blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-4-304-309blackmet-1076Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEНАНОТВЕРДОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ ИЗНОСОСТОЙКОЙ НАПЛАВКИ, ОБЛУЧЕННОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМSURFACE NANOHARDNESS OF WEAR RESISTANT SURFACING IRRADIATED BY ELECTRON BEAMКормышевВ. Е.KormyshevV. E.

инженер кафедры естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля

Engineer of the Chair of Science named after V.M. Finkel

89239230000@mail.ruИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Chief Researcher

yufi55@mail.ruГромовВ. Е.GromovV. E.

д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Head of the Chair of Science named after V.M. Finkel

gromov@physics.sibsiu.ruКоноваловС. В.KonovalovS. V.

д.т.н., доцент, заведующий кафедрой технологии металлов и авиационного материаловедения

Dr. Sci. (Eng.), Assist. Professor, Head of the Chair of Metals Technology and Aviation Materials

ksv@ssau.ruТересовА. Д.TeresovA. D.

ведущий электроник

Leading Electronic Engineer of the Laboratory of Lowtemperature Plasma

tad514@sibmail.comСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial University, NovokuznetskRussian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАН Национальный исследовательский Томский политехнический университетРоссияInstitute of High Current Electronics SB RAS, Tomsk National Research Tomsk Polytechnic University, TomskRussian FederationСамарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. КоролеваРоссияSamara University, SamaraRussian Federation201727052017604304309Copyright © Кормышев В.Е., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Коновалов С.В., Тересов А.Д., 20172017Кормышев В.Е., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Коновалов С.В., Тересов А.Д.Kormyshev V.E., Ivanov Y.F., Gromov V.E., Konovalov S.V., Teresov A.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1076

Для обоснованного выбора материала покрытий, соответствующих условиям эксплуатации изделий и режимов последующей электронно-пучковой обработки, исследованы нанотвердость, модуль Юнга и дефектная субструктура слоя, наплавленного на мартенситную низкоуглеродистую сталь Hardox 450 высокоуглеродистыми порошковыми проволоками диам. 1,6 мм различного химического состава (содержащими такие элементы, как ванадий, хром, ниобий, вольфрам, марганец, кремний, никель, бор), и дополнительно двухкратно-облученного импульсным электронным пучком. Формирование наплавленного слоя на поверхность стали осуществляли в среде защитного газа, содержащем 98 % Ar, 2 % CO2 , при сварочном токе 250 – 300 А и напряжении на дуге 30 – 35 В. Модифицирование наплавленного слоя осуществляли путем облучения поверхности наплавленного слоя высокоинтенсивным электронным пучком в режиме плавления и высокоскоростной кристаллизации. Нагрузка на индентор составляла 50 мН. Определение нанотвердости и модуля Юнга проводили в 30 произвольно выбранных точках модифицированной поверхности наплавки. Дефектную структуру поверхности модифицированной электронным пучком наплавки изучали методами сканирующей электронной микроскопии. Выявлено кратное увеличение нанотвердости и модуля Юнга наплавленного слоя при электронно-пучковой обработке относительно материала основы. Выявлено, что максимальный упрочняющий эффект наблюдается при наплавке порошковой проволокой, содержащей 4,5 % бора. Показано, что на поверхности наплавки, сформированной проволокой, в элементный состав которой входит 4,5 % бора, и дополнительно облученной интенсивным импульсным электронным пучком, формируются системы микротрещин. Исследования наплавок, сформированных порошковыми проволоками, не содержащими бор, после импульсной обработки электронным пучком показали отсутствие микротрещин на модифицированной поверхности. Повышение прочностных свойств модифицированного электронным пучком наплавленного слоя обусловлено формированием структуры, размеры кристаллитов которой изменяются от десятых долей микрометра до единиц микрометра, и содержащей включения вторых фаз (бориды, карбиды, карбобориды). Установлен значительный разброс значений нанотвердости и модуля Юнга, что обусловлено, очевидно, неоднородным распределением упрочняющих фаз.

