vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2024-1(47)-35-47vsgiu-77Research ArticleРаздел 1. Физика конденсированного состоянияSection 1. Condensed Matter PhysicsСТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВА ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКИ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛЬЮ В СРЕДЕ АЗОТАSTRUCTURAL-PHASE STATES AND PROPERTIES OF PLASMA SURFACING WITH HIGH-SPEED STEEL IN A NITROGEN ENVIRONMENTЧапайкинАлександр СергеевичChapaikinAlexander S.

аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля

Postgraduate of the Chair of Science named after V.M. Finkel’

tchapajkin.s@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5147-5343ГромовВиктор ЕвгеньевичGromovViktor E.

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

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

gromov@physics.sibsiu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2342-5832ЧжанПэйZhangPeilei

доктор, профессор, Школа материаловедения и инженерии

Dr., Prof, School of Materials Science and Engineering

peilei@sues.edu.cnhttps://orcid.org/0000-0001-8022-7958ИвановЮрий ФедоровичIvanovYurii F.

д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник

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

yufi55@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3394-7941КрюковРоман ЕвгеньевичKryukovRoman E.

д.т.н., профессор кафедры металлургии черных металлов

Dr. Sci.(Eng.)., Professor of the Department of Ferrous Metallurgy

rek_nzrmk@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8130-648XШляровВиталий ВладиславовичShlyarovVitaly V.

аспирант кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля, научный сотрудник лаборатории электронной микроскопии и обработки изображений

Postgraduate of the Chair of Science named after V.M. Finkel’, Researcher of Laboratory of Electron Microscopy and Image Processing

shlyarov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3989-7420СеминАлександр ПетровичSeminAlexander P.

к.т.н., старший научный сотрудник, доцент кафедры инженерных конструкций, строительных технологий и материалов

Cand. Sci. (Eng.), senior researcher, associate professor of the department of engineering structures, construction technologies and materials

syomin53@gmail.comСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationШанхайский совместный инновационный центр передовых лазерных производственных технологийRussian FederationShanghai Collaborative Innovation Center of Laser Advanced Manufacturing TechnologyRussian FederationИнститут сильноточной электроники СО РАНRussian FederationInstitute of High Current Electronics SB RASRussian Federation202425032024013546Copyright © Чапайкин А.С., Громов В.Е., Чжан П., Иванов Ю.Ф., Крюков Р.Е., Шляров В.В., Семин А.П., 20252025Чапайкин А.С., Громов В.Е., Чжан П., Иванов Ю.Ф., Крюков Р.Е., Шляров В.В., Семин А.П.Chapaikin A., Gromov V., Zhang P., Ivanov Y., Kryukov R., Shlyarov V., Semin A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/77

Методами современного физического материаловедения проведены исследования структурно-фазовых состояний и свойств плазменный наплавки из быстрорежущей стали Р18Ю в защитно-легирующей среде азота. Основным элементом структуры наплавленного слоя являются зерна, размер которых составляет 7,0 – 22,5 мкм. Микрорентгеноспектральным анализом показано, что элементный состав зерен существенно зависит от анализируемого объема материала и определяется присутствующими включениями второй фазы. Плазменная наплавка нетоковедущей порошковой проволокой приводит к образованию слоя, основными фазами которого являются α-железо и карбиды состава Мe6С (Мe = Fe, W), которые формируют каркасную сетку. Эта сетка представлена двумя морфологически различными типами: в виде протяженных прослоек и областей со структурой эвтектоидного типа. Включения карбидной фазы не содержат дислокационной субструктуры и характеризуются наличием изгибных контуров экстинкции, что свидетельствует об упругих напряжениях материала наплавки. Скалярная плотность хаотически распределенных дислокаций в зернах α-железа составляет 2,2∙1010 см–2, а в сетчатой дислокационной субструктуре, объемная доля которой значительно меньше, 1,2∙1011 см–2. Методами просвечивающей электронной микроскопии в объеме зерен выявлены частицы карбида ванадия состава V4C3 игольчатой морфологии. Выполнена оценка параметра кристаллической решетки (a = 2,888 Å), размера областей когерентного рассеяния (44 нм) и концентрации углерода в твердом растворе α-железа (0,286 % (по массе)). Микротвердость наплавленного слоя составляет 4,7 ГПа, параметр износа 8,9∙10–6 мм3/(Н∙м), коэффициент трения 0,7.

