blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2026-2-199-206blackmet-3049Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEПлазменно нанесенное покрытие быстрорежущей молибденовой стали после отпуска и электронно-пучковой обработки: структурно-фазовые состояния и свойстваPlasma coating of high-speed molybdenum steel after tempering and electron-beam processing: Structural-phase states and propertieshttps://orcid.org/0000-0002-9932-4755ЮрьевА. Б.Yur’evA. B.

Алексей Борисович Юрьев, д.т.н., профессор, ректор

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Aleksei B. Yur’ev, Dr. Sc. (Eng.), Prof., Rector

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

rector@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5147-5343ГромовВ. Е.GromovV. E.

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

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Viktor E. Gromov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of the Chair of Scien­ce named after V.M. Finkel’

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

gromov@physics.sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4487-3260БаклушинаИ. В.BaklushinaI. V.

Ирина Викторовна Баклушина, заместитель директора Института открытого образования

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Irina V. Baklushina, Deputy Director of the Institute of Open Education

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

baklushina_iv@sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8022-7958ИвановЮ. Ф.IvanovYu. F.

Юрий Федорович Иванов, д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник

Россия, 634055, Томск, пр. Академический, 2/3

Yurii F. Ivanov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Chief Researcher

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

yufi55@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3394-7941КрюковР. Е.KryukovR. E.

Роман Евгеньевич Крюков, д.т.н., профессор кафедры механики и машиностроения

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Roman E. Kryukov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair of Mechanics and Machinery

2/3 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

rek_nzrmk@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияInstitute of High-Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут сильноточной электроники Сибирского отделения РАНРоссияInstitute of High-Current Electronics of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202626042026692199206Copyright © Юрьев А.Б., Громов В.Е., Баклушина И.В., Иванов Ю.Ф., Крюков Р.Е., 20262026Юрьев А.Б., Громов В.Е., Баклушина И.В., Иванов Ю.Ф., Крюков Р.Е.Yur’ev A.B., Gromov V.E., Baklushina I.V., Ivanov Y.F., Kryukov R.E.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/3049

Плазменной наплавкой в среде азота на среднеуглеродистой стали 30ХГСА сформирован наплавленный слой быстрорежущей молибденовой стали толщиной 9 – 10 мм. Методами современного физического материаловедения изучены структурно-фазовые состоя­ния и дефектная субструктура, механические и трибологические свойства поверхности после двухкратного высокотемпературного отпуска и электронно-пучковой обработки низкоэнергетическими сильноточными пучками. Наплавленный слой в исходном состоянии имеет поликристаллическую структуру и содержит прослойки эвтектики. Двукратный высокотемпературный отпуск наплавленного слоя не приводит к изменению морфологии структуры, сформированной зернами эвтектики и зернами твердого раствора на основе α-железа (ОЦК кристаллическая решетка). Основными фазами являются α-Fe (85 мас. %) и карбиды сложного состава Me23C6 (9 мас. %) и Me6C (6 мас. %), формирующие зерна эвтектики. Высокотемпературный отпуск наплавленного слоя сопровождается допревращением остаточного аустенита с образованием по границам кристаллов мартенсита наноразмерных частиц карбидов железа и хрома. После облучения импульсными электронными пучками формируется структура высокоскоростной ячеистой кристаллизации с размерами ячеек, изменяющимися в пределах 0,15 – 0,25 мкм. Выделены две обособленные области, в одной из которых границы ячеек не содержат выделений второй фазы. В ячейках второго типа по границам располагаются прослойки карбидной фазы – карбиды сложного состава типа Me23C6 , карбиды хрома Cr3C2 и карбиды молибдена MoC. Их размер варьируется в пределах 25 – 43 нм. Проведен сравнительный анализ параметров механических и трибологических свойств поверхностного слоя быстрорежущей молибденовой стали после формирования, отпуска и электронно-пучковой обработки.

