blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-6-581-586blackmet-2993Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEПолучение карбидосталей на основе быстрорежущей стали методом индукционной наплавкиProduction of carbide steels based on high-speed steel by induction surfacingКлимовС. А.KlimovS. A.

Степан Андреевич Климов, аспирант кафедры материаловедения и технологии обработки материалов

Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Stepan A. Klimov, Postgraduate of the Chair of Materials Science and Materials Processing Technology

79 Svobodnyi Ave., Krasnoyarsk 660041, Russian Federation

stepaklimov@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0002-3985-8947НосковФ. М.NoskovF. M.

Федор Михайлович Носков, д.т.н., профессор кафедры материаловедения и технологии обработки материалов

Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Fedor M. Noskov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair Materials Science and Materials Processing Technology

79 Svobodnyi Ave., Krasnoyarsk 660041, Russian Federation

fnoskov@sfu-kras.ruТокминА. М.TokminA. M.

Александр Михайлович Токмин, к.т.н., профессор кафедры материаловедения и технологии обработки материалов

Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Aleksandr M. Tokmin, Cand. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Materials Science and Materials Processing Technology

79 Svobodnyi Ave., Krasnoyarsk 660041, Russian Federation

tam550@yandex.ruМасанскийО. А.MasanskiiO. A.

Олег Александрович Масанский, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой материаловедения и технологии обработки материалов

Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Oleg A. Masanskii, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Head of the Chair of Materials Science and Materials Processing Technology

79 Svobodnyi Ave., Krasnoyarsk 660041, Russian Federation

omasansky@sfu-kras.ruСибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian Federation202508012026686581586Copyright © Климов С.А., Носков Ф.М., Токмин А.М., Масанский О.А., 20262026Климов С.А., Носков Ф.М., Токмин А.М., Масанский О.А.Klimov S.A., Noskov F.M., Tokmin A.M., Masanskii O.A.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/2993

Работа посвящена исследованию возможности получения карбидостали на основе порошковой быстрорежущей стали 10Р6М5 с добавками карбидов вольфрама (WC) и титана (TiC) методом индукционной наплавки. Подобранные составы наплавляемой шихты и предложенный состав флюса на основе плавленой буры с добавками борной кислоты и ряда оксидов удовлетворяют технологии. Разработанная технология включает в себя флюс, способ брикетирования шихты с помощью поршневого устройства, минимизирующего перемещение ферромагнитных компонентов шихты под влиянием электромагнитного поля индуктора в процессе наплавки. Получены и исследованы наплавленные слои карбидостали на основе быстрорежущей стали с упрочнением карбидами вольфрама и титана. Исследование полученных слоев проводилось методами оптической и электронной микроскопии (с применением микроанализатора), рентгенофазовым методом контролировался фазовый состав наплавленных слоев, твердость слоев измерялась методом Роквелла. Добавление карбида вольфрама в порошковую быстрорежущую сталь приводит при наплавке к формированию ледебуритной структуры, характерной для высоковольфрамистых быстрорежущих сталей. Повышение количества карбида вольфрама в составе карбидостали приводит только к частичному его расплавлению в жидкой стали, что способствует сохранению в микроструктуре частиц внесенных карбидов. Карбид титана, добавленный в состав карбидостали, существенно меняет морфологию ледебуритных выделений. По данным рентгенофазового анализа в составе карбидосталей наблюдается ряд карбидов типа Me12C, Мe6С, Мe2С и МeС, свойственных карбидосталям, полученным различными методами (плазменной наплавкой, спеканием, пропиткой карбидного каркаса и др.). Показано, что твердость образцов карбидосталей с добавками карбидов вольфрама и титана варьируется от 59 до 63 HRC, в зависимости от состава и технологических режимов наплавки.

The work is devoted to the study of the possibility of obtaining carbide steel based on powdered high-speed steel 10R6M5 with additives of tungsten (WC) and titanium (TiC) carbides by induction surfacing. The selected compositions of the deposited charge and the proposed composition of the flux based on fused borax with additives of boric acid and a number of oxides satisfy the technology. The developed technology includes a flux, a method of briquetting charge using a piston device that minimizes the movement of ferromagnetic components of the charge under the influence of inductor electromagnetic field during surfacing. Deposited layers of carbide steel based on high-speed steel reinforced with tungsten and titanium carbides were produced and studied. The obtained layers were analyzed using optical and electron microscopy (using a microanalyzer), phase composition of the deposited layers was controlled by the X-ray phase method, and hardness of the layers was measured by the Rockwell method. Addition of tungsten carbide to powdered high-speed steel leads to the formation of ledeburite structure during surfacing, which is characteristic of high-tungsten high-speed steels. An increase in the amount of tungsten carbide in the carbide steel leads only to its partial melting in liquid steel, which helps to preserve the particles of introduced carbides in the microstructure. Titanium carbide added to the carbide steel composition significantly changes the morphology of ledeburite precipitates. According to X-ray phase analysis data, a number of carbides of Me12C, Me6C, Me2C and MeC types were observed in the composition of carbide steels, which are characteristic of carbide steels obtained by various methods (plasma surfacing, sintering, impregnation of a carbide frame, etc.). It is shown that hardness of the samples of carbide steels with additives of tungsten and titanium carbides varies from 59 to 63 HRC, depending on the composition and technological modes of surfacing.

