blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2024-6-710-715blackmet-2816Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEСтруктура и свойства покрытий, полученных способом газотермического напыленияStructure and properties of coatings obtained by gas-thermal sprayinghttps://orcid.org/0000-0002-2839-5249КолубаевА. В.KolubaevA. V.

Александр Викторович Колубаев, д.ф.-м.н., главный научный сотрудник

Россия, 634055, Томск, пр. Академичес­кий, 2/4

Aleksandr V. Kolubaev, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher

2/4 Akademiches­kii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

ovs@ispms.tsc.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9177-6602СизоваО. В.SizovaO. V.

Ольга Владимировна Сизова, д.ф.-м.н., главный научный сотрудник

Россия, 634055, Томск, пр. Академичес­кий, 2/4

Ol’ga V. Sizova, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher

2/4 Akademiches­kii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

ovs@ispms.tsc.ruИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202414122024676710715Copyright © Колубаев А.В., Сизова О.В., 20242024Колубаев А.В., Сизова О.В.Kolubaev A.V., Sizova O.V.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/2816

В работе исследовались микроструктура и механические свойства износостойких покрытий, нанесенных способом газотермического напыления с нагревом металла до жидкого состояния и последующим его распылением газовой струей. Газотермическое напыление в настоящее время все чаще выступает альтернативой различным методам наплавки из-за высоких затрат на расхо­дуемые материалы, сложность обслуживания и обеспечения безопасности при выполнении ремонта. С помощью этого способа можно надежно решать разнообразные технологические задачи, к которым относятся: напыление износостойких, антифрикционных и коррозионностойких покрытий; алитирование напылением (повышение жаростойкости); наращивание размеров изделий; наплавка и пайка; устранение литейных дефектов; изготовление пресс-форм и др. Авторы исследовали триботехнические свойства штока виброгасителя железнодорожного вагона с нанесенными на рабочую поверхность упрочняющих поверхностных слоев способами газотермического напыления стали 40Х13 и гальванического хромирования. Изучали строение и толщину покрытий, распределение микротвердости в зоне покрытие – подложка, а также особенности разрушения покрытий при одинаковых условиях испытаний. Критерием для сравнения износостойкости покрытий является время работы образцов до начала разрушения покрытия. Износ роликов определялся по изменению диаметра, а колодок – по глубине и ширине канавок, образовавшихся на их поверхности за время проведения эксперимента. Покрытие, нанесенное на шток виброгасителя распылением проволоки из стали 40Х13, обладает высокой износостойкостью в условиях граничного трения со смазкой и способно быть альтернативой гальваническому хромовому покрытию. Высокая износостойкость покрытия позволяет рекомендовать его для восстановления размеров изношенных деталей и повышения долговечности новых, а также для замены специальных антифрикционных подшипниковых сплавов.

The authors investigated the microstructure and mechanical properties of wear-resistant coatings applied by the method of gas-thermal spraying with heating of the metal to a liquid state and its subsequent spraying with a gas jet. Nowadays, thermal spraying is increasingly an alternative to various methods of surfacing due to the high costs of consumables, the complexity of maintenance and safety during repairs. By this method, it is possible to reliably solve a variety of technological tasks, which include spraying of wear-resistant, antifriction and corrosion-resistant coatings; alitizing by spraying (increasing heat resistance); increasing the size of products; surfacing and soldering; elimination of casting defects; manufacture of molds, etc. The tribotechnical properties of the vibration damper rod of a railway carriage with reinforcing surface layers applied to the working surface by methods of gas-thermal spraying with 40Kh13 steel and galvanic chromium plating were investigated. Structure and thickness of the coatings, microhardness distribution in the coating-substrate zone, as well as the features of the coatings destruction under the same test conditions were studied. The criterion for comparing the coatings’ wear resistance was the operating time of the samples before the beginning of the coating destruction. Wear of the rollers was determined by the change in diameter, and wear of the pads – by the depth and width of the grooves formed on their surface during the experiment. The coating applied to the vibration damper rod by spraying 40Kh13 steel wire has high wear resistance in conditions of boundary friction with grease and can be an alternative to electroplated chrome coating. The high wear resistance of the coating makes it possible to recommend it for restoring the dimensions of worn parts and increasing the durability of new ones, as well as for replacing special anti-friction bearing alloys.

