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)-92-102vsgiu-83Research ArticleРаздел 2. Металлургия и материаловедениеSection 2. Metallurgy and Materials ScienceЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ ОБРАБОТКА ДИФФУЗИОННЫХ БОРОАЛИТИРОВАННЫЙ СЛОЕВ НА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ 5ХНМELECTRON BEAM PROCESSING OF DIFFUSION BOROALUMINIZING LAYERS ON THE SURFACE OF STEEL 5KHNMhttps://orcid.org/0000-0002-0635-4577УлахановНиколай СергеевичUlakhanovNikolai S.

научный сотрудник лаборатории физического материаловедения

Researcher, Laboratory of Physical Materials Science, Institute of Physical Materials Science

nulahanov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7863-9045МишигдоржийнУндрах ЛхагвасуреновичMishigdorzhiinUndrakh L.

к.т.н., заведующий лабораторией физического материаловедения

Cand. Sci. (Eng.)., Head of the Laboratory of Physical Materials Science, Institute of Physical Materials Science

undrakh@ipms.bscnet.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1817-3044СеменовАлександр ПетровичSemenovAlexander P.

д.т.н., главный научный сотрудник лаборатории физического материаловедения

Dr. Sci. (Eng.)., Chief Researcher of the Laboratory of Physical Materials Science, Institute of Physical Materials Science

alexandersemenov2018@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7397-3581МилоновАлександр СтаниславовичMilonovAleksandr S.

к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории физического материаловедения

Cand. Sci. (Eng.)., Senior Researcher at the Laboratory of Physical Materials Science, Institute of Physical Materials Science

terwer81@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5136-5905ВоробьевМаксим СергеевичVorob'evMaksim S.

д.т.н., ведущий научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Dr. Sci. (Eng.)., Leading Researcher at the laboratory of Plasma Emission Electronics, Institute of High-Current

vorobyovms@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5240-9970МосквинПавел ВладимировичMoskvinPavel V.

научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Researcher at the Laboratory of Plasma Emission Electronics, Institute of High Current Electronics

pavelmoskvin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4888-4338ШинВладислав ИгоревичShinVladislav I.

научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники

Researcher of Laboratory of Plasma Emission Electronics, Institute of High Current Electronics

shin.vi@yandex.ruИнститут физического материаловедения Сибирского отделения РАНРоссияSiberian Branch of Russian Academy of Sci- encesRussian FederationИнститут физического материаловедения Сибирского отделения РАНRussian FederationSiberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут физического материаловедения Сибирского отделения РАНRussian FederationSiberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут сильноточной электроники Сибирского отделения РАНRussian FederationSiberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут сильноточной электроники Сибирского отделения РАНRussian FederationSiberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian Federation2024250320240192102Copyright © Улаханов Н.С., Мишигдоржийн У.Л., Семенов А.П., Милонов А.С., Воробьев М.С., Москвин П.В., Шин В.И., 20252025Улаханов Н.С., Мишигдоржийн У.Л., Семенов А.П., Милонов А.С., Воробьев М.С., Москвин П.В., Шин В.И.Ulakhanov N., Mishigdorzhiin U., Semenov A., Milonov A., Vorob'ev M., Moskvin P., Shin V.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/83

Рассмотрено упрочнение поверхности образцов из штамповой стали 5ХНМ комбинированным методом, заключающимся в последовательном проведении химико-термической обработки с последующей модификацией полученного диффузионного слоя с помощью импульсной электронно-пучковой обработки с использованием источника электронов с плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления. Электронно-пучковую обработку проводили в экспериментальной установке «СОЛО», входящей в перечень уникальных электрофизических установок России. Представлены результаты локальной структурно-фазовой трансформации диффузионных бороалитированныхслоев за счет скоростного нагрева электронным пучком миллисекундной длительности. Проведен сравнительный анализ строения диффузионного слоя после химико-термической обработки и последующей модификации слоя импульсным электронным пучком. Изучена микротвердость, проведена оценка фазового состояния диффузионного слоя до и после электронно-пучкового воздействия. Электронно-пучковая обработка диффузионного слоя приводит к повышению микротвердости, максимальное значений которой достигает 1400 HV, и к снижению шероховатости поверхности по параметру Ra (до семи раз). После электронно-пучковой обработки диффузионного слоя формируются фаза Fe2B, интерметалидные фазы FeAl, Fe2AlCr, CrSi2, обладающие высокой жаростойкостью, износостойкостью и коррозийной стойкостью.

