RU2819214C1 - Method for electroexplosive sputtering of a wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with inclusions of silicon carbide on an article made from tool steel - Google Patents
Method for electroexplosive sputtering of a wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with inclusions of silicon carbide on an article made from tool steel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819214C1 RU2819214C1 RU2024107670A RU2024107670A RU2819214C1 RU 2819214 C1 RU2819214 C1 RU 2819214C1 RU 2024107670 A RU2024107670 A RU 2024107670A RU 2024107670 A RU2024107670 A RU 2024107670A RU 2819214 C1 RU2819214 C1 RU 2819214C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- iron
- silicon carbide
- tool steel
- wear
- inclusions
- Prior art date
Links
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 82
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 64
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 46
- 229910001315 Tool steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 36
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 35
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 title abstract 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 11
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 10
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 9
- 238000000151 deposition Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 10
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 8
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 7
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 7
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 5
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 5
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 5
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M sodium fluoride Chemical compound [F-].[Na+] PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 4
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 239000011133 lead Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000997 High-speed steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002902 bimodal effect Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 235000013024 sodium fluoride Nutrition 0.000 description 2
- 239000011775 sodium fluoride Substances 0.000 description 2
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000976 Electrical steel Inorganic materials 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001567 cementite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000001314 profilometry Methods 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрированных потоков энергии, в частности, к технологии обеспечивающей повышение износостойкости режущего инструмента, в частности шнековых сверл, изготовленных из инструментальной стали, посредствам получения на их поверхности покрытий, содержащих матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния, которые могут быть использованы в обрабатывающей, машиностроительной и других отраслях промышленности как покрытия с высокой износостойкостью.The invention relates to a technology for applying coatings to metal surfaces using concentrated energy flows, in particular, to a technology that increases the wear resistance of cutting tools, in particular auger drills made of tool steel, by obtaining on their surface coatings containing an iron-based matrix with inclusions made of silicon carbide, which can be used in manufacturing, engineering and other industries as highly wear-resistant coatings.
Известен способ нанесения диффузионных покрытий на стальные изделия (RU № 2 312 164, МПК С23С 2/08, С22С 11/02, опубл. 10.12.2007), включающий диффузионное насыщение поверхности легирующими элементами в расплаве, содержащем литий, никель, хром и свинец при следующем соотношении компонентов, мас. %: Li 0,5–0,8; Ni 1–5; Cr 2–10; Pb 84,2–96,5, при температуре 650–1250 °С.There is a known method of applying diffusion coatings to steel products (RU No. 2 312 164, MPK S23S 2/08, S22S 11/02, publ. 12/10/2007), including diffusion saturation of the surface with alloying elements in a melt containing lithium, nickel, chromium and lead with the following ratio of components, wt. %: Li 0.5–0.8; Ni 1–5; Cr 2–10; Pb 84.2–96.5, at a temperature of 650–1250 °C.
Недостатком способа является низкие твердость и износостойкость получаемого покрытия. Также недостатком способа является длительность получения покрытия.The disadvantage of this method is the low hardness and wear resistance of the resulting coating. Another disadvantage of this method is the length of time it takes to obtain the coating.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения износостойкого покрытия на изделии из инструментальной стали (RU № 2 710 617, МПК C23C 12/00, C23C 2/04, C23C 8/70, опубл. 30.12.2019).The closest to the claimed invention is a method for producing a wear-resistant coating on a tool steel product (RU No. 2 710 617, IPC C23C 12/00, C23C 2/04, C23C 8/70, publ. 12/30/2019).
Способ получения износостойкого покрытия на изделии из инструментальной стали включает диффузионное насыщение поверхности легирующими элементами в расплаве, осуществление дополнительно в два этапа ультразвуковой обработки поверхности изделия с частотой ультразвуковых колебаний упрочняющего элемента 22–24 кГц, с силой его прижима к обрабатываемой поверхности 1000–3000 Н, при этом первый этап осуществляют перед диффузионным насыщением поверхности изделия легирующими элементами в расплаве, второй этап проводят после диффузионного насыщения поверхности изделия легирующими элементами в расплаве, при этом упомянутый расплав содержит элементы при следующем соотношении, мас. %: висмут 47–52, никель 4–6, хром 6–8, свинец 38–39, при этом после второго этапа ультразвуковой обработки поверхности изделия дополнительно проводят диффузионное борирование при температуре 900–950 °С и выдержке 2–3 часа в порошковой смеси карбида бора и фторида натрия при следующем соотношении, мас. %: карбид бора 96–98, фторид натрия 2–4.A method for obtaining a wear-resistant coating on a tool steel product includes diffusion saturation of the surface with alloying elements in the melt, additionally performing two stages of ultrasonic treatment of the surface of the product with a frequency of ultrasonic vibrations of the strengthening element of 22–24 kHz, with a pressing force of 1000–3000 N to the treated surface, wherein the first stage is carried out before diffusion saturation of the surface of the product with alloying elements in the melt, the second stage is carried out after diffusion saturation of the surface of the product with alloying elements in the melt, wherein said melt contains elements in the following ratio, wt. %: bismuth 47–52, nickel 4–6, chromium 6–8, lead 38–39, while after the second stage of ultrasonic treatment of the product surface, diffusion boriding is additionally carried out at a temperature of 900–950 °C and exposure for 2–3 hours in powder a mixture of boron carbide and sodium fluoride in the following ratio, wt. %: boron carbide 96–98, sodium fluoride 2–4.