Using the methods of modern physical materials science, studies of the structural-phase states and properties of plasma surfacing from high-speed steel R18Yu in a protective alloying environment of nitrogen were carried out. The main element of the structure of the deposited word is grains, the size of which is 7.0 – 22.5 microns. It has been shown that plasma surfacing with a non-current-carrying flux-cored wire leads to the formation of a layer, the main phases of which are α-Fe and carbides of composition M6C (M = Fe, W), which form a frame mesh represented by two morphologically different types in the form extended layers and areas with a eutectoid-type structure. The inclusion of the carbide phase does not contain a dislocation sub-structure and is characterized by the presence of flexural extinction contours, which indicates elastic stresses of the surfacing material. The scalar density of chaotically distributed dislocations in α-Fe grains is 2.2∙1010 cm–2, and in the network dislocation substructure 1.2∙1011 cm–2. Using transmission electron microscopy, particles of vanadium carbide of composition V4C3 with needle-like morphology were identified in the volume of grains. The crystal lattice parameter (a = 2.888 Å), the size of coherent scattering regions (44 nm) and the carbon concentration in the α-Fe solid solution (0.286 wt.%) were assessed. The microhardness of the deposited layer is 4.7 GPa, the wear parameter is 8.9∙10–6 mm3/N∙m, the thorn coefficient is 0.7.