карбидостальиндукционная наплавкаструктурабыстрорежущая сталькарбид вольфрамакарбид титанаcarbide steelinduction surfacingstructurehigh-speed steeltungsten carbidetitanium carbideReferencesTarraste M., Kübarsepp J., Juhani K., Mere A., Kolnes M., Viljus M., Maaten B. Ferritic chromium steel as binder metal for WC cemented carbides. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2018;73:183–191. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.02.010Tarraste M., Kübarsepp J., Juhani K., Mere A., Kolnes M., Viljus M., Maaten B. Ferritic chromium steel as binder metal for WC cemented carbides. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2018;73:183–191. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.02.010Chang S.-H., Chen S.-L. Characterization and properties of sintered WC–Co and WC–Ni–Fe hard metal alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2014;585:407–413. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.09.188Chang S.-H., Chen S.-L. Characterization and properties of sintered WC–Co and WC–Ni–Fe hard metal alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2014;585:407–413. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.09.188Fernandes C.M., Senos A.M.R., Vieira M.T., Antunes J.M. Mechanical characterization of composites prepared from WC powders coated with Ni rich binders. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2008;26(5):491–498. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2007.12.001Fernandes C.M., Senos A.M.R., Vieira M.T., Antunes J.M. Mechanical characterization of composites prepared from WC powders coated with Ni rich binders. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2008;26(5):491–498. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2007.12.001Савиных Л.М., Дудорова Т.А., Помялов С.Ю., Вержбалович Т.А. Повышение эффективности ремонта сельскохозяйственной техники на основе применения инструмента из карбидостали. Вестник Курганской ГСХА. 2022;(4(44)):73–80. https://doi.org/10.52463/22274227_2022_44_73Savinykh L.M., Dudorova T.A., Pomyalov S.Yu., Verzhbalovich T.A. Increasing the efficiency of agricultural machi­nery repair based on the use of tools from carbide steel. Vestnik Kurganskoj GSHA. 2022;(4(44)):73–80. (In Russ.). https://doi.org/10.52463/22274227_2022_44_73Garcia J. Influence of Fe–Ni–Co binder composition on nitridation of cemented carbides. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2012;30(1):114–120. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2011.07.012Garcia J. Influence of Fe–Ni–Co binder composition on nitridation of cemented carbides. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2012;30(1):114–120. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2011.07.012Chang S.H., Chang M.H., Huang K.T. Study on the sintered characteristics and properties of nanostructured WC-15 wt% (Fe-Ni-Co) and WC-15 wt% Co hard metal alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2015;649:89–95. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.07.119Chang S.H., Chang M.H., Huang K.T. Study on the sintered characteristics and properties of nanostructured WC-15 wt% (Fe-Ni-Co) and WC-15 wt% Co hard metal alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2015;649:89–95. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.07.119Кульков С.Н., Гнюсов С.Ф. Карбидостали на основе карбидов титана и вольфрама. Томск: Издательство научно-технической литературы; 2006:239.Kulkov S.N., Gnyusov S.F. Carbide Steels Based on Titanium and Tungsten Carbides. Tomsk: Izdatel’stvo nauchno-tekhnicheskoi literatury; 2006:239. (In Russ.).Zhang Z., Wang X., Zhang Q., Liang Y., Ren L., Li X. Fabrication of Fe-based composite coatings reinforced by TiC particles and its microstructure and wear resistance of 40Cr gear steel by low energy pulsed laser cladding. Optics & Laser Technology. 2019;119:105622. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.105622Zhang Z., Wang X., Zhang Q., Liang Y., Ren L., Li X. Fabrication of Fe-based composite coatings reinforced by TiC particles and its microstructure and wear resistance of 40Cr gear steel by low energy pulsed laser cladding. Optics & Laser Technology. 2019;119:105622. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.105622Ortiz A., García A., Cadenas M., Fernández M.R., Cuetos J.M. WC particles distribution model in the cross-section of laser cladded NiCrBSi + WC coatings, for different wt% WC. Surface and Coatings Technology. 2017;324:298–306. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.05.086Ortiz A., García A., Cadenas M., Fernández M.R., Cuetos J.M. WC particles distribution model in the cross-section of laser cladded NiCrBSi + WC coatings, for different wt% WC. Surface and Coatings Technology. 2017;324:298–306. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.05.086Рыжкин А.А., Илясов А.В. Фазовый состав металло­матричных композитов системы Fe-W-C, формируемых плазменным осаждением. Вестник Донского государственного технического университета. 