Недостатком способа является низкие твердость и износостойкость получаемого покрытия. Также недостатком способа является длительность и многостадийность получения покрытия, включающая ультразвуковую обработку, диффузионное насыщение, повторную ультразвуковую обработку и диффузионное борирование.The disadvantage of this method is the low hardness and wear resistance of the resulting coating. Another disadvantage of this method is the duration and multi-stage nature of obtaining the coating, including ultrasonic treatment, diffusion saturation, repeated ultrasonic treatment and diffusion boriding.
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является получение композиционного покрытия на изделии из инструментальной стали, обладающего высокой износостойкостью, содержащего матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния. The technical problem solved by the claimed invention is the production of a composite coating on a tool steel product that has high wear resistance and contains an iron-based matrix with inclusions of silicon carbide.
Существующая техническая проблема решается созданием способа электровзрывного напыления износостойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния, на изделие из инструментальной стали, характеризующегося тем, что осуществляют электрический взрыв фольги из железа массой 100–400 мг с размещенным на ней порошком карбида кремния массой 0,5–1,5 массы фольги, формируют из продуктов взрыва импульсную многофазную плазменную струю, оплавляют ею поверхность изделия из инструментальной стали при поглощаемой плотности мощности 2,2–2,5 ГВт/м2 с осаждением на поверхность изделия из инструментальной стали продуктов взрыва с формированием износостойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния.The existing technical problem is solved by creating a method for electroexplosive spraying of a wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with silicon carbide inclusions onto a tool steel product, characterized by the fact that an electric explosion is carried out on an iron foil weighing 100–400 mg with carbide powder placed on it silicon weighing 0.5–1.5 times the mass of foil, form a pulsed multiphase plasma jet from the explosion products, melt the surface of a tool steel product with it at an absorbed power density of 2.2–2.5 GW/m 2 with deposition on the surface of a tool steel product steel explosion products with the formation of a wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with inclusions of silicon carbide.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в том, что, при электрическом взрыве фольги из железа с размещенным на ней порошком карбида кремния продукты разрушения образуют плазменную струю, служащую инструментом формирования на поверхности изделия из инструментальной стали износостойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе железа с включениями карбида кремния. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании покрытия, которое обладает лучшей износостойкостью. Применение покрытия, состоящего из матрицы на основе железа с включениями карбида кремния, позволяет этого добиться. Достижение такого результата обеспечивает применение карбида кремния SiC, обладающего высокой твердостью (9,50–9,75 по шкале Мооса и 87–92 HRC) по сравнению с железом (4 по шкале Мооса) и инструментальной сталью Р18 (твердость 62–65 HRC) и износостойкостью. Сочетание лучшей износостойкости и твердости по сравнению с инструментальными сталями позволяет формировать на изделиях из инструментальной стали покрытия, которые обладают лучшими рабочими характеристиками. Это позволяет повысить износостойкость, твердость, модуль упругости, снизить коэффициент трения и добиться высокой стабильности работы в условиях сверления различных материалов. Предлагаемое износостойкое композиционное покрытие представляет собой матрицу из железа, в которой расположены включения карбида кремния и обладает бимодальной структурой: субмикрокристаллической и нанокристаллической. Кроме того, повышается скорость формирования покрытия по сравнению с прототипом за счет быстроты формирования покрытия электровзрывным методом. Процесс формирования покрытия занимает 100 мкс. Прочностные характеристики предлагаемого покрытия позволяют обеспечить стабильную и более длительную работу изделий из инструментальной стали, кроме того, этим способом можно восстанавливать поверхность изделий из инструментальной стали.The technical result obtained by implementing the invention is that during an electric explosion of an iron foil with silicon carbide powder placed on it, the destruction products form a plasma jet, which serves as a tool for forming a wear-resistant composite coating on the surface of a tool steel product containing a matrix based on iron with inclusions of silicon carbide. The advantage of the proposed method compared to the prototype is the formation of a coating that has better wear resistance. The use of a coating consisting of an iron-based matrix with inclusions of silicon carbide allows this to be achieved. Achieving this result is ensured by the use of silicon carbide SiC, which has high hardness (9.50–9.75 on the Mohs scale and 87–92 HRC) compared to iron (4 on the Mohs scale) and P18 tool steel (hardness 62–65 HRC) and wear resistance. The combination of better wear resistance and hardness compared to tool steels allows the formation of coatings on tool steel products that have better performance characteristics. This allows you to increase wear resistance, hardness, elasticity modulus, reduce the coefficient of friction and achieve high stability when drilling various materials. The proposed wear-resistant composite coating is an iron matrix in which silicon carbide inclusions are located and has a bimodal structure: submicrocrystalline and nanocrystalline. In addition, the speed of coating formation increases compared to the prototype due to the speed of coating formation by the electric explosive method. The coating formation process takes 100 μs. The strength characteristics of the proposed coating make it possible to ensure stable and longer-term operation of tool steel products; in addition, this method can be used to restore the surface of tool steel products.
Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что при электровзрывном напылении на изделие из инструментальной стали путем электрического взрыва фольги из железа массой 100–400 мг с размещенным на ней порошком карбида кремния массой 0,5–1,5 массы фольги, формируют из продуктов взрыва многофазную плазменную струю, оплавляют ею поверхность изделия из инструментальной стали при поглощаемой плотности мощности 2,2–2,5 ГВт/м2 с осаждением на поверхность изделия из инструментальной стали продуктов взрыва.Studies using scanning electron microscopy have shown that during electroexplosive spraying on a tool steel product by electrical explosion of an iron foil weighing 100–400 mg with silicon carbide powder placed on it weighing 0.5–1.5 times the mass of the foil, a multiphase product is formed from the explosion products plasma jet, it melts the surface of a tool steel product at an absorbed power density of 2.2–2.5 GW/m 2 with the deposition of explosion products on the surface of the tool steel product.
Указанный режим, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 2,2–2,5 ГВт/м2, установлен эмпирически и является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 2,2 ГВт/м2 не происходит образование рельефа между покрытием и подложкой из инструментальной стали, вследствие чего возможно отслаивание покрытия, а при интенсивности воздействия выше 2,5 ГВт/м2 происходит интенсивный разлет продуктов взрыва, что приводит к снижению содержания матрицы на основе железа с включениями из карбида кремния в износостойком композиционном покрытии по сравнению с состоянием в исходных материалах на 5 %. При значении массы фольги из железа менее 100 мг становится невозможным размещение на ее поверхности порошка карбида кремния из-за снижения площади фольги. При значении массы фольги из железа более 400 мг износостойкое композиционное покрытие, содержащее матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния, на поверхности изделий из инструментальных сталей обладает большим количеством дефектов. Дефекты в данном случае представлены фрагментами фольги из железа, которые не разрушились при электрическом взрыве, а лишь частично оплавились и прилипли к поверхности покрытия. При значении массы порошка карбида кремния менее 0,5 от массы фольги снижается износостойкость и стабильность работы покрытия в условиях сверления. Карбид кремния при формировании износостойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния, является фазой с высокой износостойкостью, твердостью и модулем упругости. Снижение концентрации карбида кремния не оказывает влияния на повышение износостойкости и стабильности работы покрытия в условиях сверления. При значении массы порошка карбида кремния более 1,5 от массы фольги из железа не происходит перенос продуктов взрыва на поверхность изделия из инструментальной стали. В этом случае избыточная масса порошка карбида кремния не позволяет сформироваться импульсной плазменной струе, следовательно, покрытие не образуется.The indicated mode, in which the absorbed power density is 2.2–2.5 GW/ m2 , was established empirically and is optimal, since at an impact intensity below 2.2 GW/ m2, relief does not form between the coating and the tool steel substrate , as a result of which peeling of the coating is possible, and at an impact intensity above 2.5 GW/m 2, intense dispersion of explosion products occurs, which leads to a decrease in the content of the iron-based matrix with silicon carbide inclusions in the wear-resistant composite coating compared to the state in the original materials by 5%. When the mass of iron foil is less than 100 mg, it becomes impossible to place silicon carbide powder on its surface due to a decrease in the area of the foil. When the mass of iron foil is more than 400 mg, a wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with silicon carbide inclusions on the surface of tool steel products has a large number of defects. The defects in this case are represented by fragments of iron foil, which did not collapse during an electrical explosion, but only partially melted and stuck to the coating surface. When the mass of silicon carbide powder is less than 0.5 of the mass of the foil, the wear resistance and stability of the coating under drilling conditions are reduced. When forming a wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with silicon carbide inclusions, silicon carbide is a phase with high wear resistance, hardness and elastic modulus. Reducing the concentration of silicon carbide does not affect the increase in wear resistance and stability of the coating under drilling conditions. When the mass of silicon carbide powder is more than 1.5 times the mass of iron foil, no transfer of explosion products to the surface of the tool steel product occurs. In this case, the excess mass of silicon carbide powder does not allow the formation of a pulsed plasma jet, therefore, the coating is not formed.