Plasma surfacing in a nitrogen environment on medium-carbon steel 30KhGSA was used to form a deposited layer of high-speed molybdenum steel with a thickness of 9 – 10 mm. The authors utilized the methods of modern physical materials science to study the structural-phase states and defective substructure, mechanical and tribological properties of the surface after double high-temperature tempering and electron-beam processing with low-energy high-current beams. It is shown that the deposited layer in the initial state has a polycrystalline structure and contains eutectic interlayers. Double high-temperature tempering of the deposited layer does not change the morphology of the structure formed by eutectic grains and grains of a solid solution based on α-iron (bcc crystal lattice). The main phases are α-Fe (85 wt. %) and complex carbides Me23C6 (9 wt. %) and Me6C (6 wt. %), which form eutectic grains. High-temperature tempering of the deposited layer is accompanied by additional transformation of the residual austenite with the formation of nanosized particles of iron and chromium carbides along the boun­daries of martensite crystals. After irradiation with pulsed electron beams, a structure of high-speed cellular crystallization is formed with cell sizes varying within 0.15 – 0.25 μm. Two isolated areas are distinguished, in one of which the cell boundaries do not contain precipitates of the second phase. In the cells of the second type, carbide phase interlayers are located along the boundaries - carbides of complex composition such as Me23C6 , chromium carbides Cr3C2 and molybdenum carbides MoC. Their size varies within 25 – 43 nm. The authors made a comparative analysis of mechanical and tribological properties of the surface layer of high-speed molybdenum steel after formation, tempering and electron-beam processing.

