blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2026-4-412-422blackmet-3130Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEФормирование структуры карбидостали (быстрорежущая сталь 10Р6М5 + монокарбид вольфрама WC) при индукционной наплавкеFormation of the carbide steel structure (high-speed steel 10R6M5 + tungsten monocarbide WC) at induction surfacinghttps://orcid.org/0009-0002-3985-8947НосковФ. М.NoskovF. M.

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

Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

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

79 Svobodnyi Ave., Krasnoyarsk 660041, Russian Federation

fnoskov@sfu-kras.ruКлимовС. 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.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 Federation202627082026694412422Copyright © Носков Ф.М., Климов С.А., Масанский О.А., 20262026Носков Ф.М., Климов С.А., Масанский О.А.Noskov F.M., Klimov S.A., 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/3130

Работа посвящена описанию процесса формирования структуры карбидостали (быстрорежущая сталь 10Р6М5 + 5 – 20 мас. % монокарбида вольфрама WC) в процессе кристаллизации и охлаждения после индукционной наплавки. Теоретически рассмотрена цепочка происходящих превращений в жидко-твердом и твердом состояниях. Экспериментально показано, что процесс кристаллизации начинается с перитектического превращения. При дальнейшем охлаждении в результате эвтектического превращения формируется ледебуритная эвтектика с карбидами типа Мe6С, Мe12С. Одновременно с выпадением вольфрамового ледебурита начинается кристаллизация карбидов VC, которые в чистой стали 10Р6М5 и в карбидостали с небольшим количеством WC выпадают преимущественно в виде отдельных изолированных карбидных выделений. Увеличение количества внесенного в состав шихты упрочнителя WC приводит к преиму­щественно эвтектической кристаллизации карбида VC. Морфология первичного вольфрамомолибденового ледебурита так же меняется от веерообразной в чистой стали 10Р6М5 через ряд модификаций к классической скелетной, свойственной высоковольфрамовой стали типа Р18, в карбидостали со значительным количеством внесенных карбидов WC. По мере охлаждения в наплавленном слое происходят тведофазные превращения, приводящие к выпадению карбидов типа WC, W2C, цементита и др. В микроструктурах всех наплавок наблюдаются кристаллы мартенсита, вызванные закалкой наплавленных слоев при охлаждении их на воздухе. Показано, что при индукционной наплавке есть возможность скорректировать изложенные выше процессы путем подбора таких режимов, которые частично или полностью позволяют «наследовать» структуру исходной наплавляемой прессовки. В результате можно в большей или меньшей степени предупредить выпадение ледебурита и зафиксировать карбид-упрочнитель WC в виде групп угловатых карбидов вокруг «порошинок» оплавленной стали 10Р6М5. Таким образом, показана определяющая роль процессов, происходящих в верхнем температурном интервале кристаллизации (выпадение твердых растворов и выделение эвтектик) на структурообразование карбидостали.

The work is devoted to the description of the process of forming the structure of carbide steel (high-speed steel 10R6M5 + 5 – 20 wt. % of tungsten monocarbide WC) during crystallization and cooling after induction surfacing. Theoretically, the chain of transformations in liquid-solid and solid states is considered. It was experimentally shown that the crystallization process begins with a peritectical transformation. Upon further cooling, as a result of eutectic transformation, ledeburite eutectic is formed with carbides of Me6C and Me12C types. Simultaneously with the precipitation of tungsten ledeburite, crystallization of VC carbides begins, which in pure 10R6M5 steel and in carbide steel with a small amount of WC precipitate mainly in the form of separate isolated carbide precipitates. An increase in the amount of WC hardener introduced into the charge leads to predominantly eutectic crystallization of VC carbide. The morphology of primary tungsten-molybdenum ledeburite also changes from fan-shaped in pure 10R6M5 steel through a number of modifications to the classic skeletal, characteristic high-tungsten R18 steel type, in carbide steel with a significant amount of introduced WC carbides. As the deposited layer cools, two-phase transformations occur in it, leading to the precipitation of carbides such as WC, W2C, cementite, etc. In the microstructures of all surfacings, martensite crystals are observed, caused by hardening of the deposited layers when they are cooled in air. With induction surfacing, it is possible to adjust the processes described above by selecting such modes that partially or completely allow you to “inherit” the structure of the initial deposited pressing. As a result, it is possible to prevent the precipitation of ledeburite to a greater or lesser extent and fix the WC carbide hardener in the form of groups of angular carbides around the “powders” of the fused 10R6M5 steel. Thus, the determining role of the processes occurring in the upper temperature range of crystallization (precipitation of solid solutions and release of eutectic) on the structure formation of carbide steel is shown.