Предлагаемый способ проиллюстрирован рисунками, где:The proposed method is illustrated by drawings, where:
на фиг. 1 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя износостойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния, – покрытие получено на инструментальной стали Р18;in fig. Figure 1 shows the cross-sectional structure of the surface layer of a wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with inclusions of silicon carbide - the coating was obtained on P18 tool steel;
на фиг. 2 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя износостойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния, – покрытие получено на инструментальной стали Р18, на изображение наложены результаты картирования в характеристических рентгеновских излучениях углерода, кремния и железа – зеленый, голубой и красный цвета соответственно;in fig. Figure 2 shows the cross-sectional structure of the surface layer of a wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with inclusions of silicon carbide - the coating was obtained on P18 tool steel, the results of mapping in the characteristic x-rays of carbon, silicon and iron - green, blue and red - are superimposed on the image colors accordingly;
на фиг. 3 представлено увеличенное изображение структуры поперечного сечения поверхностного слоя износостойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния, – покрытие получено на инструментальной стали Р18;in fig. Figure 3 shows an enlarged image of the cross-sectional structure of the surface layer of a wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with silicon carbide inclusions - the coating was obtained on P18 tool steel;
на фиг. 4 представлено увеличенное изображение структуры поперечного сечения поверхностного слоя износостойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния, – покрытие получено на инструментальной стали Р18, на изображение наложены результаты картирования в характеристических рентгеновских излучениях углерода, кремния и железа – зеленый, голубой и красный цвета, соответственно.in fig. Figure 4 shows an enlarged image of the cross-sectional structure of the surface layer of a wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with silicon carbide inclusions - the coating was obtained on P18 tool steel, the results of mapping in the characteristic x-rays of carbon, silicon and iron are superimposed on the image - green, blue and red colors, respectively.
Примеры конкретного осуществления способа:Examples of specific implementation of the method:
Пример 1Example 1
Обработке подвергали режущую часть сверла из инструментальной стали Р5М3 диаметром 8 мм. Использовали фольгу из железа массой 100 мг. На поверхности фольги из железа размещали порошок карбида кремния зеленого F1200 (размер частиц 2,5–3,5 мкм) массой 50 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность режущей части сверла из инструментальной стали Р5М3 диаметром 8 мм при поглощаемой плотности мощности 2,2 ГВт/м2 и формировали на ней электровзрывное износостойкое композиционное покрытие, содержащее матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния. Электровзрывное напыление произведено с использованием электровзрывной установки «ЭВУ 60/10М» научной лаборатории электровзрывного напыления высоконадежных покрытий Сибирского государственного индустриального университета, г. Новокузнецк (https://www.sibsiu.ru/universitet/podrazdeleniya/otdely/?ELEMENT_ID=21392). Режим термосилового воздействия на облучаемую поверхность задавали выбором зарядного напряжения емкостного накопителя энергии установки, по которому рассчитывали поглощаемую плотность мощности. Дополнительные параметры процесса: время воздействия плазмы на поверхность образца ~ 100 мкс, давление в ударно-сжатом слое вблизи облучаемой поверхности ~ 12,5 МПа, остаточное давление газа в рабочей камере ~ 100 Па; температура плазмы на срезе железного сопла ~ 104 К. Использовали импульсный плазменный ускоритель, состоящий из коаксиальных электродов и компрессионной камеры с направляющим соплом, и приспособлений, служащих для жесткого крепления сверла из быстрорежущей стали Р5М3 относительно сопла ускорителя, размещенного в технологической камере. За время заряда батареи конденсаторов с помощью форвакуумного насоса в ней создавался низкий вакуум (100 Па). Фольгу из железа с навеской порошка карбида кремния размещали между коаксиальных электродов. Особенность торцевой коаксиальной схемы разряда емкостного накопителя энергии через фольгу взрываемого материала состоит в том, что фольга прижимается к торцам электродов, один из которых (внешний) выполнен в виде кольца, а другой (внутренний) – в виде коаксиального токоподводящего стержня. При этом ток течет от центра фольги к ее периферии. Сформированные струи могут быть охарактеризованы как многофазные, поскольку включают в себя, наряду с плазмой, конденсированные частицы в виде капель различной дисперсности.The cutting part of a drill made of R5M3 tool steel with a diameter of 8 mm was subjected to processing. Iron foil weighing 100 mg was used. Green silicon carbide powder F1200 (particle size 2.5–3.5 μm) weighing 50 mg was placed on the surface of the iron foil. The generated plasma jet melted the surface of the cutting part of a drill made of R5M3 tool steel with a diameter of 8 mm at an absorbed power density of 2.2 GW/m 2 and formed on it an electro-explosive wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with silicon carbide inclusions. Electroexplosive spraying was carried out using the electric explosive installation "EVU 60/10M" of the scientific laboratory for electroexplosive spraying of highly reliable coatings of the Siberian State Industrial University, Novokuznetsk (https://www.sibsiu.ru/universitet/podrazdeleniya/otdely/?ELEMENT_ID=21392). The mode of thermal force impact on the irradiated surface was set by selecting the charging voltage of the capacitive energy storage device of the installation, from which the absorbed power density was calculated. Additional process parameters: plasma exposure time on the sample surface ~ 100 μs, pressure in the shock-compressed layer near the irradiated surface ~ 12.5 MPa, residual gas pressure in the working chamber ~ 100 Pa; the plasma temperature at the exit of the iron nozzle is ~ 10 4 K. A pulsed plasma accelerator was used, consisting of coaxial electrodes and a compression chamber with a guide nozzle, and devices used for rigidly fastening a drill made of high-speed steel R5M3 relative to the accelerator nozzle located in the process chamber. While charging the capacitor bank, a low vacuum (100 Pa) was created in it using a forevacuum pump. An iron foil with a sample of silicon carbide powder was placed between the coaxial electrodes. The peculiarity of the end coaxial discharge circuit of a capacitive energy storage device through the foil of the exploding material is that the foil is pressed against the ends of the electrodes, one of which (external) is made in the form of a ring, and the other (internal) is in the form of a coaxial current-carrying rod. In this case, the current flows from the center of the foil to its periphery. The formed jets can be characterized as multiphase, since they include, along with plasma, condensed particles in the form of droplets of varying dispersion.