плазменная наплавкапорошковая проволокаэлектронная микроскопияструктурамеханические свойстватрибологические свойстваplasma surfacingflux-cored wireelectron microscopystructuremechanical propertiestribological propertiesReferencesТехнологии наплавки деталей горно-металлургического комплекса сталями вы-сокой твердости / Н.Н. Малушин, Д.В. Ва-луев, В.Л. Осетковский, С.А. Солодский. Томск: Изд-во ТПУ, 2015:212.Malushin N.N., Valuev D.V., Osetkovskii V.L., Solodskii S.A. Technologies for surfac-ing parts of the mining and metallurgical com-plex with high-hardness steels. Tomsk: Izd-vo TPU, 2015:212. (In Russ.).Упрочнение теплостойких сплавов плазмой в среде азота / Н.Н. Малушин, В.Е. Громов, Д.А. Романов, Л.П. Бащенко, О.А. Перегу-дов. Новокузнецк: Полиграфист, 2022:232. EDN:JUAWCF.Malushin N.N., Gromov V.E., Romanov D.A., Bashchenko L.P., Peregudov O.A. Hardening of heat-resistant alloys by plasma in nitrogen medium. Novokuznetsk: Poligrafist, 2022:232. (In Russ.). EDN:JUAWCF.Износостойкие наплавки на сталь: структура, фазовый состав и свойства / С.В. Райков, В.Е. Кормышев, В.Е. Громов, Ю.Ф. Иванов, С.В. Коновалов. Новокузнецк: Изд. центр Сиб-ГИУ, 2017:318. EDN: ZVIXED.Raikov S.V., Kormyshev V.E., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Konovalov S.V. Wear-resistant surfacing on steel: structure, phase composi-tion and properties. Novokuznetsk: ITs Sib-GIU, 2017:318. (In Russ.).Рябцев И.А., Сенченков И.К. Теория и практика наплавочных работ. Киев: Еко-технологія, 2013:400.Ryabtsev I.A., Senchenkov I.K. Theory and practice of surfacing works. Kyiv: Ekotekhnologіya, 2013:400. (In Russ.).Походня И.К., Шлепаков В.Н., Максимов С.Ю., Рябцев И.А. Исследования и разра-ботки ИЭС им. Е.О. Патона в области элек-тродуговой сварки и наплавки порошковой проволокой. Автоматическая сварка. 2010;(12) :34–42.Pokhodnya I.K., Shlepakov V.N., Maksimov S.Yu., Ryabtsev I.A. Research and develop-ment of the E.O. Paton thermal power plant in the field of electric arc welding and surfac-ing with powder wire. Avtomaticheskaya svar-ka. 2010;(12) :34–42. (In Russ.).Вдовин К.Н., Никитенко О.А., Феоктистов Н.А., Горленко Д.А. Изучение влияния азотированного феррованадия на параметры микроструктуры ли-тых изделий из стали Гадфильда. Литейщик Рос-сии. 2018;(3):23–27.Vdovin K.N., Nikitenko O.A., Feoktistov N.A., Gorlenko D.A. Study of the effect of ni-trided ferrovanadium on the microstructure parameters of cast Gadfield steel products. Liteishchik Rossii. 2018;(3):23–27. (In Russ.).Нефедьев С.П., Емелюшин А.Н. Влияние азота на формирование структуры и свойств плазменных покрытий типа 10Р6М5. Вест-ник Югорского государственного универси-тета. 2021;(3):33–45.Nefed'ev S.P., Emelyushin A.N. Plasma-powder sur-facing of nitrogen – containing wear – resistant coat-ings. Vestnik Yugorskogo gosudarstvennogo universi-teta. 2021;(3):33–45. (In Russ.).http://dx.doi.org/10.17816/byusu20210233-45. EDN: XEXXMLKutepov S.N., Kalinin A.A., Gvozdev A.E. Modern steels for high-speed processing of metal alloys. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2018;(10):597–607. (In Russ.). EDN: JUAWCF.Кутепов С.Н., Калинин А.А., Гвоздев А.Е. Современные стали для быстрорежущей об-работки металлических сплавов. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018;(10):597–607. EDN: YRBJHN.Rakhadilov B.K., Wieleba W., Kylyshkanov M.K., Kenesbekov A.B., Maulet M. Structure and phase composition of high - speed steels. Bulletin of the Karaganda University. Physics Series. 2020;2(98):83–92.Rakhadilov B.K., Wieleba W., Kylyshkanov M.K., Kenesbekov A.B., Maulet M. Structure and phase composition of high-speed steels. Bulletin of the Karaganda University. Physics Series. 2020;2(98):83–92.https://doi.org/10.31489/2020Ph2/83-92. EDN: ZHOEOP.https://doi.org/10.31489/2020Ph2/83-92. EDN: ZHOEOP.Kireev V.P. Hardening of high-speed steel by dynamic microalloying and its effect on the wear resistance of cutting tools. Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2015;17(6(2)):414–418. (In Russ.). EDN: WDCVAB.Киреев В.П. Упрочнение быстрорежущей стали динамическим микролегированием и его влияние на износостойкость режущего инструмента. Известия Самарского научно-го центра Российской академии наук. 2015;17:6(2):414–418. EDN: WDCVAB.Rakhadilov B.K., Zhurerova L.G., Scheffler M., Khassenov A.K. Change in high tempera-ture wear resistance of high speed steel by plasma nitriding. Bulletin of the Karaganda University. Physics Series. 2018;3(91):59–65. EDN: KJWHYN.Rakhadilov B.K., Zhurerova L.G., Scheffler M., Khassenov A.K. Change in high tempera-ture wear resistance of high speed steel by plasma nitriding. Bulletin of the Karaganda University. Physics Series. 2018;3(91):59–65. EDN: KJWHYN.Ouyang Q., Luo P., Zhang F., He Q., Wang Y., Li S. Analyzing the effect of CeB6 on mi-crostructure and mechanical properties of high-speed steel consolidated by powder met-allurgy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2018;27(5):5973–5983.Ouyang Q., Luo P., Zhang F., He Q., Wang Y., Li S. Analyzing the effect of CeB6 on mi-crostructure and mechanical properties of high-speed steel consolidated by powder met-allurgy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2018;27(5):5973–5983.https://doi.org/10.1007/s11665-018-3675-1https://doi.org/10.1007/s11665-018-3675-1Ding C.