Физическая природа упрочнения теплостойкого металла высокой твердости, сформированного плазмой в среде азота

Методами растровой электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа исследованы структура, фазовый и химический составы теплостойкого сплава, сформированного плазмой в среде азота с последующим высокотемпературным отпуском. Установлено, что в наплавленном сплаве основными фазами являются твердый раствор α­железа и карбонитриды на основе железа, вольфрама, хрома, молибдена, алюминия (Fe6W6NС и AlN). Высокотемпературная обработка (четырехкратный высокотемпературный отпуск при температуре нагрева 580 °С и времени выдержки 1 ч) наплавленного покрытия приводит к росту параметра кристаллической решетки (с 2,866 до 2,89 Å) и размеров областей когерентного рассеяния (с 25 до 100 нм), уменьшению внутренних упругих напряжений (с 1000 до 600 МПа). На поверхности наплавки наблюдается явно выраженная ориентированная дендритная структура. После наплавки и высокотемпературного отпуска ориентированная дендритная структура практически не просматривается. Распределение микротвердости по глубине наплавленного слоя в состоянии после наплавки характеризуется значительным разбросом значений при ее высоком среднем значении на поверхности 4,142 ГПа (дисперсия 1,0956) и средней части наплавки 5,153 ГПа (дисперсия 1,5697). Разброс значений микротвердости связан со сложным тепловым воздействием многослойной плазменной наплавки по винтовой линии и перемешиванием материала подложки с наплавляемым покрытием. Высокотемпературный отпуск приводит к выравниванию значений микротвердости и повышению ее среднего значения до 5,7 – 6,5 ГПа. Уточнена природа упрочнения наплавленного теплостойкого металла высокой твердости, дополнительно легированного азотом и алюминием. Основное упрочнение наплавленного металла происходит при высокотемпературном отпуске за счет увеличения количества карбидных и карбонитридных фаз и образования мелкодисперсного нитрида алюминия.

1. Mazur I.P. Improvement of consumer properties and stability of the technological process of hot rod stock production // Materials Scien­ ce Forum. 2008. Vol. 575–578. P. 379–384. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.575-578.379

2. Gonçalves J.L., De Mello J.D.B., Costa H.L. Wear in cold rolling milling rolls: A methodological approach // Wear. 2019. Vol. 426–427. Part B. P. 1523–1535. https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.12.005

3. Gonçalves J.L., De Mello J.D.B., Costa H.L. Tribological behaviour of alternative surface modifications for cold rolling mill rolls // Wear. 2021. Vol. 470–471. Article 203614. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203614

4. De Mello J.D.B., Gonçalves J.L., Costa H.L. Influence of surface texturing and hard chromium coating on the wear of steels used in cold rolling mill rolls // Wear. 2013. Vol. 302. No. 1–2. P. 1295–1309. https://doi.org/10.1016/j.wear.2013.02.006

5. Hou Z.­W., Dong Y.­W., Jiang Z.­H., Yao K.­A., Li Y.­S., Cao Y.­L. Transient simulations and experiments on compound roll produced by electroslag remelting cladding // Metallurgical and Mate­ rials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2021. Vol. 52. No. 2. P. 598–610. https://doi.org/10.1007/s11663-020-02019-z

6. Kim M.­S., Park K.­S., Kim D.­I., Suh J.­Y., Shim J.­H., Hong K.T., Choi S.­H. Heterogeneities in the microstructure and mechanical properties of high­Cr martensitic stainless steel produced by repetitive hot roll bonding // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 801. Article 140416. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140416

7. Barkov L.A., Samodurova M.N., Galkina D.P. Rolling of refractory metals on four­roll passes rolling mills // International Conference on Industrial Engineering. 2019. P. 1929–1935. https://doi.org/10.1007/978-3-319-95630-5_207

8. Colombini R., Molinaroli L., Simonetti R., Colombo L.P.M., Manzolini G. Numerical analysis of different designs of roll­bond absorber on PV/T module and performance assessment // Applied Thermal Engineering. 2021. Vol. 192. Article 116873. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.116873

9. Aushev A.F., Bedrin A.G., Mironov I.S., Porozhnetov P.N. Device for plasma marking of metal items // Journal of Optical Technology. 2003. Vol. 70. No. 4. P. 257–260. https://doi.org/10.1364/JOT.70.000257

10. Kartsev S.V. Mathematical model of optimization of controlled parameters of the plasma surfacing technological process of wearresistant coatings // Journal of Machinery Manufacture and Relia­ bility. 2020. Vol. 49. P. 823–828. https://doi.org/10.3103/S1052618820090095

11. Konstantinov D., Pustovoitov D., Pesin A. Influence of microstructure on inhomogeneity of stress and strain in the deformation zone during asymmetric cold rolling of ferritic­pearlitic steels // Procedia Manufacturing. 2020. Vol. 50. P. 514–519. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.08.093

12. Konstantinov D., Pesin A., Pustovoytov D. Multiscale simulation of the stress-strain state of low carbon steel strip processed by asymmetric rolling // Solid State Phenomena. 2020. Vol. 304. P. 107–112. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.304.107

13. Neulybin S.D., Schitsyn Y.D., Belinin D.S., Permyakov G.L. Prospects of using plasma surfacing to producing of layered materials // International Journal of Emerging Trends in Engineering Research. 2020. Vol. 8. No. 7. P. 3562–3568. https://doi.org/10.30534/ijeter/2020/111872020

14. Малушин H.H., Валуев Д.В. Обеспечение качества деталей металлургического оборудования на всех этапах их жизненного цикла путем применения плазменной наплавки теплостойкими сталями высокой твердости. Томск: изд. Томского политехни­ ческого университета, 2013. 358 с.

15. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1975. 584 с.

16. Малушин Н.Н., Ковалев А.П., Осетковский В.Л., Никоненко Е.Л., Осетковский И.В. Влияние высокотемпературного отпуска на свойства хромовольфрамового металла высокой твердости, наплавленного плазменной наплавкой в защитно­легирующей среде азота // Заготовительные производства в машиностроении. 2017. Т. 15. № 12. С. 541–546.

17. Малушин H.H., Романов Д.А., Ковалев А.П., Осетковский В.Л., Бащенко Л.П. Структурно­фазовое состояние теплостойкого сплава высокой твердости, сформированного плазменной наплавкой в среде азота и высокотемпературным отпуском // Известия вузов. Физика. 2019. Т. 62. № 10. С. 106–111. https://doi.org/10.17223/00213411/62/10/106

18. Малушин Н.Н., Романов Д.А., Ковалев А.П., Будовских Е.А., Chen X. Структура быстрорежущего сплава после плазменной наплавки в среде азота и термообработки // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 9. С. 707–715. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-9-707-715

19. Батаев В.А., Батаев А.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение. Новосибирск: Изд­во Новосибирского государственного технического университета, 2002. 383 с.

20. Кульков С.Н., Гнюсов С.Ф. Карбидостали на основе карбидов титана и вольфрама. Томск: НТЛ, 2006. 240 с.