Получили покрытие с высокой износостойкостью, твердостью, высоким модулем упругости, низким коэффициентом трения и высокой стабильностью работы в условиях сверления различных материалов. Сверло из инструментальной стали Р5М3 диаметром 8 мм, упрочненное заявляемым способом, показало ресурс работы в 2,65 раза выше серийных сверл из инструментальной стали Р5М3 диаметром 8 мм.We obtained a coating with high wear resistance, hardness, high modulus of elasticity, low coefficient of friction and high stability during drilling of various materials. A drill made of tool steel R5M3 with a diameter of 8 mm, strengthened by the inventive method, showed a service life of 2.65 times higher than serial drills made of tool steel R5M3 with a diameter of 8 mm.
Пример 2Example 2
Обработке подвергали режущую часть сверла из инструментальной стали Р18 диаметром 29 мм. Использовали фольгу из железа массой 400 мг. На поверхности фольги из железа размещали порошок карбида кремния зеленого F1200 (размер частиц 2,5–3,5 мкм) массой 600 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 2,5 ГВт/м2 и формировали на ней электровзрывное износостойкое композиционное покрытие, содержащее матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния. Электровзрывное напыление произведено с использованием электровзрывной установки «ЭВУ 60/10М» научной лаборатории электровзрывного напыления высоконадежных покрытий Сибирского государственного индустриального университета, г. Новокузнецк (https://www.sibsiu.ru/universitet/podrazdeleniya/otdely/?ELEMENT_ID=21392). Режим термосилового воздействия на облучаемую поверхность задавали выбором зарядного напряжения емкостного накопителя энергии установки, по которому рассчитывали поглощаемую плотность мощности. Дополнительные параметры процесса: время воздействия плазмы на поверхность образца ~ 100 мкс, давление в ударно-сжатом слое вблизи облучаемой поверхности ~ 12,5 МПа, остаточное давление газа в рабочей камере ~ 100 Па; температура плазмы на срезе железного сопла ~ 104 К. Использовали импульсный плазменный ускоритель, состоящий из коаксиальных электродов и компрессионной камеры с направляющим соплом, и приспособлений, служащих для жесткого крепления сверла из быстрорежущей стали Р18 относительно сопла ускорителя, размещенного в технологической камере. За время заряда батареи конденсаторов с помощью форвакуумного насоса в ней создавался низкий вакуум (100 Па). Фольгу из железа с навеской порошка карбида кремния размещали между коаксиальных электродов. Особенность торцевой коаксиальной схемы разряда емкостного накопителя энергии через фольгу взрываемого материала состоит в том, что фольга прижимается к торцам электродов, один из которых (внешний) выполнен в виде кольца, а другой (внутренний) – в виде коаксиального токоподводящего стержня. При этом ток течет от центра фольги к ее периферии. Сформированные струи могут быть охарактеризованы как многофазные, поскольку включают в себя, наряду с плазмой, конденсированные частицы в виде капель различной дисперсности.The cutting part of a drill made of P18 tool steel with a diameter of 29 mm was subjected to processing. Iron foil weighing 400 mg was used. Green silicon carbide powder F1200 (particle size 2.5–3.5 μm) weighing 600 mg was placed on the surface of the iron foil. The generated plasma jet melted the surface of a copper electrical contact at an absorbed power density of 2.5 GW/m 2 and formed an electro-explosive wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with silicon carbide inclusions on it. Electroexplosive spraying was carried out using the electric explosive installation "EVU 60/10M" of the scientific laboratory for electroexplosive spraying of highly reliable coatings of the Siberian State Industrial University, Novokuznetsk (https://www.sibsiu.ru/universitet/podrazdeleniya/otdely/?ELEMENT_ID=21392). The mode of thermal force impact on the irradiated surface was set by selecting the charging voltage of the capacitive energy storage device of the installation, from which the absorbed power density was calculated. Additional process parameters: plasma exposure time on the sample surface ~ 100 μs, pressure in the shock-compressed layer near the irradiated surface ~ 12.5 MPa, residual gas pressure in the working chamber ~ 100 Pa; the plasma temperature at the exit of the iron nozzle is ~ 10 4 K. A pulsed plasma accelerator was used, consisting of coaxial electrodes and a compression chamber with a guide nozzle, and devices used for rigidly fastening a drill made of high-speed steel R18 relative to the accelerator nozzle located in the process chamber. While charging the capacitor