Тонкая структура стали после микродугового молибденирования

Введение. В условиях современного производства важной задачей является повышение надежности и долговечности стальных изделий. Для решения этой проблемы целесообразно создавать на их поверхности высокотвердые износостойкие покрытия, формируемые методом диффузионного насыщения металла карбидообразующими элементами. Традиционные способы получения таких покрытий отличаются значительной продолжительностью — до 8 и более часов. Для ускорения процесса формирования в литературе предложены различные методы, основанные на применении высокоэнергетического воздействия на материал (лазерного, плазменного и т.д.), однако они требуют использования сложного и дорогостоящего оборудования. В настоящей работе рассмотрен способ получения высокотвердого покрытия на основе молибдена методом микродугового легирования, который заключается в воздействии на обрабатываемое стальное изделие, погруженное в угольный порошок, мультипликативных микродуговых разрядов, возникающих между поверхностью металла и окружающей порошковой средой при пропускании электрического тока. Этот метод позволяет значительно интенсифицировать процесс диффузионного поверхностного насыщения, отличается простотой и низкой энергоемкостью. Свойства получаемых покрытий в основном определяются их тонкой структурой, поэтому исследование этой структуры представляет собой актуальную задачу. Таким образом, целью работы было изучение особенностей тонкой структуры поверхностного слоя стали после микродугового молибденирования.

Материалы и методы. В качестве источника молибдена для диффузионного насыщения использовали обмазку, содержащую мелкодисперсный порошок молибдата аммония и электропроводный гель в качестве связующего в объемном соотношении 1:1. Обмазку наносили на поверхность цилиндрических образцов диаметром 12 мм и длиной 35 мм, изготовленных из стали 20, после чего их погружали в металлический контейнер с угольным порошком с размером частиц 0,4–0,6 мм. Через данный порошок пропускали электрический ток в течение 6 минут, при этом поверхностная плотность тока составляла 0,53 А/см². Для исследований тонкой структуры стали использовали микроскоп Neophot-21, дифрактометр ARL X’TRA-435, сканирующий электронный микроскоп ZEISS CrossBeam 340 с рентгеновским микроанализатором и сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator.

Результаты исследования. После микродугового молибденирования стальных образцов образуется покрытие, обладающее многослойным строением и сложным фазовым составом. На поверхности материала обнаруживается слаботравящийся слой толщиной 50–55 мкм, под которым расположен науглероженный слой с эвтектоидной структурой толщиной около 200 мкм, а еще ниже сохраняется исходная феррито-перлитная структура. Основа слаботравящегося слоя представляет собой дисперсную феррито-карбидную смесь, содержащую около 47 мас. % Mo и имеющую микротвердость 8–9 ГПа. В этом слое расположены карбидные включения размером до 5 мкм, содержащие 94 мас. % Mo и обладающие микротвердостью до 21 ГПа. Рельеф поверхности характеризуется наличием карбидных включений размером 3–5 мкм, а также множественными наноразмерными включениями, выступающими над поверхностью шлифа на высоту от 10 до 150–200 нм.

Обсуждение. Результаты исследования, полученные с использованием металлографического анализа, сканирующей электронной микроскопии, рентгеновского фазового анализа и атомно-силовой микроскопии, показали, что при микродуговом молибденировании стали формируется диффузионный слой, содержащий наноразмерные частицы карбидной фазы, достигающие объёмной доли до 70 %, расположенные в основе слоя, представляющего собой феррито-карбидную эвтектоидную смесь. Количественная оценка упрочняющего влияния этих частиц подтвердила, что наличие таких частиц, характеризующихся высокой микротвердостью, и обусловливает высокую твердость образующегося покрытия.

Заключение. Микродуговое молибденирование стали представляет собой эффективный метод получения покрытий, обладающих выдающимися эксплуатационными характеристиками. Полученные вследствие этого покрытия не только отличались высокой твердостью за счет наноразмерных карбидных частиц, расположенных в феррито-карбидной основе, но и демонстрировали улучшенные механические свойства. Это делает их перспективными для применения в различных отраслях, где требуются высокая износостойкость и долговечность изделий. Результаты исследований показывают, что использование данного метода значительно сокращает время обработки и позволяет избегать применения дорогостоящего оборудования, что делает его более доступным для промышленного внедрения.

