = 3 с, шаг Δ2θ = 0,05º. Микротвердость покрытий оценивали на микротвердомере Wolpert Group 402MVD при нагрузке 100 г [21]. Испытания на износостойкость проводили в соответствии с ASTM G65. Для данного испытания наносили покрытие толщиной 300– 350 мкм на пластины размером 25×75×3 мм. Во время испытания абразивный материал (электрокорунд) подавался в зону трения и прижимался к образцу вращающимся резиновым роликом. Образец прижимался к ролику рычагом с усилием 44 H. Частота вращения ролика – 60 об/мин. По результатам взвешивания определяли среднеарифметическое значение потери массы. Для качественной оценки адгезии покрытий проводили загиб образцов на 180° вокруг направляющего ролика диаметром 10 мм по ASTM E-290. Результаты и их обсуждение Микроструктурные характеристики покрытий На рис. 1 представлены рентгенограммы исходного порошка и покрытий, полученных при разных режимах напыления. Видно, что основными фазами порошка являются карбид вольфрама WC (51-939) и кобальт Со (15-806) (рис. 1, а). Рентгенограммы всех покрытий (рис. 1, б–ж) практически одинаковы: основными фазами являются WC (65-4539) и W2C (35-776). Интенсивность пиков фазы WC в покрытиях меньше, чем в порошке, что свидетельствует о меньшей его объемной доле. Фаза W2C образуется в результате обезуглероживания WC по реакциям [22]: 2WC ↔ W2C + C; 2WC + O2 ↔ W2C + CO2. Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Режимы HV-APS The modes of HV-APS Дистанция напыления, мм / Spraying distance, mm Ток дуги, А / Arc current, A Обозначение режимов / Spraying modes 170 140 170/140 170 170/170 200 170/200 250 140 250/140 170 250/170 200 250/200
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 84 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 2θ, град Рис. 1. Рентгенограммы порошка (а) и покрытий, полученных при разных режимах: б – 170/140; в – 170/170; г – 170/200; д – 250/140; е – 250/170; ж – 250/200 Fig. 1. X-ray diff raction patterns of powder (a) and coatings formed at diff erent modes: б – 170/140; в – 170/170; г – 170/200; д – 250/140; е – 250/170; ж – 250/200 Смещение дифракционных максимумов фазы W2C указывает на изменение межатомных расстояний. Отсутствие кобальта на рентгенограммах покрытий объясняется тем, что при напылении часть WC растворяется в кобальтовой матрице, а при быстром охлаждении на холодной подложке или уже затвердевших сплэтах формируется аморфный или нанокристаллический пересыщенный твердый раствор Co(W,C). На его образование указывает широкое дифракционное гало в диапазоне 2θ = 37–47°. Согласно данным работ [22–24] в матрице также возможно формирование η-фаз (Co3W3C, Co2W4C или Co6W6C), хотя рентгеноструктурным анализом они идентифицированы не были. На рис. 2, a–е приведены изображения микроструктуры покрытий, полученных при разных режимах. Их толщина в среднем составляет 150–200 мкм. Все покрытия характеризуются высокой плотностью и хорошей адгезией с подложкой. Отсутствие трещин и выкрошившихся в процессе подготовки карбидных частиц свидетельствует о высокой когезионной прочности. Все покрытия имеют слоистую структуру, характерную для газотермического напыления. Стоит отметить, что полученные покрытия характеризуются значительной разницей объемной доли карбидов. На рис. 2, а–в (верхний ряд) представлены покрытия, полученные на дистанции напыления 170 мм, а на рис. 2, г–е (нижний ряд) – 250 мм. При напылении изменяли также силу тока: 140 А (рис. 2, а, г), 170 A (рис. 2, б, д) и 200 А (рис. 2, в, е). Видно, что дистанция напыления, как и сила тока, оказывает значительное влияние на количество карбидов. Зависимость объемной доли карбидов от режимов напыления приведена на рис. 3. Видно, что количество WC и W2C уменьшается с увеличением силы тока и дистанции напыления. Это связано с тем, что c повышением силы тока повышается температура плазменного потока, что приводит к более высокому нагреву частиц WC. Максимальное количество карбидов (49 %) наблюдается в покрытиях, полученных в режиме 170/140; минимальное (25 %) – в режиме 250/200. На рис. 4, а представлено РЭМ-изображение покрытия, полученное в режиме BSE. Видно, что
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 85 MATERIAL SCIENCE а б в г д е Рис. 2. Структура покрытий HV-APS. Режимы: a – 170/140; б – 170/170; в – 170/200; г – 250/140; д – 250/170; е – 250/200 Fig. 2. The structure of HV-APS coatings. The modes: a – 170/140; б – 170/170; в – 170/200; г – 250/140; д – 250/170; е – 250/200 частицы WC расположены внутри сплэтов и имеют разные размеры (участки 4 и 5 на рис. 4, а). В покрытиях также наблюдались участки, которые вообще не содержат частиц WC (участки 1–3 на рис. 4, а). В зависимости от того, сколько времени частицы карбида вольфрама находятся при высоких температурах, степень их разложения будет отличаться. Известно, что при нагреве в плазменной струе частицы WC начинаРис. 3. Зависимость количества карбидов WC+W2C в покрытии от режимов напыления Fig. 3. Dependence of the WC+W2C mass fraction on spraying modes ют оплавляться, и атомы вольфрама и углерода диффундируют в жидкую кобальтовую матрицу. При охлаждении расплавленного материала со скоростями намного выше критических фиксируется аморфный или нанокристаллический пересыщенный твердый раствор Сo(W, C). На схеме (рис. 4, б) показано, что степень обезуглероживания частиц WC неодинакова в разных сплэтах. Так, в сплэтах с более темной матрицей (участок 5 на рис. 4, а) частицы практически не оплавляются в отличие от сплэтов с более светлой матрицей (участок 4 на рис. 4, а). В зависимости от количества вольфрама и углерода, растворенных в кобальте, матрица характеризуется различными оттенками серого цвета. Согласно данным микрорентгеноспектрального анализа (табл. 2) в более светлых участках (участок 1 на рис. 4, а) содержится больше вольфрама, а в более темных (участок 3 на рис. 4, а) – меньше. Полученные данные хорошо согласуются с данными работы [5]. Механические свойства и износостойкость покрытий Результаты измерений средних значений микротвердости покрытий в зависимости от режима напыления представлены на рис. 5. Видно,