-C., Zhao M.-D., Li Z.-D., Cao Y.-G. Effect of quenching temperature on micro-structure and properties of high-speed axle steel. Transactions of Materials and Heat Treatment. 2018;39(12):49–56.Ding C.-C., Zhao M.-D., Li Z.-D., Cao Y.-G. Effect of quenching temperature on micro-structure and properties of high-speed axle steel. Transactions of Materials and Heat Treatment. 2018;39(12):49–56.http://dx.doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2018-0311http://dx.doi.org/10.13289/j.issn.1009-6264.2018-0311Rahman N.U., Capuano L., Meer A., Rooij M., Matthews D.T.A., Walmag G., Sinnaeve M., García-Junceda A., Castillo M., Römer G.R.B.E. Development and characterization of multilayer laser cladded high speed steels. Ad-ditive Manufacturing. 2018;24:76–85. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.09.009Rahman N.U., Capuano L., Meer A., Rooij M., Mat-thews D.T.A., Walmag G., Sinnaeve M., García-Junceda A., Castillo M., Römer G.R.B.E. Devel-opment and characterization of multilayer la-ser cladded high speed steels. Additive Manu-facturing. 2018;24:76–85.Matlygin G., Savilov A., Nikolaev A., Timo-feev S. Investigation of form deviations of high-speed steel (HSS) products under turn-ing-milling operation using automatically programmed tools. Science intensive technolo-gies in mechanical engineering. 2023;15–23. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-7-15-23https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.09.009Petrova L., Sergeeva A., Vdovin V. Modifica-tion of a high-speed cutting tool surface by combined tungsten steel and nitrogen satura-tion. Science intensive technologies in mechan-ical engineering. 2023;24–32.Matlygin G., Savilov A., Nikolaev A., Timo-feev S. Investigation of form deviations of high-speed steel (HSS) products under turn-ing-milling operation using automatically programmed tools. Science intensive technolo-gies in mechanical engineering. 2023;15–23. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-7-15-23http://dx.doi.org/10.30987/2223-4608-2023-7-24-32Petrova L., Sergeeva A., Vdovin V. Modifica-tion of a high-speed cutting tool surface by combined tungsten steel and nitrogen satura-tion. Science intensive technologies in mechan-ical engineering. 2023;24–32.Egerton F.R. Physical principles of electron microscopy. Basel: Springer International Pub-lishing, 2016:196.http://dx.doi.org/10.30987/2223-4608-2023-7-24-32Kumar C.S.S.R. Transmission electron micros-copy. Characterization of nanomaterials. New York: Springer, 2014:717.Egerton F.R. Physical principles of electron microscopy. Basel: Springer International Pub-lishing, 2016:196.https://doi.org/10.1007/978-3-642-38934-4Kumar C.S.S.R. Transmission electron micros-copy. Characterization of nanomaterials. New York: Springer, 2014:717.Carter C.B., Williams D.B. eds. Transmission electron microscopy. Berlin: Springer Interna-tional Publishing, 2016:518.https://doi.org/10.1007/978-3-642-38934-4Ivanov Yu.F., Gromov V.E., Konovalov S.V., Kormyshev V.E., Aksenova K., Teresov A. Structure and properties of strengthening lay-er on Hardox 450 steel. Materials Science and Technology. 2017;33(17):2040–2045.Carter C.B., Williams D.B. eds. Transmission electron microscopy. Berlin: Springer Interna-tional Publishing, 2016:518.https://doi.org/10.1134/S003602952203003XIvanov Yu.F., Gromov V.E., Konovalov S.V., Kormyshev V.E., Aksenova K., Teresov A. Structure and properties of strengthening lay-er on Hardox 450 steel. Materials Science and Technology. 2017;33(17):2040–2045.Konovalov S.V., Kormyshev V.E., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Kapralov E.V. Phase composition and defect substructure of double surfacing, formed with V-Cr-Nb-W powder wire on steel. Inorganic materials: Applied re-search. 2017;8(2):313–317.https://doi.org/10.1134/S003602952203003Xhttps://doi.org/10.1134/S2075113317020101Konovalov S.V., Kormyshev V.E., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Kapralov E.V. Phase composition and defect substructure of double surfacing, formed with V-Cr-Nb-W powder wire on steel. Inorganic materials: Applied re-search. 2017;8(2):313–317.Konovalov S.V., Kormyshev V.E., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Kapralov E.V. Gradient structure generated in Hardox 450 steel with built-up layer. Inorganic materials: Applied re-search. 2018;9(3):427–432.https://doi.org/10.1134/S2075113317020101https://doi.org/10.1134/S2075113318030164Konovalov S.V., Kormyshev V.E., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Kapralov E.V. Gradient structure generated in Hardox 450 Steel with built-up layer. Inorganic materials: Applied re-search. 2018;9(3):427–432.Konovalov S.V., Kormyshev V.E., Gromov V.E., Ivanov Yu.F., Kapralov E.V. Gradient structure generated in Hardox 450 Steel with built-up layer. Inorganic materials: Applied re-search. 2018;9(3):427–432.https://doi.org/10.1134/S2075113318030164https://doi.org/10.1134/S2075113318030164

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