 

The nanohardness, Young elastic modulus and defect substructure of the layer surfaced on the low carbon martensite Hardox 450 steel by the high carbon power wires with diameter of 1.6 mm of different chemical composition (containing such elements as V, Cr, Nb, W, Mn, Si, Ni, B) and two times additionally irradiated by the pulse electron beam were studied for the purpose of substantiated selection of coating material corresponding to the product operation conditions and the modes of subsequent electron beam treatment. The formation of the fused layer on the steel surface was carried out in the shielding gas medium containing 98 % Ar, 2 % CO2 , with a welding current of 250 – 300 A and a voltage on the arc of 30 – 35 V. Modification of the deposited layer was carried out by irradiating the surface of the deposited layer by a high-intensity electron beam in the mode of melting and high-speed crystallization. The load on the inductor was 50 mN. Determination of the nanohardness and Young elastic modulus was carried out at 30 arbitrarily chosen points of the modified surface. The defect structure of the surface modified by of an electron beam of the surfacing was studied by scanning electron microscopy. A multiple increase in nanohardness and Young elastic modulus of the welded layer was revealed during electron-beam treatment according to the base material. It was found that the maximum hardening effect is observed at surfacing by a flux-cored wire containing 4.5 % of boron. It is shown that on the weld deposit surface formed by the wire with 4.5% of boron and additionally irradiated with an intense pulsed electron beam, the formation of a microcrack system on the surface of irradiation was revealed. Investigations of weld deposits, formed by non-boron-containing powder wires, have shown the absence of microcracks on the modified surface after pulsed electron beam treatment. The increase in the strength properties of the deposited layer modified by the electron beam is due to the formation of structures which crystallite sizes vary from tenths of a micrometer to one micrometer and contain second phases (borides, carbides, carbborides). A significant spread of the values of the nanohardness and the Young elastic modulus was established, which was apparently due to the inhomogeneous distribution of the strengthening phases.

 