индукционная наплавкакарбидостальбыстрорежущая стальструктурааустенитспециальные карбидыinduction surfacingcarbide steelhigh-speed steelstructureaustenitespecial carbidesReferencesTarraste 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. Bulletin of the Kurgan State Agricultural Academy. 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: Publishing house of scientific and technical literature; 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 and 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 and 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.2017.05.086Климов С.А., Носков Ф.М., Токмин А.М., Масанс­кий О.А. Получение карбидосталей на основе быстрорежущей стали методом индукционной наплавки. Известия вузов. Черная Металлургия. 2025;68(6):581–586. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2025-6-581-586Klimov S.A., Noskov F.M., Tokmin A.M., Masanskii O.A. Production of carbide steels based on high-speed steel by induction surfacing. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2025;68(6):581–586. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2025-6-581-586Wang Y., Mao B., Chu S., Chen S., Xing H., Zhao H., Wang S., Wang Y., Zhang J., Sun B. Advanced manufacturing of high-speed steels: A critical review of the process design, microstructural evolution, and engineering performance. Journal of Materials Research and Technology. 2023;24:8198–8240. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.04.269Wang Y., Mao B., Chu S., Chen S., Xing H., Zhao H., Wang S., Wang Y., Zhang J., Sun B. Advanced manufacturing of high-speed steels: A critical review of the process design, microstructural evolution, and engineering performance. Journal of Materials Research and Technology. 2023;24:8198–8240. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.04.269Wang H., Hong D., Hou L., Ou P., Wang Z., Shen L., Zhao H. Influence of tempering temperatures on the microstructure, secondary carbides and mechanical properties of spray-deposited AISI M3:2 high-speed steel. Materials Chemistry and Physics. 2020;255:123554. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.123554Wang H., Hong D., Hou L., Ou P., Wang Z., Shen L., Zhao H. Influence of tempering temperatures on the microstructure, secondary carbides and mechanical properties of spray-deposited AISI M3:2 high-speed steel. Materials Chemistry and Physics. 2020;255:123554. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.123554Lyu C., Zhou J., Zhang X., Yao Y., Zhang Y. Effect of heat treatment on microstructure and impact toughness of a Tungsten-Molybdenum powder metallurgical high-speed steel. Materials Science and Engineering: A. 2021;815:141268. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141268Lyu C., Zhou J., Zhang X., Yao Y., Zhang Y. Effect of heat treatment on microstructure and impact toughness of a Tungsten-Molybdenum powder metallurgical high-speed steel. Materials Science and Engineering: A. 2021;815:141268. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141268Ельцов В.В. Ремонтная сварка и наплавка деталей машин и механизмов: учебное пособие. Тольятти: Тольяттинский государственный университет; 2012:178.El’tsov V.V. Repair Welding and Surfacing of Machine and Mechanism Parts: Tutorial. Togliatti:Togliatti State University; 2012:178. (In Russ.).Волошин В.В. Пайка и наплавка при индукционном нагреве. Москва – Ленинград: Машиностроение; 1965:92.Voloshin V.V. Soldering and Surfacing at Induction Heating. Moscow – Leningrad: Mashinostroenie; 1965:92. (In Russ.).Геллер Ю.А. Инструментальные стали. Москва: Металлургия; 1975:584.Geller Yu.A. Instrumental Steels. Moscow: Metallurgiya; 1975:584. (In Russ.).Liu Y., Li J., Liang W., Gao J., Qi Y., Shang C. Precipitation behaviors of carbides in high speed steel during ESR and heat treatment. Metals. 2021;11(11);1781. https://doi.org/10.3390/met11111781Liu Y., Li J., Liang W., Gao J., Qi Y., Shang C. Precipitation behaviors of carbides in high speed steel during ESR and heat treatment. Metals. 2021;11(11);1781. https://doi.org/10.3390/met11111781Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ / Пер. с анг. Дж. Гоулдстейн, Д. Ньюбери, П. Эчлин и др. Москва: Мир; 1984:303.Gouldstein J., Newbury D., Echlin P., etc. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. Trans. from Eng. Moscow: Mir; 1984:303. (In Russ.).Пумпянская Т.А., Буланов В.Я., Зырянов В.Г. Атлас структур порошковых материалов на основе железа / Отв. ред. Н.А. Ватолин, Б.М. Лепинских. Москва: Наука; 1986:261.Pumpyanskaya T.A., Bulanov V.Ya., Zyryanov V.G. Atlas of Structures of Iron-Based Powder Materials. Vatolin N.A., Lepinskikh B.M. eds. Moscow: Nauka; 1986:261. (In Russ.).Гнюсов С.Ф., Дураков В.Г. Влияние карбидов титана и вольфрама на структурообразование и свойства композиционных покрытий. Ч. 1. Структурно-фазовый состав покрытий сталь Р6М5 – (WC + TiC). Сварочное производство. 2013;(2):33–37.Gnyusov S.F., Durakov V.G. Effect of titanium and tungsten carbide on the formation of the structure and the properties of composite coatings. Part 1: The structure and phase composition of steel R6M5–(WC+TiC) coatings. Welding International. 2013;28(2):154–157. https://doi.org/10.1080/09507116.2013.796668

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