2007;7(2(33)): 169–176.Ryzhkin A.A., Ilyasov A.V. Phase content of metal-matrix composites of the system Fe-W-C which are formed by plasma precipitation. Vestnik of the Don State Technical University. 2007;7(2(33)):169–176 (In Russ.).Liu L.M., Xiao J.K., Wei X.L., Ren Y.X., Zhang G., Zhang C. Effects of temperature and atmosphere on microstructure and tribological properties of plasma sprayed FeCrBSi coa­tings. Journal of Alloys and Compounds. 2018;753:586–594. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.04.247Liu L.M., Xiao J.K., Wei X.L., Ren Y.X., Zhang G., Zhang C. Effects of temperature and atmosphere on microstructure and tribological properties of plasma sprayed FeCrBSi coa­tings. Journal of Alloys and Compounds. 2018;753:586–594. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.04.247Emamian A., Alimardani M., Khajepour A. Correlation between temperature distribution and in situ formed microstructure of Fe-TiC deposited on carbon steel using laser cladding. Applied Surface Science. 2012;258(22):9025–9031. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.05.143Emamian A., Alimardani M., Khajepour A. Correlation between temperature distribution and in situ formed microstructure of Fe-TiC deposited on carbon steel using laser cladding. Applied Surface Science. 2012;258(22):9025–9031. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.05.143Liu A.G., Guo M.H., Hu H.L., Li Z.J. Microstructure of Cr3C2-reinforced surface metal matrix composite produced by gas tungsten arc melt injection. Scripta Materialia. 2008;59(2):231–234. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2008.03.012Liu A.G., Guo M.H., Hu H.L., Li Z.J. Microstructure of Cr3C2-reinforced surface metal matrix composite produced by gas tungsten arc melt injection. Scripta Materialia. 2008;59(2):231–234. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2008.03.012Muvvala G., Karmakar D.P., Nath A.K. In-process detection of microstructural changes in laser cladding of in-situ Inconel 718/TiC metal matrix composite coating. Journal of Alloys and Compounds. 2018;740:545–558. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.12.364Muvvala G., Karmakar D.P., Nath A.K. In-process detection of microstructural changes in laser cladding of in-situ Inconel 718/TiC metal matrix composite coating. Journal of Alloys and Compounds. 2018;740:545–558. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.12.364Muvvala G., Karmakar D.P., Nath A.K. Online assessment of TiC decomposition in laser cladding of metal matrix composite coating. Materials & Design. 2017;121:310–320. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.02.061Muvvala G., Karmakar D.P., Nath A.K. Online assessment of TiC decomposition in laser cladding of metal matrix composite coating. Materials & Design. 2017;121:310–320. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.02.061Индукционная наплавка твердых сплавов / В.Н. Ткачев, Б.М. Фиштейн, Н.В. Казинцев, Д.А. Алдырев. Москва: Машиностроение; 1970:177.Tkachev V.N., Fishtein B.M., Kazintsev N.V., Aldyrev D.A. Induction Surfacing of Hard Alloys. Moscow: Mashinostroenie; 1970:177 (In Russ.).Rudnev V.I., Loveless D. Induction hardening: Technology, process design, and computer modeling. Comprehensive Materials Processing. 2014;12:489–580. https://doi.org/10.1016/b978-0-08-096532-1.01217-6Rudnev V.I., Loveless D. Induction hardening: Technology, process design, and computer modeling. Comprehensive Materials Processing. 2014;12:489–580. https://doi.org/10.1016/b978-0-08-096532-1.01217-6Маликов В.Н., Ишков А.В., Войнаш С.А., Соколова В.А., Ремшев Е.Ю. Исследование процессов упрочнения стальных деталей методом индукционной наплавки. Металлург. 2021;(11):69–75.Malikov V.N., Ishkov A.V., Voynash S.A., Sokolova V.A., Remshev E.Yu. Investigation of processes of hardening steel parts by induction surfacing. Metallurg. 2021;(11):69–75. (In Russ.).Индукционная наплавка, технология, материалы, оборудование / А.А. Боль, В.В. Иванайский, С.П. Лесков, В.П. Тимошенко. Барнаул: Алт. НТО Машиностроения; 1991:148.Bol’ A.A., Ivanaiskii V.V., Leskov S.P., Timoshenko V.P. Induction Surfacing, Technology, Materials, Equipment. Barnaul: Alt. NTO Mashinostroeniya; 1991:148. (In Russ.).Mishra A., Bag S., Pal S. Induction heating in sustainable manufacturing and material processing technologies – A state of art literature review. Reference Module in Mate­rials Scien­ce and Materials Engineering. 2020;1:343–357. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.11559-0Mishra A., Bag S., Pal S. Induction heating in sustainable manufacturing and material processing technologies – A state of art literature review. Reference Module in Mate­rials Scien­ce and Materials Engineering. 2020;1:343–357. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.11559-0

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