быстрорежущая молибденовая стальплазменный методимпульсный электронный пучокоблучениеструктурафазовый составсвойстваhigh-speed molybdenum steelplasma methodpulsed electron beamirradiationstructurephase compositionpropertiesРабота выполнена при поддержке гранта РНФ №23-19-00186, https://rscf.ru/project/23-19-00186. Авторы признательны д.ф.-м.н., проф. И.Ю. Литовченко за помощь в проведении электронно-микроскопических исследований.The work was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 23-19-00186, https://rscf.ru/project/23-19-00186. The authors express their gratitude to Prof. I.Yu. Litovchenko for assistance in conducting electron microscopic studies.ReferencesKremnev L.S. From high-speed tungsten steel to high-temperature molybdenum steel: A century of high-speed steel. Steel in Translation. 2009;39(12):1111–1118. https://doi.org/10.3103/S0967091209120195Kremnev L.S. From high-speed tungsten steel to high-temperature molybdenum steel: A century of high-speed steel. Steel in Translation. 2009;39(12):1111–1118. https://doi.org/10.3103/S0967091209120195Кремнев Л.С., Онегина А.К., Виноградова Л.А. Особенности превращений, структуры и свойств молибденовых быстрорежущих сталей. Металловедение и термическая обработка металлов. 2009;(12(654)):13–19.Kremnev L.S., Onegina A.K., Vinogradova L.A. Special features of transformations, structure, and properties of molybdenum high-speed steels. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2009;(12(654)):13–19. (In Russ.).Кремнев Л.С. Теория легирования и создание на ее основе теплостойких инструментальных сталей и сплавов. Металловедение и термическая обработка металлов. 2008;(11(641)):18–28.Kremnev L.S. Alloying theory and development of heat-resistant tool steels and alloys. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2008;(11(641)):18–28. (In Russ.).Купалова И.К. Фазовый анализ и фазовый состав быстро­режущих сталей (обзор). Заводская лаборатория. 1983;(1):27–40.Kupalova I.K. Phase analysis and phase composition of high-speed steels (review). Zavodskaya laboratoriya. 1983; (1):27–40. (In Russ.).Вострецов Г.Н. Деформационная способность наплавленного теплостойкого металла типа Р2М8 при мартенситном превращении. Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2012;(1):7–10.Vostretsov G.N. Deformation ability of deposited heat-resistant metal of P2M8 type during martensitic transformation. Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2012;(1):7–10. (In Russ.).Chaus A.S., Pokorný P., Čaplovič Ľ., Sitkevich M.V., Peter­­ka J. Complex fine-scale diffusion coating formed at low temperature on high-speed steel substrate. Applied Surface Science. 2018;437:257–270. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.12.173Chaus A.S., Pokorný P., Čaplovič Ľ., Sitkevich M.V., Peter­­ka J. Complex fine-scale diffusion coating formed at low temperature on high-speed steel substrate. Applied Surface Science. 2018;437:257–270. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.12.173Hashemi N., Mertens A., Montrieux H.-M., Tchuindjang J.T., Dedry O., Carrus R., Lecomte-Beckers J. Oxidative wear behavior of laser clad high speed steel thick deposits: Influence of sliding speed, carbide type and morphology. Surface and Coatings Technology. 2017;315:519–529. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.02.071Hashemi N., Mertens A., Montrieux H.-M., Tchuindjang J.T., Dedry O., Carrus R., Lecomte-Beckers J. Oxidative wear behavior of laser clad high speed steel thick deposits: Influence of sliding speed, carbide type and morphology. Surface and Coatings Technology. 2017;315:519–529. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.02.071Darmawan W., Quesada J., Marchal R. Characteristics of laser melted AISI-T1 high speed steel and its wear resistance. Surface Engineering. 2007;23(2):112–119. https://doi.org/10.1179/174329407X169502Darmawan W., Quesada J., Marchal R. Characteristics of laser melted AISI-T1 high speed steel and its wear resistance. Surface Engineering. 2007;23(2):112–119. https://doi.org/10.1179/174329407X169502Emelyushin A.N., Petrochenko E.V., Nefed′ev S.P. Investigation of the structure and impact-abrasive resistance of coatings of the Fe-C-Cr-Mn-Si system, additionally alloyed with nitrogen. Welding International. 2013;27(2):150–153. https://doi.org/10.1080/09507116.2012.695548Emelyushin A.N., Petrochenko E.V., Nefed′ev S.P. Investigation of the structure and impact-abrasive resistance of coatings of the Fe-C-Cr-Mn-Si system, additionally alloyed with nitrogen. Welding International. 2013;27(2):150–153. https://doi.org/10.1080/09507116.2012.695548Нефедьев С.П., Емелюшин А.Н. Влияние азота на формирование структуры и свойств плазменных покрытий типа 10Р6М5. Вестник Югорского государственного университета. 