Структура быстрорежущего сплава после плазменной наплавки в среде азота и термообработки

Исследовано влияние плазменной наплавки и последующего высокотемпературного отпуска на морфологию поверхности и э ментный состав наплавленных покрытий из хромовольфрамовой стали высокой твердости типа стали Р18, дополнительно легированной алюминием и азотом (0,86 % С; 4,84 % Cr; 17,0 % W; 5,40 % Mo; 0,50 % V; 0,65 % Al; 0,06 % N). В качестве основного металла использовали сталь 30ХГСА с высокими механическими свойствами. Особенностью проведенной наплавки явилось применение низкотемпературного предварительного и сопутствующего подогрева, а также термического цикла наплавки. Цикл наплавки состоял из трех основных стадий: первая стадия наплавки обеспечивала ограниченное время нагрева и повышенную скорость охлаждения в области высоких температур, предотвращала рост зерна и распад аустенита с образованием равновесных низкопрочных структур; вторая стадия – нахождение наплавленного металла в аустенитном состоянии; третья стадия – получение наплавленного металла с низкой склонностью к образованию трещин. Методом растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа исследованы морфология поверхности и элементный состав покрытий в двух состояниях: непосредственно после наплавки; в состоянии после наплавки и высокотемпературного отпуска. Установлено, что в первом случае основная часть поверхности материала представляет собой перлитные зерна. В стыках и по границам зерен располагается цементит сложного состава и соединения на основе железа, вольфрама и молибдена переменного состава (Fe₄W₂N, FeWN₂ и Fe₄W₂C). Присутствуют также твердые растворы на основе алюминия и, возможно, фаза AlN. Высокотемпературный отпуск приводит к увеличению твердости, изменению формы и размера зерен, количественному изменению элементного состава и равномерному распределению легирующих элементов по объему материала. Показано, что предложенный способ плазменной наплавки с высокотемпературным отпуском обеспечивает все основные требования к поверхности рабочих валков холодной прокатки, что подтверждают результаты испытаний партии наплавленных валков.

наплавка, хромовольфрамовый наплавленный металл, растровая электронная микроскопия, морфология поверхности, элементный состав, термический цикл наплавки, структура, фазовый состав

1. Ottoni M., Dias P., Xavier L.H. A circular approach to the e-waste valorization through urban mining in Rio de Janeiro, Brazil // Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 261. Article 120990.

2. Lin J., Ding X., Qu D., Li H. Non-intrusive load monitoring and decomposition method based on decision tree // Journal of Mathematics in Industry. 2020. Vol. 10. No. 1. Article 1.

3. Arendt R., Muhl M., Bach V., Finkbeiner M. Criticality assessment of abiotic resource use for Europe – application of the SCARCE method // Resources Policy. 2020. Vol. 67. Article 101650.

4. To T., Jensen L.R., Smedskjaer M.M. On the relation between fracture toughness and crack resistance in oxide glasses // Journal of Non-Crystalline Solids. 2020. Vol. 534. No. 4. Article 119946.

5. Yang H., Cheng J., Liu Z., Liu Q., Zhao L., Wang J., Chen M. Dynamic behavior modeling of laser-induced damage initiated by surface defects on KDP crystals under nanosecond laser irradiation // Scientific Reports. 2020. Vol. 10. Article 500.

6. Wang Q., Cao J., Liu X., Yang S., Jiang M. Self-healing coatings for inhibiting corrosion of ferrous metals exposed to preservativetreated bamboo // Journal of Wood Science. 2020. Vol. 66. Article 18.

7. Nevskii S., Sarychev V., Konovalov S., Granovskii A., Gromov V. Wave instability on the interface coating/substrate material under heterogeneous plasma flows // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. No. 1. P. 539 – 550.

8. Sarychev V., Nevskii S., Konovalov S., Granovskii A., Gromov V. Disintegration mechanism of second phase particles under electron beams // Materials Research Express. 2019. Vol. 6. Article 106556.

9. Li B. 3D FEM modelling for stress simulation and experimental investigation of dual-gradient coating using PVD // Int. Journal of Materials Research (formerly Zeitschrift für Metallkunde). 2016. Vol. 107. No. 4. P. 300 – 308.

10. Androulidakis C., Koukaras E.N., Paterakis G., Trakakis G., Galiotis C. Tunable macroscale structural superlubricity in twolayer graphene via strain engineering // Nature Communications. 2020. Vol. 11. Article 1595.

11. Prasad Mahto R., Pal S.K. Friction stir welding of dissimilar materials: an investigation of microstructure and nano-indentation study // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 55. P. 103 – 118.

12. Valluzzi L.G., Valluzzi M.G., Darriba G.N., Meyer M., Damonte L.C. Surfactant and dopant addition effect on optical and structural properties of ZnSe (Te) nanostructured semiconductors // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 829. Article 154488.

13. Kavashima L.H., Neto V.G., Bastos N.A., Fortulan C.A., Borges A.F.S., Pintão C.A.F., Foschini C.R. Measuring the static and dynamic elastic modulus in Y-TZP ceramic applied to dentistry // Journal of Testing and Evaluation. 2020. Vol. 48. No. 4. P. 3024 – 3034.

14. Wu P., Jia Q., He J., Lu L., Chen L., Zhu J., Peng C., He M., Xiong J., Zhu W., Li H. Mechanical exfoliation of boron carbide: a metal-free catalyst for aerobic oxidative desulfurization in fuel // Journal of Hazardous Materials. 2020. Vol. 391. Article 122183.

15. Малушин Н.Н., Валуев Д.В. Обеспечение качества деталей металлургического оборудования на всех этапах их жизненного цикла путем применения плазменной наплавки теплостойкими сталями высокой твердости. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 358 с.

16. Romanov D.A. Improving die tooling properties by spraying TiC–Ti–Al and TiB 2 –Ti–Al electro-explosive coatings // Materials Research Express. 2020. Vol. 7. Article 045010.

17. Romanov D.A., Moskovskii S.V., Sosnin K.V., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Semin A.P., Bataev V.A. Effect of electron-beam processing on structure of electroexplosive electroerosion resistant coatings of CuO–Ag system // Materials Research Express. 2019. Vol. 6. No. 8. Article 085077.

18. Малушин Н.Н., Романов Д.А., Ковалев А.П., Осетковский В.Л., Бащенко Л.П. Структурно-фазовое состояние теплостойкого сплава высокой твердости, сформированного плазменной наплавкой в среде азота и высокотемпературным отпуском // Изв. вуз. Физика. 2019. Т. 62. № 10. С. 106 – 111.

19. Bararpour S.M., Aval H.Jamshidi, Jamaati R. Effects of Zn powder on alloying during friction surfacing of Al–Mg alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 818. Article 152823.

20. Bararpour S.M., Aval H.Jamshidi, Jamaati R. Effect of non-isothermal aging on microstructure and mechanical properties of friction surfaced AA5083-15 wt % Zn composites // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 384. Article 125307.

21. Shi Z.P., Wang Z.B., Wang J.Q., Qiao Y.X., Chen H.N., Xiong T.Y., Zheng Y.G. Effect of Ni interlayer on cavitation erosion resistance of NiTi cladding by tungsten inert gas (TIG) surfacing process // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2020. Vol. 33. No. 3. P. 415 – 424.