конструкционная стальразмерный дефектизносостойкое покрытиегазотермическое напылениетриботехнические свойст­ватрение скольженияstructural steeldimensional defectwear-resistant coatingthermal sprayingtribotechnical propertiessliding frictionРабота выполнена в рамках государственного задания Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН, номер темы FWRW 2021-0006.The work was performed within the framework of the state assignment of the Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, project No. FWRW 2021-0006.ReferencesБелоцерковский М.А. Триботехнические характерис­тики газопламенных покрытий. Трение и износ. 2000; 21(5):534–539.Belotserkovskii M.A. Tribotechnical characteristics of gas-flame coatings. Friction and Wear. 2000;21(5):534–539. (In Russ.).Витязь П.А., Белоцерковский М.А., Кукареко В.А., Калиновский Д.М., Сухоцкий П.Г., Ковалевская Ж.Г. Структура и свойства покрытий из стали 40Х13, полученных с использованием различных методов газотермического напыления. Физическая мезомеханика. 2002;5(1):29–36. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2002-00072Vityaz P.A., Belotserkovskii M.A., Kukareko V.A., Kalinovskii D.M., Sukhotskii P.G., Kovalevskaya Zh.G. Structure and properties of 40Kh13 steel coatings obtained using vario­us methods of gas-thermal spraying. Fizicheskaya Mezomekhanika. 2002;5(1):29–36. (In Russ.). https://doi.org/10.24411/1683-805X-2002-00072Балдаев П.Х., Шестеркин Н.Г., Лупаков В.И., Шатов А.П. Особенности процессов высокоскоростного газоплазменного напыления. Сварочное производство. 2003;(5):43–46.Baldaev P.Kh., Shesterkin N.G., Lupakov V.I., Shatov A.P. Features of high-speed gas plasma spraying processes. Svarochnoe proizvodstvo. 2003;(5):43–46. (In Russ.).Белоцерковский М.А., Прядко А.С. Активированное газоплазменное и электродуговое напыление покрытий проволочными материалами. Упрочняющие технологии и покрытия. 2006;(12):17–23.Belotserkovskii M.A., Pryadko A.S. Activated plasma gas and electric arc spraying of coatings with conductive materials. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2006;(12):17–23. (In Russ.).Zavareh M.A., Sarhan A.A.D.M., Binti A.R.B., Basirun W.J. Plasma thermal spray of ceramic oxide coating on carbon steel with enhanced wear and corrosion resistance for oil and gas applications. Ceramics International. 2014;40(9A): 14267–14277. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.06.017Zavareh M.A., Sarhan A.A.D.M., Binti A.R.B., Basirun W.J. Plasma thermal spray of ceramic oxide coating on carbon steel with enhanced wear and corrosion resistance for oil and gas applications. Ceramics International. 2014;40(9A): 14267–14277. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.06.017Белоцерковский М.А. Прочностная надежность и триботехнические свойства газотермических покрытий, используемых в узлах трения. Физическая мезомеханика. 2007;10(2):103–108. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2007-00037Belotserkovskii M.A. Strength reliability and tribotechnical properties of gas-thermal coatings used in friction units. Fizicheskaya Mezomechanika. 2007;10(2):103–108. (In Russ.). https://doi.org/10.24411/1683-805X-2007-00037Chu Z., Yang Y., Chen X., Yan D., Huang D., Lei W., Liu Z. Characterization and tribology performance of Fe-based metallic glassy composite coatings fabricated by gas multiple-tunnel plasma spraying. Surface and Coatings Techno­logy. 2016;292:44–48. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.03.024Chu Z., Yang Y., Chen X., Yan D., Huang D., Lei W., Liu Z. Characterization and tribology performance of Fe-based metallic glassy composite coatings fabricated by gas multiple-tunnel plasma spraying. Surface and Coatings Techno­logy. 2016;292:44–48. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.03.024Колубаев А.В., Белый А.В., Буяновский И.А. Механизмы деформирования и разрушения твердых покрытий в условиях фрикционного нагрева. Известия вузов. Физика. 2019;62(8):53–75. http://doi.org/10.17223/00213411/62/8/52Kolubaev A.V., Belyi A.V., Buyanovskii I.A. Mechanisms of deformation and destruction of hard coatings under frictional heating conditions. Izvestiya vuzov. Fizika. 2019;62(8): 53–75. (In Russ.). http://doi.org/10.17223/00213411/62/8/52Гусев А.И., Усольцев А.А., Козырев Н.А., Кибко Н.В., Бащенко Л.П. Разработка порошковой проволоки для наплавки деталей, работающих в условиях износа. Известия вузов. Черная Металлургия. 2018;61(11):898–906. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-11-898-906Gusev A.I., Usol’tsev A.A., Kozyrev N.A., Kibko N.V., Bashchenko L.P. Development of flux-cored wire for surfa­cing of parts operating under conditions of wear. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018;61(11):898–906. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-11-898-906Белоцерковский В.А., Григорчик А.Н., Кукареко В.А., Константинов В.М. Структурно-фазовое состояние и износостойкость модифицированных ионами азота газотермических покрытий из высокохромистых сталей, нанесенных с использованием высокоэнтальпийного горючего газа. Металловедение и термическая обработка. 2019;(9(771)):46–54.Belotserkovskii V.A., Grigorchik A.N., Kukareko V.A., Konstantinov V.M. The structural and phase state and wear resistance of nitrogen ion-modified thermal gas coatings made of high-chromium steels applied using high-enthalpy combustible gas. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka. 2019;(9(771)):46–54. (In Russ.).Kolubaev A.V., Sizova O.V., Fortuna S.V., Vorontsov A.V., Ivanov A.N., Kolubaev E.A. Weld structure of low-carbon structural steel formed by ultrasonic-assisted laser welding. Journal of Constructional Steel Research. 2020;172:160190. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2020.106190Kolubaev A.V., Sizova O.V., Fortuna S.V., Vorontsov A.V., Ivanov A.N., Kolubaev E.A. Weld structure of low-carbon structural steel formed by ultrasonic-assisted laser welding. Journal of Constructional Steel Research. 2020;172:160190. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2020.106190Кукареко В.А., Белоцерковский В.А., Григорчик А.Н., Сосновский А.В. Структура и триботехнические свойства покрытия Ti-TiN, полученного высокоскоростным напылением. Трение и износ. 2022;43(5):458–465. https://doi.org/10.32864/0202-4977-2022-43-5-458-465Kukareko V.A., Belotserkovskii V.A., Grigorchik A.N., Sosnovskii A.V. Structure and tribological properties of the coa­ting Ti–TiN, obtained by high-speed deposition. Friction and Wear. 2022;43(5):458–465. (In Russ.). https://doi.org/10.32864/0202-4977-2022-43-5-458-465Артеменко С.А., Орлик Г.В., Орлик А.Г. Применение износостойкого шнурового материала по восстановлению изношенных зубьев карьерного экскаватора. Сварочное производство. 2021;(10):63–69. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2021-10-63-69Artemenko S.A., Orlik G.V., Orlik A.G. The use of wear-resistant cord material for the restoration of worn teeth of a quarry excavator. Svarochnoe proizvodstvo. 2021;(10):63–69. (In Russ.). https://doi.org/10.26160/2658-3305-2021-10-63-69Жаркевич А.М., Нуржанова О.А., Бессонов А.В. Определение оптимальных технологических режимов наплавки при восстановлении деталей типа тел вращения. Сварочное производство. 2022;(5):35–40.Zharkevich A.M., Nurzhanova O.A., Bessonov A.V. Determination of the optimal technological modes of surfacing when restoring parts such as bodies of revolution. Svarochnoe proizvodstvo. 2022;(5):35–40. (In Russ.).Liu S.-H., Trelles J.P., Li C.-J., Li C.-X., Guo H.-B. A review and progress of multiphase flows in atmospheric and lowе pressure plasma spray advanced coating. Materials Today Physics. 2022;27:100832. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100832Liu S.-H., Trelles J.P., Li C.-J., Li C.-X., Guo H.-B. A review and progress of multiphase flows in atmospheric and lowе pressure plasma spray advanced coating. Materials Today Physics. 2022;27:100832. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100832Singh S., Goyal K., Bhatia R. A review on protection of boiler tube steels with thermal spray coatings from hot corrosion. Materials Today: Proceedings. 2022;56(1):379–383. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.01.219Singh S., Goyal K., Bhatia R. A review on protection of boiler tube steels with thermal spray coatings from hot corrosion. Materials Today: Proceedings. 2022;56(1):379–383. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.01.219Li N., Tariq N. ul H., Che Y., Liu S., Wang J., Cui X., Xiong T. Corrosion-resistant thermal spray coatings for low-alloy steel in contact with molten nitrate salts in solar power plants. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2023;59:112432. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112432Li N., Tariq N. ul H., Che Y., Liu S., Wang J., Cui X., Xiong T. Corrosion-resistant thermal spray coatings for low-alloy steel in contact with molten nitrate salts in solar power plants. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2023;59:112432. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112432Samal S., Zeman J., Kopeček J., Šittner P. Thermal plasma spraying of NiTi powder for thick coating of shape memory alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2024;984:173962. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.173962Samal S., Zeman J., Kopeček J., Šittner P. Thermal plasma spraying of NiTi powder for thick coating of shape memory alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2024;984:173962. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.173962Gupta M., Li X.-H., Peng R., Ottosson A., Gillbergе P., Girgulisf J. Understanding the effect of bondcoat surface treatment on enhanced lifetime of suspension plasma sprayed thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology. 2024;482:130716. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.130716Gupta M., Li X.-H., Peng R., Ottosson A., Gillbergе P., Girgulisf J. Understanding the effect of bondcoat surface treatment on enhanced lifetime of suspension plasma sprayed thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology. 2024;482:130716. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.130716Lakkannavar V., Yogesha K.B., Prasad C.D., Phanden R.K., Srinivasa G., Prasad S.C. Thermal spray coatings on high-temperature oxidation and corrosion applications – A comprehensive review. Results in Surfaces and Interfaces. 2024;16:100250. https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2024.100250Lakkannavar V., Yogesha K.B., Prasad C.D., Phanden R.K., Srinivasa G., Prasad S.C. Thermal spray coatings on high-temperature oxidation and corrosion applications – A comprehensive review. Results in Surfaces and Interfaces. 2024;16:100250. https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2024.100250

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