btpsБезопасность техногенных и природных системSafety of Technogenic and Natural Systems2541-9129Don State Technical University10.23947/2541-9129-2024-8-4-47-53AFQAPGbtps-415Research ArticleХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ, МЕТАЛЛУРГИЯCHEMICAL TECHNOLOGIES, MATERIALS SCIENCES, METALLURGYМикродуговое молибденирование стали с использованием молибдата аммонияMicroarc Molybdenum Steel Saturation Using Ammonium Molybdatehttps://orcid.org/0000-0002-1537-9397СтепановМ. С.StepanovM. S.

Макар Степанович Степанов, доктор технических наук, профессор кафедры управления качеством

344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

ScopusID, ResearcherID

Makar S. Stepanov, Dr.Sci. (Eng.), Professor of the Quality Management Department

1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003

ScopusID, ResearcherID

stepanovms@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2937-8632ДомбровскийЮ. М.DombrovskiiY. M.

Юрий Маркович Домбровский, доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения и технологии металлов

344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

ScopusID

Yuriy M. Dombrovskii, Dr.Sci. (Eng.), Professor of the Materials Science and Technologies of Metals Department

1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003

ScopusID

yurimd@mail.ruДонской государственный технический университетРоссияDon State Technical UniversityRussian Federation202427112024044753Copyright © Степанов М.С., Домбровский Ю.М., 20242024Степанов М.С., Домбровский Ю.М.Stepanov M.S., Dombrovskii Y.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.bps-journal.ru/jour/article/view/415

Введение. Одной из актуальных проблем современного материаловедения является повышение надежности и долговечности инструмента и деталей машин. Для ее решения целесообразно создание высокотвердых покрытий с повышенными эксплуатационными характеристиками. Как правило, для этого используется высокоэнергетическое воздействие на материал. Однако оно требует использования сложного и дорогостоящего оборудования и не получило широкого распространения. Поэтому в настоящее время проблема создания таких покрытий остается актуальной. Эффективным и недорогим методом создания таких покрытий на стальных изделиях является микродуговое поверхностное легирование из обмазки, предварительно наносимой на поверхность упрочняемых изделий. Целью работы являлась оценка возможности создания таких покрытий с помощью диффузионного молибденирования с использованием молибдата аммония в качестве источника диффузанта.Материалы и методы. Для достижения цели исследования использовали термодинамический анализ химических реакций, протекание которых возможно в температурном диапазоне процесса микродугового нагрева. Для каждой реакции рассчитывали изменение стандартной энергии Гиббса, что позволило определить возможность и диапазон их протекания. Экспериментальное исследование процесса микродугового молибденирования с использованием молибдата аммония выполнено с использованием лабораторной установки на образцах из стали 20; поверхностная плотность тока составляла 0,53 А/см2; продолжительность процесса — 6 минут.Результаты исследования. Рассчитаны зависимости изменения свободной энергии Гиббса для химических реакций, протекание которых возможно при термическом разложении молибдата аммония. Экспериментально установлено формирование молибденированного покрытия и определена концентрация молибдена в диффузионном слое. На поверхности образцов обнаружены карбиды Mo2C и Fe3Mo3C. Определена зависимость глубины покрытия от содержания диффузанта в обмазке и от ее толщины.Обсуждение и заключение. Анализ полученных уравнений показал возможность образования атомарного молибдена прямым восстановлением или через промежуточное образование диоксида. Результаты экспериментальных исследований подтвердили образование диффузионного покрытия на стали после микродугового насыщения молибденом. Глубина такого покрытия зависит от содержания диффузанта в обмазке и от ее толщины. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов микродугового молибденирования стальных изделий