bank, a low vacuum (100 Pa) was created in it using a forevacuum pump. An iron foil with a sample of silicon carbide powder was placed between the coaxial electrodes. The peculiarity of the end coaxial discharge circuit of a capacitive energy storage device through the foil of the exploding material is that the foil is pressed against the ends of the electrodes, one of which (external) is made in the form of a ring, and the other (internal) is in the form of a coaxial current-carrying rod. In this case, the current flows from the center of the foil to its periphery. The formed jets can be characterized as multiphase, since they include, along with plasma, condensed particles in the form of droplets of varying dispersion.
Получили покрытие с высокой износостойкостью, твердостью, модулем упругости, низким коэффициентом трения и высокой стабильностью работы в условиях сверления различных материалов. Сверло из инструментальной стали Р18 диаметром 29 мм, упрочненное заявляемым способом, показало ресурс работы в 2,23 раза выше серийных сверл из инструментальной стали Р18 диаметром 29 мм.We obtained a coating with high wear resistance, hardness, elastic modulus, low coefficient of friction and high stability under drilling conditions in various materials. A drill made of P18 tool steel with a diameter of 29 mm, strengthened by the inventive method, showed a service life of 2.23 times higher than serial drills made of P18 tool steel with a diameter of 29 mm.
Проведены измерения микротвердости, модуля упругости, прочности на изгиб, износостойкости и коэффициента трения. Значение микротвердости сформированного методом электровзрывного напыления износостойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния, составляет 15,723 ГПа (стандартные значения микротвердости карбида кремния и железа составляют 33,0 и 0,608 ГПа соответственно). Модуль упругости сформированного покрытия составил 25 200 кгс/мм² (стандартные значения модуля упругости карбида кремния и железа составляют 38 749,2 и 18 54,9 кгс/мм² соответственно), значение прочности на изгиб – 800,8 МПа (стандартные значения прочности на изгиб карбида кремния и стали составляют 350–450 и 200–1 000 МПа соответственно).Microhardness, elastic modulus, bending strength, wear resistance and friction coefficient were measured. The microhardness value of a wear-resistant composite coating formed by electroexplosive spraying, containing an iron-based matrix with silicon carbide inclusions, is 15.723 GPa (standard microhardness values of silicon carbide and iron are 33.0 and 0.608 GPa, respectively). The elastic modulus of the formed coating was 25,200 kgf/mm² (standard values of the elastic modulus of silicon and iron carbide are 38,749.2 and 18,54.9 kgf/mm², respectively), the bending strength value was 800.8 MPa (standard bending strength values silicon carbide and steel are 350–450 and 200–1,000 MPa, respectively).
Исследования коэффициента трения и скорости износа поверхностного слоя проводили в геометрии диск-штифт с помощью трибометра (CSEM, Швейцария) при комнатных температуре и влажности. В качестве контртела использовали алмазную пирамидку, диаметр трека 3,9 мм, скорость вращения – 1,5 см/с, нагрузка – 8 Н, дистанция до остановки – 12,3 м для стали и 123 м для покрытия, количество оборотов – 1 000 для стали и 10 000 для покрытия. Объем износа поверхностного слоя определяли после проведения профилометрии образовавшегося трека с помощью лазерного оптического профилометра MicroMeasure 3D Station (Stil, Франция). Результаты измерений скорости износа V = 7,5 10-6 мкм2/Н⋅м и коэффициента трения μ = 0,153 для электровзрывного износостойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния, а для инструментальной стали Р18 – V = 19,1 10-6 мкм2/Н·м и μ = 0,174.Studies of the friction coefficient and wear rate of the surface layer were carried out in the disk-pin geometry using a tribometer (CSEM, Switzerland) at room temperature and humidity. A diamond pyramid was used as a counterbody, track diameter 3.9 mm, rotation speed – 1.5 cm/s, load – 8 N, distance to stop – 12.3 m for steel and 123 m for coating, number of revolutions – 1,000 for steel and 10,000 for coating. The amount of wear of the surface layer was determined after profilometry of the resulting track using a MicroMeasure 3D Station laser optical profilometer (Stil, France). Results of measurements of wear rate V = 7.5 10 -6 μm 2 /N⋅m and friction coefficient μ = 0.153 for an electroexplosive wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with inclusions of silicon carbide, and for tool steel P18 - V = 19 .1 10 -6 µm 2 /N m and µ = 0.174.