наплавкапорошковая проволокананотвердостьэлектронно-пучковая обработкамодуль Юнганизкоуглеродистая стальsurfacingflux cored wirenanohardnesselectron beam treatmentYoung elastic moduluslow carbon steelReferencesЧерноиванов В.И., Голубев И.Г. Восстановление деталей машин (Состояние и перспективы). – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2010. – 376 с.Chernoivanov V.I., Golubev I.G. Vosstanovlenie detalei mashin (Sos-toyanie i perspektivy) [Restoration of machine parts (Status and prospects)]. Moscow: FGNU “Rosinformagrotekh”, 2010, 376 p. (In Russ.).Жиркин Ю.В. Надежность, эксплуатация и ремонт металлургических машин. – Магнитогорск: изд. МГТУ, 2002. – 330 с.Zhirkin Yu.V. Nadezhnost’, ekspluatatsiya i remont metallurgicheskikh mashin [Reliability, maintenance and repair of metallurgical machines]. Magnitogorsk: MGTU, 2002, 213 p. (In Russ.).Наноинженерия поверхности. Формирование неравновесных состояний в поверхностных слоях материалов методами электронно-ионно-плазменных технологий / Отв. ред. Н.З. Ляхов, С.Г. Псахье. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. – 276 с.Nanoinzheneriya poverkhnosti. Formirovanie neravnovesnykh sostoyanii v poverkhnostnykh sloyakh materialov metodami elektronno-ionno-plazmennykh tekhnologii [Nanoengineering of surface. Formation of non-equilibrium states in the surface layers of materials by means of electron-ion-plasma technologies]. Lya khov N.Z., Psakh’e S.G. eds. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2008, 276 p. (In Russ.).Konovalov S., Kormyshev V., Gromov V., Ivanov Yu. Metallographic examination of forming improved mechanical properties via surfacing of steel HARDOX 450 with fl ux cored wire // Materials Science Forum. 2016. Vol. 870. P. 159 – 162.Konovalov S., Kormyshev V., Gromov V., Ivanov Yu. Metallographic examination of forming improved mechanical properties via surfacing of steel HARDOX 450 with fl ux cored wire. Materials Science Forum. 2016, vol. 870, pp. 159–162.Гришунин В.А., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф. и др. Эволюция фазового состава и дефектной субструктуры рельсовой стали, подвергнутой обработке высокоинтенсивным электронным пучком // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2013. № 10. С. 82 – 88.Grishunin V.A., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Teresov A.D., Konovalov S.V. Evolution of the phase composition and defect substructure of rail steel subjected to high-intensity electron-beam treatment. Journal of Surface Investigation. 2013, vol. 7, no. 5, pp. 990–995.Yun H., Li J., Chen H.B., Lin C.-J. A study on the N-, S- and Cl-modified nano-TiO2 coatings for corrosion protection of stainless steel // Electrochimica Acta. 2007. Vol. 52. P. 6679 – 6685.Yun H., Li J., Chen H.B., Lin C.-J. A study on the N-, S- and Cl-modifi ed nano-TiO2 coatings for corrosion protection of stainless steel. Electrochimica Acta. 2007, vol. 52, pp. 6679–6685.Cho T.Y., Yoon J.H., Cho J.Y. etc. Surface properties and tensile bond strength of HVOF thermal spray coatings of WC-Co powder onto the surface of 420J2 steel and the bond coats of Ni, NiCr, and Ni/NiCr // Surface and Coatings Technology. 2009. Vol. 203. P. 3250 – 3253.Cho T.Y., Yoon J.H., Cho J.Y., Joo Y.K., Kang J.H., Zhang S., Gon Chun H., Hwang S.Y., Kwon S.C. Surface properties and tensile bond strength of HVOF thermal spray coatings of WC-Co powder onto the surface of 420J2 steel and the bond coats of Ni, NiCr, and Ni/NiCr. Surface and Coatings Technology. 2009, vol. 203, pp. 3250–3253.Jiang P., He X.L., Li X.X. etc. Wear resistance of a laser surface alloyed Ti-6Al-4V alloy // Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 130. P. 24 – 28.Jiang P., He X.L., Li X.X., Yu L.G., Wang H.M. Wear resistance of a laser surface alloyed Ti-6Al-4V alloy. Surface and Coatings Technology. 2000, vol. 130, pp. 24–28.Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов: Учебник / В.А. Грибков, Ф.И. Григорьев, Б.А. Калин и др. – М.: Круглый стол, 2001. – 528 с.Gribkov V.A., Grigor’ev F.I., Kalin B.A. etc. Perspektivnye radiatsionno-puchkovye tekhnologii obrabotki materialov: uchebnik [Perspective radiation-beam technologies of material processing: Textbook]. Moscow: Kruglyi stol, 2001, 528 p. (In Russ.).Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов / К.