Introduction. One of the most significant challenges in modern materials science is increasing the reliability and durability of tools and machine parts. To address this issue, it is essential to develop high-hardness coatings with enhanced properties. Typically, high-energy techniques are employed for this purpose, but they require complex and costly equipment, limiting their widespread use. Therefore, problem of creating such coatings remains a significant challenge. An effective and affordable approach to creating these coatings on steel products is microarc surface alloying from a coating pre-applied to the surface of the hardened products. The aim of the work was to assess the potential of diffusion molybdenum saturation for creating such coatings. Ammonium molybdate was used as the diffusant agent.Materials and Methods. To achieve the aim of this study, we used thermodynamic analysis of chemical reactions that can occur within the temperature range of the microarc heating process. For each reaction, we calculated the change in standard Gibbs energy, which allowed us to determine the feasibility and range of occurrence. An experimental study of the microarc molybdenum saturation process was conducted using ammonium molybdate on steel 20 samples using a laboratory setup. The surface current density was set at 0.53 A/cm², and the duration of the process was 6 minutes.Results. The Gibbs free energy changes for chemical reactions that can occur during the thermal decomposition of ammonium molybdate have been calculated. An experimental study has shown the formation of a molybdenum coating, and the concentration of molybdenum in the diffusion layer has been determined. On the surface of the samples, carbides Mo2C and Fe3Mo3C have been found. The dependence of the coating depth on the content of diffusant in the coating and its thickness has been determined.Discussion and Conclusion. Thermodynamic analysis has shown that atomic molybdenum can be formed through direct reduction or with the intermediate formation of molybdenum dioxide. The research has confirmed the formation of a diffusion coating on steel after microarc saturation with molybdenum, and the depth of this coating depends on the amount of diffusant in the coating and its thickness. These findings will be used to develop technological processes for microarc molybdenum plating of steel products.