2021;(3(62)):33–45.Nefedyev S.P., Emelyushin A.N. The influence of nitrogen on the formation of the structure and properties of plasma coatings of the 10P6M5 type. Bulletin of Ugra State University. 2021;(3(62)):33–45. (In Russ.).Nefedyev S.P., Vdovin K.N., Emelyushin A.N. Peculiarities of forming of the wear-resistant cast iron coating structure on steel 45 upon plasma-powder surfacing. Materials Science Forum. 2016;870:141–148. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.870.141Nefedyev S.P., Vdovin K.N., Emelyushin A.N. Peculiarities of forming of the wear-resistant cast iron coating structure on steel 45 upon plasma-powder surfacing. Materials Science Forum. 2016;870:141–148. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.870.141Емелюшин А.Н., Петроченко Е.В., Нефедьев С.П. Исследование структуры и ударно-абразивной износостойкости покрытий системы Fe-C-Cr-Mn-Si, дополнительно легированных азотом. Сварочное производство. 2011;(10):18–22.Emelyushin A.N., Petrochenko E.V., Nefedyev S.P. Investigation of the structure and impact-abrasive wear resistance of Fe-C-Cr-Mn-Si system coatings additionally alloyed with nitrogen. Welding Production. 2011;(10):18–22. (In Russ.).Мозговой И.В., Шнейдер Е.А. Наплавка быстрорежущей стали. Омск: Изд-во «ОмГТУ»; 2016:200.Mozgovoy I.V., Shneider E.A. Surfacing of High-Speed Steel. Omsk: OmSTU; 2016:200. (In Russ.).Модификация поверхности металлических материалов низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками / В.П. Ротштейн, Д.И. Проскуровский, Г.Е. Озур, Ю.Ф. Иванов. Новосибирск: СО РАН Наука; 2019:348.Rotshtein V.P., Proskurovskii D.I., Ozur G.E., Ivanov Yu.F. Modification of Metallic Materials Surface by Low-Energy High-Current Electron Beams. Novosibirsk: SB RAS Nauka; 2019:348. (In Russ.).Эволюция структуры поверхностного слоя стали, подвергнутой электронно-ионно-плазменной обработке / Под. общ. ред. Н.Н. Коваля, Ю.Ф. Иванова. Томск: НТЛ; 2016:298.Evolution of Surface Layer Structure of Steel Subjected to Electron-Ion-Plasma Processing. Koval’ N.N., Ivanov Yu.F. eds. Tomsk: NTL; 2016:298. (In Russ.).Поут Дж. Модифицирование и легирование поверх­ности лазерными, ионными и электронными пучками / Под ред. Дж. Поута, Г. Фоти и Д. Джекобсона. Москва: Машиностроение; 1987:424.Surface Modification and Alloying by Laser, Ion, and Electron Beams. Poate J.M., Foti G., Jacobson D.C. eds. NY: Springer New York; 1983:414. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-3733-1Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Миненко С.С., Гусева Т.П., Чапайкин А.С., Семин А.П. Структура и свойства поверхностного слоя, полученного плазменной наплавкой из высокоэнтропийной молибденовой быстрорежущей стали, после комплексной обработки. Материаловедение. 2025;(6):15–23. https://doi.org/10.31044/1684-579X-2025-0-6-15-23Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Minenko S.S., Guseva T.P., Chapaykin A.S., Semin A.P. Structure and properties of the surface layer obtained by plasma surfacing from high-entropy molybdenum high-speed steel after complex processing. Materialovedenie. 2025;(6):15–23. (In Russ.). https://doi.org/10.31044/1684-579X-2025-0-6-15-23Громов В.Е., Юрьев А.Б., Иванов Ю.Ф., Миненко С.С., Коновалов С.В. Модификация структуры переходной зоны наплавка из быстрорежущей стали ‒ подложка электронно-лучевой обработкой. Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2025;(1):43–50. https://doi.org/10.57070/2304-4497-2025-1(51)-43-50Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Yuriev A.B., Minenkо S.S., Konovalov S.V. Modification of transition zone structure of high-speed steel surfacing ‒ substrate by electron-beam treatment. Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2025;(1):43–50. https://doi.org/10.57070/2304-4497-2025-1(51)-43-50Шулов В.А., Пайкин А.Г., Белов А.Б., Львов А.Ф., Энгелько В.И., Овчинников Д.В. Модификация поверхности деталей из жаропрочных сталей сильноточными импульсными электронными пучками. Физика и химия обработки материалов. 2005;(2):61−70.Shulov V.A., Paikin A.G., Belov A.B., L’vov A.F., Engel’­­ko V.I., Ovchinnikov D.V. Surface modification of the parts made from heat resistant steel by high-current pulsed electron beam. Fizika i Khimiya Obrabotki Metallov. 2005;(2):61−70. (In Russ.).Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing; 2016:196.Egerton F.R. Physical Principles of Electron Microscopy. Basel: Springer International Publishing; 2016:196.Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy. Characterization of Nanomaterials. New York: Springer; 2014:717.Kumar C.S.S.R. Transmission Electron Microscopy. Characterization of Nanomaterials. New York: Springer; 2014:717.Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing; 2016:518.Carter C.B., Williams D.B. Transmission Electron Microscopy. Berlin: Springer International Publishing; 2016:518.

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