1. Mittemeijer EJ, Somers MAJ (eds.). Thermochemical Surface Engineering of Steels. Woodhead Publishing; 2015. 827 p.

2. Wang 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.2004.01.043

3. Guryev MA, Guryev AM, Ivanov SG, Chernykh EV. Influence of the Chemical Composition of Steel on the Structure and Properties of Diffusion Coatings Obtained by Simultaneous Saturation of Structural Steels with Boron, Chromium, and Titanium. Physics of the Solid State. 2023;65(1):62–65. https://doi.org/10.1134/S1063783423700014

4. Степанов М.С., Домбровский Ю.М. Создание покрытий карбидного типа при микродуговом термодиффузионном вольфрамировании стали. Материаловедение. 2018;(1):20–25.

5. Yu-Hsien Liao, Fan-Bean Wu. Microstructure Evolution and Mechanical Properties of Refractory Molybdenum-Tungsten Nitride Coatings. Surface and Coatings Technology. 2024;476:130154. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2023.130154

6. Калита В.И., Комлев Д.И., Радюк А.А., Михайлова А.Б., Демин К.Ю., Румянцев Б.А. Исследование структуры и микротвердости плазменного покрытия из аустенитной стали после фрикционной обработки. Металлы. 2024;(3):32–42.

7. Кудряков О.В., Варавка Н.В., Забияка И.Ю., Ядрец Э.А., Караваев П.В. Морфология и генеалогия структурных дефектов в вакуумных ионно-плазменных покрытиях. Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2020;20(3):269–279. https://doi.org/10.23947/2687-1653-2020-20-3-269-279

8. Шабурова Н.А., Пашкеев К.Ю., Мясоедов В.А. Сравнительный анализ структуры и свойств хромокобальтового покрытия, полученного диффузионным насыщением и лазерной наплавкой. Материаловедение. 2024;(6):12–20. https://doi.org/10.31044/1684-579X-2024-0-6-12-20

9. 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.2021.127927

10. Химухин С.Н., Еремина К.П., Хе В.К. Структура комбинированных интерметаллидных покрытий электроискровых покрытий на стали 45. Металловедение и термическая обработка металлов. 2024;(11):20–27. https://doi.org/10.30906/mitom.2024.11.20-27

11. Shaburova NA. Chromium Plating of Steel Parts Using the Thermoemission Field. Materials Physics and Mechanics. 2024;52(3):154–160. https://doi.org/10.18149/MPM.5232024_14

12. Степанов М.С., Домбровский Ю.М., Пустовойт В.Н. Микродуговое диффузионное насыщение стали углеродом и карбидообразующими элементами. Металловедение и термическая обработка металлов. 2017;(5(743)):45–49.

13. Stepanov MS, Dombrovskii YuM. Thermodynamic Analysis of Carbide Layer Formation in Steel with Microarc Saturation by Molybdenum. Steel in Translation. 2016;46(2):79–82. https://doi.org/10.3103/S0967091216020169

14. Степанов М.С., Домбровский Ю.М. Микродуговое молибденирование стали с использованием молибдата аммония. Безопасность техногенных и природных систем. 2024;8(4):47–53. https://doi.org/10.23947/2541-9129-2024-8-4-47-53

15. Калин Б.А., Платонов П.А., Тузов Ю.В., Чернов И.И., Штромбах Я.И. Конструкционные материалы ядерной техники. В кн: Физическое материаловедение, т. 6. Москва: Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»; 2021. 736 с.

16. Kobernik NV, Pankratov AS, Mikheev RS, Orlik AG, Sorokin SP, Petrova VV, et al. Application of Chromium Carbides in Surfacing Materials Intended for Obtaining of Abrasion Resistant Coatings. Vestnik Mashinostroeniya. 2020;(9):64–68. https://doi.org/10.36652/0042-4633-2020-9-64-68

17. Алешин Н.П., Коберник Н.В., Панкратов А.С., Петрова В.В. Термодинамическое моделирование образования карбидов хрома в наплавденном металле. Вестник машиностроения. 2020;(7):67–71. https://doi.org/10.36652/0042-4633-2020-7-67-71

18. Волков Н.В., Скрытный В.И., Филиппов В.П., Яльцев В.Н. Методы исследования структурно-фазового состояния материалов. В кн: Физическое материаловедение, т. 3. Москва: Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»; 2021. 800 с.