В результате исследования покрытия взаимодополняющими методами: сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа поверхности покрытия и прямых шлифов, рентгенофазового анализа и послойным анализом методом просвечивающей электронной микроскопии установлено следующее. Методами сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа поверхности покрытия установлено, что поверхность покрытия однородна, а распределение элементов на ней представлено только атомами элементов, из которых формировали покрытие: углерод, кремний и железо. Исследование элементного состава покрытия по его толщине показало, что основными элементами покрытия также являются углерод, кремний и железо. Эти результаты исследования структуры покрытия на поперечном шлифе полностью согласуются с результатами исследования поверхности покрытия, изложенными выше. Методом картирования в характеристических излучениях элементов проведена визуализация распределения элементов в объеме покрытия, согласно которой, можно отметить явно выраженные участки покрытия размером 0,1–0,2 мкм с преобладающим расположением углерода и кремния. Сочетание данных элементов указывает на формирование фазы карбида кремния SiC. Данные образования располагаются в матрице, которая представляет собой железо (это также подтверждено методом картирования в характеристическом излучении железа). Сформированные покрытия не содержат поры.As a result of studying the coating using complementary methods: scanning electron microscopy and micro-X-ray spectral analysis of the surface of the coating and straight sections, X-ray phase analysis and layer-by-layer analysis using transmission electron microscopy, the following was established. Using scanning electron microscopy and X-ray microspectral analysis of the coating surface, it was established that the coating surface is homogeneous, and the distribution of elements on it is represented only by atoms of the elements from which the coating was formed: carbon, silicon and iron. A study of the elemental composition of the coating through its thickness showed that the main elements of the coating are also carbon, silicon and iron. These results of studying the structure of the coating on a transverse section are completely consistent with the results of studying the surface of the coating presented above. Using the method of mapping in the characteristic radiation of elements, the distribution of elements in the volume of the coating was visualized, according to which it is possible to note clearly defined areas of the coating 0.1–0.2 μm in size with a predominant arrangement of carbon and silicon. The combination of these elements indicates the formation of the silicon carbide phase SiC. These formations are located in a matrix that represents iron (this is also confirmed by the mapping method in the characteristic radiation of iron). The formed coatings do not contain pores.
Методами рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии установлено содержание в покрытии фаз SiC и Fe. Проведенные исследования структуры, фазового и элементного составов не выявили оксидных фаз (как правило, оксиды могут формироваться в электровзрывных покрытиях в случае проникновения воздуха в рабочее пространство), которые снижают износостойкость покрытия. Также в процессе электровзрывного напыления сохраняется стабильной фаза карбида кремния без трансформации в другие карбиды и химические соединения. Карбид кремния обладает твердостью, второй только после алмаза и борного карбида, и обладает высокой износостойкостью, модулем упругости, прочностью на изгиб и другими характеристиками. Таким образом, формирование структуры покрытия, представляющей собой матрицу на основе железа с включениями из карбида кремния, и обладающего бимодальной структурой: субмикрокристаллической и нанокристаллической, обеспечивает лучший уровень свойств.Using X-ray phase analysis and transmission electron microscopy, the content of SiC and Fe phases in the coating was determined. The studies of the structure, phase and elemental compositions did not reveal oxide phases (as a rule, oxides can form in electroexplosive coatings in the event of air penetration into the working space), which reduce the wear resistance of the coating. Also, during the process of electroexplosive spraying, the silicon carbide phase remains stable without transformation into other carbides and chemical compounds. Silicon carbide has a hardness second only to diamond and boron carbide, and has high wear resistance, elastic modulus, flexural strength and other characteristics. Thus, the formation of a coating structure that is an iron-based matrix with silicon carbide inclusions and has a bimodal structure: submicrocrystalline and nanocrystalline, provides the best level of properties.