К. Кадыржанов, Ф.Ф. Комаров, А.Д. Погребняк и др. – М.: изд. МГУ, 2005. – 640 с.Kadyrzhanov K.K., Komarov F.F., Pogrebnyak A.D. etc. Ionnoluchevaya i ionno-plazmennaya modifi katsiya materialov [Ion-beam and ion-plasma modifi cation of materials]. Moscow: izd. MGU, 2005, 640 p. (In Russ.).Walker J.C., Murray J.W., Niea M. etc. The eff ect of large-area pulsed electron beam melting on the corrosion and microstructure of a Ti6Al4V alloy // Applied Surface Science. 2014. Vol. 311. P. 534 – 540.Walker J.C., Murray J.W., Niea M., Cook R.B., Clare A.T. The effect of large-area pulsed electron beam melting on the corrosion and microstructure of a Ti6Al4V alloy. Applied Surface Science. 2014, vol. 311, pp. 534–540.Gao Yu-kui. Infl uence of pulsed electron beam treatment on microstructure and properties of TA15 titanium alloy // Applied Surface Science. 2013. Vol. 264. P. 633 – 635.Gao Yu-kui. Infl uence of pulsed electron beam treatment on micro-structure and properties of TA15 titanium alloy. Applied Surface Scien ce. 2013, vol. 264, pp. 633–635.Golkovski M.G., Bataev I.A., Bataev A.A. etc. Atmospheric electron-beam surface alloying of titanium with tantalum // Materials Science and Engineering A. 2013. Vol. 578. P. 310 – 317.Golkovski M.G., Bataev I.A., Bataev A.A., Ruktuev A.A., Zhuravina T.V., Kuksanov N.K., Salimov R.A., Bataev V.A. Atmospheric electron-beam surface alloying of titanium with tantalum. Materials Science and Engineering A. 2013, vol. 578, pp. 310–317.Райков С.В., Капралов Е.В., Ващук Е.С. и др. Структура поверхностного слоя износостойкой наплавки, обработанным высокоинтенсивным электронным пучком // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2015. № 9. С. 75 – 80.Raikov S.V., Kapralov E.V., Vashchuk E.S., Budovskikh E.A., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Teresov A.D., Sosnin K.V. Structure of the surface layer of a wear-resistant coating after treatment with a high-intensity electron beam. Journal of Surface Investigation. 2015, vol. 9, no. 5, pp. 934–938.Ivanov Y., Alsaraeva K., Gromov V. etc. Evolution of Al-19.4Si alloy surface structure after electron beam treatment and high cycle fatigue // Materials Science and Technology (United Kingdom). 2015. Vol. 31 (13a). P. 1523 – 1529.Ivanov Y., Alsaraeva K., Gromov V., Konovalov S., Semina O. Evolution of Al-19.4Si alloy surface structure after electron beam treatment and high cycle fatigue. Materials Science and Technology (United Kingdom). 2015, vol. 31 (13a), pp. 1523–1529.Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hard ness and elastic modulus using load and displacement sensing inden tation experiments // J. Mater. Res. 1992. Vol. 7. No. 6. P. 1564 – 1583.Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Res. 1992, vol. 7, no. 6, pp. 1564–1583.Milman Yu.V., Golubenko A.A., Dub S.N. Indentation size eff ect in nanohardness // Acta Materialia. 2011. Vol. 59 (20). P. 7480 – 7487.Milman Yu.V., Golubenko A.A., Dub S.N. Indentation size eff ect in nanohardness. Acta Materialia. 2011, vol. 59 (20), pp. 7480–7487.Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. – М.: Машиностроение, 2007. – 496 с.Golovin Yu.I. Vvedenie v nanotekhniku [Introduction to nanotechnologies]. Moscow: Mashinostroenie, 2007, 496 p. (In Russ.).Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. – М.: Машиностроение, 2009. – 312 с.Golovin Yu.I. Nanoindentirovanie i ego vozmozhnosti [Nanoindentation and its capabilities]. Moscow: Mashinostroenie, 2009, 312 p. (In Russ.).Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. – М.: Атомиздат, 1975. – 376 с.Samsonov G.V., Serebryakova T.I., Neronov V.A. Boridy [Borides]. Moscow: Atomizdat, 1975, 376 p. (In Russ.).Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Под ред. Л.С. Ляховича. – М.: Металлургия, 1981. – 424 с.Khimiko-termicheskaya obrabotka metallov i splavov [Chemical heat treatment of metals and alloys]. Lyakhovich L.S. ed. Moscow: Metallurgiya, 1981, 424 p. (In Russ.).Елагина О.Ю. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Учеб. пособие для вузов. – М.: Логос, 2009. – 488 с.Elagina O.Yu. Tekhnologicheskie metody povysheniya iznosostoikosti detalei mashin [Technological methods of improving the wear resistance of machine parts]. Moscow: Logos, 2009, 488 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.