микродуговое поверхностное легированиедиффузионное насыщение молибденомформирование высокотвердого покрытияmicroarc surface alloyingdiffusion molybdenum saturationformation of a high-hardness coatingReferencesMittemeijer EJ, Somers MAJ. (eds). Thermochemical Surface Engineering of Steels. Woodhead Publishing; 2015. 827 p.Mittemeijer EJ, Somers MAJ. (eds). Thermochemical Surface Engineering of Steels. Woodhead Publishing; 2015. 827 p.Liexin Wu, Li Meng, Yueyue Wang, Shuhuan Zhang, Wuxia Bai, Taoyuan Ouyang, et al. Effects of Laser Surface Modification on the Adhesion Strength and Fracture Mechanism of Electroless-Plated Coatings. Surface and Coatings Technology. 2022;429:127927. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127927Liexin Wu, Li Meng, Yueyue Wang, Shuhuan Zhang, Wuxia Bai, Taoyuan Ouyang, et al. Effects of Laser Surface Modification on the Adhesion Strength and Fracture Mechanism of Electroless-Plated Coatings. Surface and Coatings Technology. 2022;429:127927. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127927Zhen Huang, Zi-Xin Guo, Lei Liu, Yuan-Yuan Guo, Jun Chen, Ze Zhang, et al. Structure and Corrosion Behavior of Ultra-Thick Nitrided Layer Produced by Plasma Nitriding of Austenitic Stainless Steel. Surface and Coatings Technology. 2021;405:126689. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126689Zhen Huang, Zi-Xin Guo, Lei Liu, Yuan-Yuan Guo, Jun Chen, Ze Zhang, et al. Structure and Corrosion Behavior of Ultra-Thick Nitrided Layer Produced by Plasma Nitriding of Austenitic Stainless Steel. Surface and Coatings Technology. 2021;405:126689. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126689Czerwinski F. Thermochemical Treatment of Metals. In book: Heat Treatment – Conventional and Novel Applications. London: InTechOpen; 2012. 422 p. https://doi.org/10.5772/51566Czerwinski F. Thermochemical Treatment of Metals. In book: Heat Treatment – Conventional and Novel Applications. London: InTechOpen; 2012. 422 p. https://doi.org/10.5772/51566Belkin PN, Kusmanov SA. Plasma Electrolytic Carburising of Metals and Alloys. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2021;57(1):19–50. https://doi.org/10.3103/S1068375521010038Belkin PN, Kusmanov SA. Plasma Electrolytic Carburising of Metals and Alloys. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2021;57(1):19–50. https://doi.org/10.3103/S1068375521010038Venugopal A, Rajiv Panda, Sushant Manwatkar, Sreekumar K, Rama Krishna L, Sundararajan G. Effect of Microarc Oxidation Treatment on Localized Corrosion Behavior of AA7075 Aluminum Alloy in 3.5% NaCl Solution. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012;22(3):700–710. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(11)61234-XVenugopal A, Rajiv Panda, Sushant Manwatkar, Sreekumar K, Rama Krishna L, Sundararajan G. Effect of Microarc Oxidation Treatment on Localized Corrosion Behavior of AA7075 Aluminum Alloy in 3.5% NaCl Solution. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012;22(3):700–710. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(11)61234-XNie X, Tsotsos C, Wilson A, Yerokhin AL, Leyland A, Matthews A. Characteristics of a Plasma Electrolytic Nitrocarburising Treatment for Stainless Steels. Surface and Coatings Technology. 2001;139(2–3):135–142. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01025-8Nie X, Tsotsos C, Wilson A, Yerokhin AL, Leyland A, Matthews A. Characteristics of a Plasma Electrolytic Nitrocarburising Treatment for Stainless Steels. Surface and Coatings Technology. 2001;139(2–3):135–142. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01025-8Wang RJ, Qian YY, Liu J. Structural and Interfacial Analysis of WC92–Co8 Coating Deposited on Titanium Alloy by Electrospark Deposition. Applied Surface Science. 2024;228(1–4):405–409. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.01.043Wang RJ, Qian YY, Liu J. Structural and Interfacial Analysis of WC92–Co8 Coating Deposited on Titanium Alloy by Electrospark Deposition. Applied Surface Science. 2024;228(1–4):405–409. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.01.043Александров В.А., Петрова Л.Г., Сергеева А.С., Александров В.Д., Ахметжанова Э.У. Комбинированные плазменные способы химико-термической обработки для создания модифицированных покрытий на инструменте. СТИН. 2019;(3):13–16.Aleksandrov VA, Petrova LG, Sergeeva AS, Aleksandrov VD, Akhmetzhanova EU. Combined Plasma Methods of Chemical and Thermal Treatment to Create Modified Coatings on the Instrument. STIN. 2019;(3):13–16. (In Russ.)Степанов М.С., Домбровский Ю.М., Давидян Л.В. Структура, фазовый состав, механические свойства и износостойкость стали после микродугового борованадирования. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2019;62(6):446–451. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-6-446-451Stepanov MS, Dombrovskii YuM, Davidyan LV. Structure, Phase Composition, Mechanical Properties and Wear Resistance of Steel after Microarc Boriding and Vanadation. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019;62(6):446–451. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-6-446-451Степанов М.С., Домбровский Ю.М. Cоздание покрытий карбидного типа при микродуговом термодиффузионном вольфрамировании стали. Материаловедение. 2018;(1):20–25.Stepanov MS, Dombrovskiy YuM. Deposition of Carbide-Type Coatings during Micro-Arc Thermodiffusion Tungstening of Steel. Material Science. 2018;(1):20–25. (In Russ.)Stepanov M.S., Dombrovskii Yu.M., Pustovoit V.N. Diffusion Saturation of Carbon Steel under Microarc Heating. Metal Science and Heat Treatment. 2017;59(1–2):55–59. https://doi.org/10.1007/s11041-017-0102-4Stepanov M.S., Dombrovskii Yu.M., Pustovoit V.N. Diffusion Saturation of Carbon Steel under Microarc Heating. Metal Science and Heat Treatment. 2017;59(1–2):55–59. https://doi.org/10.1007/s11041-017-0102-4Пономарев С.В., Мищенко С., Дивин А., Вертоградский В., Чуриков А. Теоретические и практические основы теплофизических измерений. Пономарев С.В. (ред.). Москва: ФИЗМАТЛИТ; 2008. 408 с.Ponomarev SV, Mishchenko S, Divin A, Vertogradskii V, Churikov A. Theoretical and Practical Foundations of Thermophysical Measurements. Ponomarev SV. (ed.). Moscow: FIZMATLIT; 2008. 408 p. (In Russ.)Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И., Леонтьев А.И., Миронов Б.М., Никитин В.М. и др. Теория тепломассообмена. Леонтьев А.И. (ред). Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана; 2018. 462 с.Isaev SI, Kozhinov IA, Kofanov VI, Leontev AI, Mironov BM, Nikitin VM, et al. The Theory of Heat and Mass Transfer. Leontev AI (ed.). Moscow: Publishing House of Bauman Moscow State Technical University; 2018. 462 p. (In Russ.)Лидин Р.А. (ред.), Молочко В.А., Андреева Л.Л. Константы неорганических веществ: справочник. 3-е изд., стер. Москва: Дрофа; 2006. 685 с.Lidin RA (ed.), Molochko VA, Andreeva LL. Constants of Inorganic Substances: Reference Book. 3d ed., ster. Moscow: Drofa; 2006. 685 p. (In Russ.)Гюльмалиев А.М., Головин Г.С., Гладун Т.Г. Теоретические основы химии угля. Москва: МГГУ; 2003. 556 с.Gyulmaliev AM, Golovin G., Gladun TG. Theoretical Foundations of Coal Chemistry. Moscow: MSUH; 2003. 556 p. (In Russ.)

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