Предлагаемый способ позволяет сформировать покрытие, которое по совокупности свойств, характеристикам структуры и фазовому составу позволяет увеличить срок службы изделий из инструментальных сталей различной номенклатуры, и расширить область практического применения и, кроме того, восстанавливать их поверхность.The proposed method makes it possible to form a coating, which, due to the combination of properties, structure characteristics and phase composition, allows you to increase the service life of products made from tool steels of various nomenclatures, and expand the scope of practical application and, in addition, restore their surface.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2819214C1 true RU2819214C1 (en) | 2024-05-15 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101555579B (en) * | 2009-05-20 | 2010-10-27 | 华北电力大学 | Method for preparing a Fe-Si-B system amorphous phase coating on aluminium alloy matrix |
| RU2478732C1 (en) * | 2011-09-13 | 2013-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Composite electrically blasted conductor for blast deposition of coatings or metal and alloy surface blast alloying |
| CN104674159A (en) * | 2015-03-02 | 2015-06-03 | 江西省科学院应用物理研究所 | High-energy superposition based alloy steel surface treatment method |
| RU2780721C1 (en) * | 2021-12-02 | 2022-09-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" ФГБОУ ВО "СибГИУ" | Method for electroexplosive spraying of bioinert molybdenum coatings on titanium alloy implants |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101555579B (en) * | 2009-05-20 | 2010-10-27 | 华北电力大学 | Method for preparing a Fe-Si-B system amorphous phase coating on aluminium alloy matrix |
| RU2478732C1 (en) * | 2011-09-13 | 2013-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Composite electrically blasted conductor for blast deposition of coatings or metal and alloy surface blast alloying |
| CN104674159A (en) * | 2015-03-02 | 2015-06-03 | 江西省科学院应用物理研究所 | High-energy superposition based alloy steel surface treatment method |
| RU2780721C1 (en) * | 2021-12-02 | 2022-09-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" ФГБОУ ВО "СибГИУ" | Method for electroexplosive spraying of bioinert molybdenum coatings on titanium alloy implants |
| RU2804900C1 (en) * | 2023-06-16 | 2023-10-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Method for producing coating on inner surface of hollow part using electrical explosion of conductor. |
| RU2806954C1 (en) * | 2023-09-29 | 2023-11-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Method for electroexplosive spraying of electrical erosion-resistant coating based on titanium and silver diboride onto copper electrical contact |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pogrebnyak et al. | Electrolytic plasma processing for plating coatings and treating metals and alloys | |
| Yan et al. | Surface modification of SKD 61 during EDM with metal powder in the dielectric | |
| KR100285071B1 (en) | Discharge surface treatment method and discharge surface treatment apparatus | |
| Yushkov et al. | Deposition of boron-containing coatings by electron-beam evaporation of boron-containing targets | |
| Kumari et al. | Ceramic-metal composite coating on steel using a powder compact tool electrode by the electro-discharge coating process | |
| US7897204B2 (en) | Method of strengthening tool material by penetration of reinforcing particles | |
| Nikolenko et al. | Formation of electrospark coatings of the VK8 hard alloy with the Al 2 O 3 additive | |
| Arun et al. | Synthesis of electrical discharge metal matrix composite coating through compacted semi-sintered electrode and its tribological studies | |
| Xiao et al. | Titanium carbonitride coating by pulsed electrical discharge in an aqueous solution of ethanolamine | |
| RU2819214C1 (en) | Method for electroexplosive sputtering of a wear-resistant composite coating containing an iron-based matrix with inclusions of silicon carbide on an article made from tool steel | |
| Tao Le | The evaluation of machining performances and recast layer properties of AISI H13 steel processed by tungsten carbide powder mixed EDM process in the semi-finishing process | |
| Brzhozovskii et al. | Composite ion-plasma coatings with nanodisperse reinforced phase: scientific and practical aspects of synthesis | |
| CN112281105B (en) | Metal ceramic composite coating and preparation method and application thereof | |
| Yugeswaran et al. | Effect of critical plasma spray parameter on properties of hollow cathode plasma sprayed alumina coatings | |
| Scendo et al. | influence of heat treatment on corrosion of mild steel coated with WC-Co-Al2O3 cermet composite produced by electrospark deposition | |
| Oskolkova | A New the Chnology for Producing Carbide Alloys With Gradient Structure | |
| Pyachin et al. | Electrospark coatings based on WC-Co alloys with aluminium oxide and carbon additives | |
| Manakova et al. | On the application of dispersion-hardened SHS electrode materials based on (Ti, Zr) C carbide using electrospark deposition | |
| Tarelnyk et al. | ALUMINIZING OF METAL SURFACES BY ELECTRIC-SPARK ALLOYING. | |
| CN104674159A (en) | High-energy superposition based alloy steel surface treatment method | |
| Ovcharenko et al. | Wear resistance of the surface layers of hard alloys with a multilevel structural phase state | |
| Pogrebnyak et al. | Preparation and investigation of the structure and properties of Al 2 O 3 plasma-detonation coatings | |
| Pogrebnjak et al. | Structure and properties of nano-and microcomposite coating based on Ti-Si-N/WC-Co-Cr | |
| Barlak et al. | Raman Spectroscopy in the investigations of indexable knives for woodbased materials machining | |
| Kostyk et al. | STRENGTHENING THE SURFACE LAYER OF TOOLS WITH STATE-OF-THE-ART TECHNOLOGIES. |