The hardening of the surface of samples made of die steel 5KhNM by a combined method is considered, which consists of sequential thermal-chemical treatment (TCT) followed by modification of the resulting diffusion layer using pulsed electron beam processing using an electron source with a plasma cathode based on a low-pressure arc discharge. Electron beam processing was carried out in the SOLO experimental installation, which is included in the list of unique electrophysical installations in Russia. The results of local structural-phase transformation of diffusion boroaluminizing layers due to high-speed heating by an electron beam of millisecond duration are presented. A comparative analysis of the structure of the diffusion layer after thermal -chemical treatment and subsequent modification of the layer with a pulsed electron beam was carried out. Microhardness was studied, and the phase state of the diffusion layer was assessed before and after electron beam exposure. Electron beam treatment (EBT) of the diffusion layer leads to an increase in micro-hardness values, the maximum value of which reaches 1400 HV, and to a decrease in surface roughness values in the Ra parameter (up to seven times). After electron beam treatment of the diffusion layer, the Fe2B phase and intermetallic phases FeAl, Fe2AlCr, CrSi2 are formed, which have high heat resistance, wear resistance and corrosion resistance.

химико-термическая обработкабороалитированиеимпульсная электронно-пучковая обработкастальмикротвердостьнаноструктурированиерегулировка мощности электронного пучкаthermal-chemical treatmentboroaluminizingpulsed electron beam processingsteelmicrohardnessnanostructuringregulation of electron beam powerReferencesBao Z.-J., Yang H.-Y., Dong B.-X., Chang F., Li C.-D., Jiang Y., Chen L.-Y., Shu S.-L., Jiang Q.-C., Qiu F. Development trend in composition optimization, microstructure manipulation, and strengthening methods of die steels under lightweight and integrated die casting. Materials. 2023;16(18):6235.Bao Z.-J., Yang H.-Y., Dong B.-X., Chang F., Li C.-D., Jiang Y., Chen L.-Y., Shu S.-L., Jiang Q.-C., Qiu F. Development trend in composition optimization, microstructure manipulation, and strengthening methods of die steels under lightweight and integrated die casting. Materials. 2023;16(18):6235. https://doi.org/10.3390/ma16186235https://doi.org/10.3390/ma16186235Weinert A., Tormey D., O’Hara C., McAfee M. Condition monitoring of additively manu-factured injection mould tooling: A review of demands, opportunities and potential strate-gies. Sensors. 2023;23(4):2313. https://doi.org/10.3390/s23042313Weinert A., Tormey D., O’Hara C., McAfee M. Condition monitoring of additively manu-factured injection mould tooling: A review of demands, opportunities and potential strate-gies. Sensors. 2023;23(4):2313.Milinović A., Stojšić J., Kladarić I., Matijević B. Evaluation of boride layers on C70W2 steel using a new approach to characterization of boride layers. Materials. 2022;15(11):3891.https://doi.org/10.3390/s23042313https://doi.org/10.3390/ma15113891Milinović A., Stojšić J., Kladarić I., Matijević B. Evaluation of boride layers on C70W2 steel using a new approach to characterization of boride layers. Materials. 2022;15(11):3891. https://doi.org/10.3390/ma15113891Polyansky I.P., Vikhrev R.O., Sizov I.G. Structure and properties of boride coatings on tool steels. Polzunovsky bulletin. 2023;1:171–177. (In Russ.). https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2023.01.021Полянский И.П., Вихрев Р.О., Сизов И.Г. Структура и свойства боридных покрытий на инструментальных сталях. Ползуновский вестник. 2023;1:171–177.Pashechko M., Dziedzic K., Jozwik J. Analysis of wear resistance of borided steel C45. Mate-rials. 2020;13(23):5529.https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2023.01.021https://doi.org/10.3390/ma13235529Pashechko M., Dziedzic K., Jozwik J. Analysis of wear resistance of borided steel C45. Mate-rials. 2020;13(23):5529.Pugacheva N.B., Bykova T.M. Investigation of boration methods, analysis of the structure and properties of the coatings obtained. Diag-nostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. 2020,2:38–60. (In Russ.).https://doi.org/10.3390/ma13235529https://doi.org/10.17804/2410-9908.2020.2.038-060Пугачева Н.Б., Быкова Т.М. Исследование методов борирования, анализ структуры и свойств получаемых покрытий. Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. 2020,2:38–60.Mednikov A., Tkhabisimov A., Kalakuckaya O., Zilova O., Kachalin G. Studies of boriding using possibility to increase the corrosion re-sistance of cast steel 20GL. Coatings. 2022;12(11):1789. https://doi.org/10.3390/coatings12111789https://doi.org/10.17804/2410-9908.2020.2.038-060Bartkowska A., Bartkowski D., Przestacki D., Hajkowski J., Miklaszewski A. Microstructural and mechanical properties of B-Cr coatings formed on 145Cr6 tool steel by laser remelting of diffusion borochromized layer using diode laser. Coatings. 2021;11(5):608.Mednikov A., Tkhabisimov A., Kalakuckaya O., Zilova O., Kachalin G. Studies of boriding using possibility to increase the corrosion re-sistance of cast steel 20GL. Coatings. 2022;12(11):1789. https://doi.org/10.3390/coatings12111789https://doi.org/10.3390/coatings11050608Bartkowska A., Bartkowski D., Przestacki D., Hajkowski J., Miklaszewski A. Microstructural and mechanical properties of B-Cr coatings formed on 145Cr6 tool steel by laser remelting of diffusion borochromized layer using diode laser. Coatings. 2021;11(5):608.Günen A., Ergin Ö. A comparative study on characterization and high-temperature wear behaviors of thermochemical coatings applied to cobalt-based haynes 25 superalloys. Coat-ings. 2023; 13(7):1272.https://doi.org/10.3390/coatings11050608https://doi.org/10.3390/coatings13071272Günen A., Ergin Ö. A comparative study on characterization and high-temperature wear behaviors of thermochemical coatings applied to cobalt-based haynes 25 superalloys. Coat-ings. 2023; 13(7):1272.Konovalov S.V., Ivanov Yu.F., Grmov V.E., Shlyarova Yu.A., Kondratova O.A., Kirillova A.V. Structural-phase states and properties of high-entropy CrMnFeCoNi alloy after elec-tron-beam processing. Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2022;2(40):47–56. (In Russ.).https://doi.org/10.3390/coatings13071272Tarasov A.D., Petryakova E.A., Ivanov Yu.F., Kry-sina O.V., Prokopenko N.A. Electron beam surface treatment of metal materials manufactured by addi-tive method. News of universities. Physics. 2022;65(11(780)):168–175. (In Russ.).Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Шлярова Ю.А., Кондратова О.А., Кириллова А.В. Структурно-фазовые состояния и свойства выокоэнтропийного сплава CrMnFeCoNi после электронно-пучковой обработки. Вестник Сибирского государственного ин-дустриального университета. 2022;2 (40):47–56.https://doi.org/10.17223/00213411/65/11/168Тересов А.Д., Петрикова Е.А., Иванов Ю.Ф., Крысина О.В., Прокопенко Н.А. Электронно-пучковая обработка поверхно-сти металлических материалов, изготовлен-ных аддитивным способом. Известия вузов. Физика. 2022;65(11(780)):168–175. https://doi.org/10.17223/00213411/65/11/168Valkov S., Dechev D., Ivanov N., Bezdushnyi R., Ormanova M., Petrov P. Influence of beam power on young’s modulus and friction coefficient of Ti–Ta alloys formed by electron-beam surface alloying. Metals. 2021;11(8):1246. https://doi.org/10.3390/met11081246Valkov S., Dechev D., Ivanov N., Bezdushnyi R., Ormanova M., Petrov P. Influence of beam power on young’s modulus and friction coefficient of Ti–Ta alloys formed by electron-beam surface alloying. Metals. 2021;11(8):1246.Nevsky S.A., Sarychev V.D., Gromov V.E. Combined hydrodynamic instabilities and their role in the formation of micro- and nanostructures of materials under plasma in-fluences. Bulletin of the Siberian State Indus-trial University. 2023;1(43):10–16. (In Russ.). http://doi.org/10.57070/2304-4497-2023-1(43)-10-16https://doi.org/10.3390/met11081246Konovalov S., Ivanov Y., Gromov V., Pan-chenko I. Fatigue-induced evolution of ALSI 310S steel microstructure after electron beam treatment. Materials. 2020;13(20):4567. https://doi.org/10.3390/ma13204567Невский С.А., Сарычев В.Д., Громов В.Е. Комбинированные гидродинамические не-устойчивости и их роль в образовании мик-ро- и наноструктур материалов при плаз-менных воздействиях. Вестник Сибирского государственного индустриального универ-ситета. 2023;1(43):10–16. http://doi.org/10.57070/2304-4497-2023-1(43)-10-16Cai J.,Yao Y., Gao C., Lyu P., Meng X., Guan Q., Li Y., Han Z.Comparison of microstruc-ture and oxidation behavior of NiCoCrAlYSi laser cladding coating before and after high-current pulsed electron beam modification. Journal of alloys and Compounds. 