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 2 2023 86 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б Рис. 4. РЭМ-изображение (а) и схема (б) покрытия WC-Co Fig. 4. SEM micrograph (a) and scheme (б) of plasma WC-Co coating Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Микрорентгеноспектральный анализ покрытий Electron microprobe analysis of coatings № области / № area Химический элемент, вес. % / Chemical element, wt. % W Co C Cr 1 92,84 2,89 3.52 0,74 2 87,69 3,28 8.23 0,8 3 80,59 7,95 7,45 4 4 79,17 9,08 6.83 4,91 5 77,65 10,52 7,87 3,95 Рис. 5. Микротвердость покрытий, полученных при разных режимах Fig. 5. Microhardness of coatings formed on diff erent modes что увеличение силы тока способствует снижению значений микротвердости, это можно объяснить уменьшением объемной доли карбидов в покрытиях. Влияние дистанции напыления незначительно, при этом твердость покрытий, полученных на 250 мм, чуть ниже. Максимальная микротвердость (1284 и 1287 HV0,1) характерна для покрытий, полученных в режимах 170/140 и 250/140. Самые низкие значения микротвердости (1153 и 1140 HV0,1) наблюдаются у покрытий, полученных в режимах 170/200 и 250/200. В среднем микротвердость участков с карбидами составляет 1432 ± 107 HV0,1, матрицы – 772 ± 93 HV0,1. Эти данные хорошо согласуются с данными работ [9, 25]. Результаты испытаний покрытий на износ о нежестко закрепленные частицы абразива приведены на рис. 6. Видно, что максимальная износостойкость характерна для образцов с покрытиями, полученными в режиме 170/140 (относительная износостойкость 0,21), минимальная – для образцов, полученных в режиме 250/200 (относительная износостойкость 0,14). Снижение износостойкости можно объяснить уменьшением объемной доли карбидной фазы,
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 2 2023 87 MATERIAL SCIENCE Рис. 6. Относительная износостойкость покрытий, полученных при разных режимах Fig. 6. Relative wear resistance of coatings formed by diff erent modes что также хорошо коррелирует с результатами измерений микротвердости. Для оценки адгезии покрытий в работе были проведены испытания на направляемый загиб 180°. Во всех случаях покрытия растрескались в области изгиба, но не отслоились. На рис. 7 представлены изображения поверхности пластин с покрытиями, полученными в режимах 170/140 (рис. 7, а) и 250/200 (рис. 7, б), после испытания. Видно, что трещины в покрытиях практически прямолинейны, без разветвлений. Расстояние между трещинами увеличивается с увеличением тока и дистанции напыления. Полученные данные свидетельствуют о высокой адгезии покрытий. а б Рис. 7. Образцы с покрытиями после испытаний на изгиб: a – 170/140; б – 250/200 Fig. 7. The specimens with coating after bend test: a – 170/140; б – 250/200 Выводы 1. Метод HV-APS позволяет формировать высококачественные металлокерамические покрытия WC-Co, характеризующиеся высокой плотностью, отсутствием трещин и оксидных пленок. 2. Согласно данным, полученным с помощью РЭМ и РФА, покрытия состоят из частиц WC и W2C, равномерно распределенных в металлической матрице. Матрица представляет собой аморфный или нанокристаллический пересыщенный твердый раствор Co(W,C). 3. Методом оптической микроскопии показано, что дистанция напыления, как и сила тока, оказывает значительное влияние на объемную долю карбидов. Максимальное количество карбидов (49 %) наблюдается в покрытиях, полученных в режиме 170/140, минимальное (25 %) – в покрытиях, полученных в режиме 250/200. 4. Установлено, что максимальная микротвердость (1284 и 1287 HV0,1) характерна для покрытий, полученных в режимах 170/140 и 250/140; минимальные значения микротвердости (1153 и 1140 HV0,1) наблюдаются у покрытий, полученных в режимах 170/200 и 250/200. 5. Выявлено, что максимальная износостойкость характерна для образцов с покрытиями, полученными в режиме 170/140 (относительная износостойкость 0,21), минимальная – для образцов, полученных в режиме 250/200 (относительная износостойкость 0,14). 6. Показано, что все покрытия характеризуются высокой адгезией. При испытаниях на трехточечный изгиб покрытия не отслаивались. Список литературы 1. Surface modifi cation of air plasma spraying WC–12%Co cermet coating by laser melting technique / M. Afzal, M. Ajmal, A. Nusair Khan, A. Hussain, R. Akhter // Optics Laser. – 2014. – Vol. 56. – P. 202– 206. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2013.08.017. 2. Microstructure and cavitation erosion behavior of WC-Co-Cr coating on 1Cr18Ni9Ti stainless steel by HVOF thermal spraying /Y.Wu, S. Hong, J. Zhang, Z. He, W. Guo, Q. Wang, G. Li // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2012. – Vol. 32. – P. 21–26. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2012.01.002. 3. Interdependence of slurry erosion wear performance and residual stress in WC-12wt%Co and WC-10wt%VC-12wt%Co HVOF coatings /A.M. Venter,
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1