2021;881:160651. https://doi.org/10.1016/J.JALLCOM.2021.160651Konovalov S., Ivanov Y., Gromov V., Pan-chenko I. Fatigue-induced evolution of ALSI 310S steel microstructure after electron beam treatment. Materials. 2020;13(20):4567.Ulukhanov N., Mishigdorjiin U., Tikhonov A., Shustov A., Pyatykh A. Modification of the surface layer of stamped steels by creating B-Al layers by chemical and thermal treat-ment. Reinforcing technologies and coatings. 2021;17(12(204)):557–564. (In Russ.). https://doi.org/10.36652/1813-1336-2021-17-12-557-564https://doi.org/10.3390/ma13204567Koval N.N., Devyatkov V.N., Vorobyev M.S. Electron sources with plasma grid emitters: progress and prospects. Russ Phys J. 2021;63:1651–1660. https://doi.org/10.1007/s11182-021-02219-3Cai J.,Yao Y., Gao C., Lyu P., Meng X., Guan Q., Li Y., Han Z.Comparison of microstruc-ture and oxidation behavior of NiCoCrAlYSi laser cladding coating before and after high-current pulsed electron beam modification. Journal of alloys and Compounds. 2021;881:160651.Vorobyov M., Koval T., Shin V., Moskvin P., Tran M.K.A., Koval N., Ashurova K., Doroshkevich S., Torba M. Controlling the Specimen surface tempera-ture during irradiation with a submillisecond electron beam produced by a plasma-cathode electron source. IEEE Transactions on Plasma Science. 2021;49(9):2550–2553. https://doi.org/10.1109/TPS.2021.3089001https://doi.org/10.1016/J.JALLCOM.2021.160651Vorobyov M.S., Moskvin P.V., Shin V.I., Ko-val T.V., Devyatkov V.N., Doroshkevich S.Y., Koval N.N., Torba M.S., Ashurova K.T. Nega-tive current feedback in the accelerating gap in electron sources with a plasma cathode. Technical Physics. 2022;67(6):747–752. http://dx.doi.org/10.21883/TP.2022.06.54422.14-22Улаханов Н., Мишигдоржийн У., Тихонов А., Шустов А., Пятых А. Модификация по-верхностного слоя штамповых сталей со-зданием B-Al-слоев химико-термической обработкой. Упрочняющие технологии и по-крытия. 2021;17(12(204)):557–564. https://doi.org/10.36652/1813-1336-2021-17-12-557-564Bannikova Yu.A., Ivanov Yu.F., Romanov D.A., Kormyshev V.E. Mechanical and tribo-logical properties of the boron layer deposited on low-carbon steel. Fundamental problems of modern materials science. 2019;16(3):387–393. (In Russ.).Koval N.N., Devyatkov V.N., Vorobyev M.S. Elec-tron sources with plasma grid emitters: progress and prospects. Russ Phys J. 2021;63:1651–1660. https://doi.org/10.1007/s11182-021-02219-3Koval N.N., Devyatkov V.N., Vorobyev M.S. Elec-tron sources with plasma grid emitters: progress and prospects. Russ Phys J. 2021;63:1651–1660. https://doi.org/10.1007/s11182-021-02219-3Vorobyov M., Koval T., Shin V., Moskvin P., Tran M.K.A., Koval N., Ashurova K., Doroshkevich S., Torba M. Controlling the Specimen surface temperature during irradia-tion with a submillisecond electron beam pro-duced by a plasma-cathode electron source. IEEE Transactions on Plasma Science. 2021;49(9):2550–2553. https://doi.org/10.1109/TPS.2021.3089001Vorobyov M., Koval T., Shin V., Moskvin P., Tran M.K.A., Koval N., Ashurova K., Doroshkevich S., Torba M. Controlling the Specimen surface temperature during irradia-tion with a submillisecond electron beam pro-duced by a plasma-cathode electron source. IEEE Transactions on Plasma Science. 2021;49(9):2550–2553. https://doi.org/10.1109/TPS.2021.3089001Vorobyov M.S., Moskvin P.V., Shin V.I., Ko-val T.V., Devyatkov V.N., Doroshkevich S.Y., Koval N.N., Torba M.S., Ashurova K.T. Nega-tive current feedback in the accelerating gap in electron sources with a plasma cathode. Technical Physics. 2022;67(6):747–752. http://dx.doi.org/10.21883/TP.2022.06.54422.14-22Vorobyov M.S., Moskvin P.V., Shin V.I., Ko-val T.V., Devyatkov V.N., Doroshkevich S.Y., Koval N.N., Torba M.S., Ashurova K.T. Nega-tive current feedback in the accelerating gap in electron sources with a plasma cathode. Technical Physics. 2022;67(6):747–752. http://dx.doi.org/10.21883/TP.2022.06.54422.14-22Рубанникова Ю.А., Иванов Ю.Ф., Рома- нов Д.А., Кормышев В.Е. Механические и трибологические свойства борированного слоя, наплавленного на низкоуглеродистую сталь. Фундаментальные проблемы совре-менного материаловедения. 2019;16(3):387–393.Рубанникова Ю.А., Иванов Ю.Ф., Рома- нов Д.А., Кормышев В.Е. Механические и трибологические свойства борированного слоя, наплавленного на низкоуглеродистую сталь. Фундаментальные проблемы совре-менного материаловедения. 2019;16(3):387–393.

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