powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2020-55-64powder-527Research ArticleТугоплавкие, керамические и композиционные материалыRefractory, Ceramic, and Composite MaterialsФазо-структурообразование и особенности поведения порошковых материалов «железо–высокоуглеродистый феррохром–борид никеля» в условиях абразивного изнашиванияPhase-structure formation and features of the behavior of iron–high-carbon ferrochrome–nickel boride powder materials under abrasive wear conditionsКараимчукЕ. С.KaraimchukE. S.

мл. науч. сотр. отдела № 36

03680, г. Киев, ул. Кржижановского, 3

junior researcher of Department № 36

03680, Kyiv, Krzhizhanovsky str., 3

 

zkaraimcuk@gmail.comМаслюкВ. А.MaslyukV. A.

докт. техн. наук, проф., вед. науч. сотр. отдела № 36

03680, г. Киев, ул. Кржижановского, 3

Dr. Sci. (Tech.), prof., leading officer of Department № 36

03680, Kyiv, Krzhizhanovsky str., 3

V.A.maslyuk@gmail.comМамоноваА. А.MamonovaA. A.

канд. техн. наук, ст. науч. сотр. отдела № 36

03680, г. Киев, ул. Кржижановского, 3

Cand. Sci. (Tech.), senior researcher of Department № 36

03680, Kyiv, Krzhizhanovsky str., 3

УмероваС. А.UmerovaS. A.

канд. техн. наук, науч. сотр. отдела № 48

03680, г. Киев, ул. Кржижановского, 3

Cand. Sci. (Tech.), researcher of Department № 48

03680, Kyiv, Krzhizhanovsky str., 3

Институт проблем материаловедения (ИПМ) им. И.Н. Францевича НАН УкраиныУкраинаFrantsevich Institute for Problems in Materials Science, NASUUkraine202014032020015564Copyright © НИТУ "МИСИС", 20202020НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/527

Исследовано влияние добавок борида никеля (Ni3B) на фазо-структурообразование, физико-механические свойства и устойчивость к абразивному изнашиванию порошкового материала на основе системы «железо–высокоуглеродистый феррохром (35 мас.%)». Обнаружено, что добавки Ni3B B обеспечивают формирование многофазной микрогетерогенной структуры материала матрично-наполненного типа, состоящей из хромистой стали и твердых включений сложных карбидов хрома и железа (таких, как Ме3С, Me7C3 , Me23C6 ) и боридов (FeB, Fe2B), повышающих микротвердость твердой составляющей от 8,34 до 11,65 ГПа. Также выявлено, что увеличение содержания легирующей добавки от 3,5 до 8,7 мас.% улучшает устойчивость материала к абразивному изнашиванию (от 6,9 до 12,2 км/мм) и снижает твердость (от 75 до 68 HRA) и прочность на изгиб (от 1560 до 844 МПа). Методом оптической профилометрии изучены топографические особенности морфологии изношенных поверхностей для оценки глубины и локального развития процесса разрушения поверхности образцов с использованием стандартизированных параметров шероховатости, вычисленных из 2D- и 3D-профилей. Установлено, что усредненные параметры шероховатости поверхности для материалов, легированных боридом никеля, составляют, мкм: Ra = 0,44÷0,6, Rz = 0,49÷1,2, Rp = 0,26÷0,56, а для базового материала: Ra = 1,860, Rz = 0,813, Rp = = 3,356 мкм. Показано, что перспективными составами, сочетающими требуемые физико-механические свойства и повышенную стойкость против абразивного изнашивания закрепленными частицами алмазного круга, являются материалы на основе системы Fe–35%ФХ800, содержащие 5,2–6,9 мас.% Ni3B.

The study covers the effect of nickel boride (Ni3B) additives on phase-structure formation, physical and mechanical properties and resistance of iron – high-carbon ferrochrome powder (35 wt.%) to abrasive wear. It was found that Ni3B additives provide the formation of a multiphase, microheterogeneous structure of a matrix-filled material consisting of chromium steel and solid inclusions of complex chromium-iron carbides such as Ме3С, Me7C3 and Me23C6 and borides FeB, Fe2B that significantly increase the microhardness of solid phases from 8.34 to 11.65 GPa. It was also revealed that the increase in the content of a doping additive from 3.5 to 8.7 wt.% increases base material resistance to abrasion wear from 6.9 to 12.2 km/mm and decreases hardness from 75 to 68 HRA and bending strength from 1560 to 844 MPa. The method of optical profilometry was used to study the topographical features of worn surface morphology to estimate the depth and local development of wear on sample surfaces with standardized roughness parameters calculated based on 2D or 3D profiles. Average roughness parameters for each composition were found to be Ra = 0.44÷0.6, Rz = 0.49÷1.2 μm, and Rp = 0.26÷0.56 μm for materials doped with Ni3B, and Ra = 1.860 μm, Rz = 0.813 μm, Rp = 3.356 μm for the base material. It was shown that the promising compositions that combine acceptable physical and mechanical properties and improved abrasive wear resistance are materials based on the Fe–35%FeН800 system containing 5.2–6.9 wt.% of Ni3B.

порошковые материалыкомпозитабразивное изнашиваниеизносостойкостьжелезоборид никеляспеканиетвердостьмикротвердостьтриботехнические свойстваpowder materialscompositeabrasive wearwear resistanceironnickel boridesinteringhardnessmicrohardnesstribotechnical propertiesReferencesГарбер М.Е. Износостойкие белые чугуны: свойства, структура, технология, эксплуатация. М.: Машиностроение, 2010.Garber M.E. Wear-resistant white cast irons: properties, structure, technology, operation. Moscow: Mashinostroenie, 2010 (In Russ.).Маслюк В.А., Напара-Волгина С.Г. Стойкие к износу и коррозии материалы типа карбидосталей с различными матрицами. Порошк. металлургия. 1999. No. 9/10. C. 108—114.Maslyuk V.A., Napara-Volgina S.G. Wear and corrosion resistant materials such as carbide steels with various dies. Poroshkovaya metallurgiya. 1999. No. 9/10. P. 108—114 (In Russ.).Маслюк В.А., Яковенко Р.В., Потажевская О.А., Бондар А.А. Порошковые твердые сплавы и хромистые карбидостали на основе системы Fe—Cr—C. Порошк. металлургия. 2013. No. 1/2. С. 61—74.Maslyuk V.A., Yakovenko R.V., Potazhevskaya O.A., Bondar A.A. Powder solid alloys and chromium carbide steels based on the Fe—Cr—C system. Poroshkovaya metallurgiya. 2013. No. 1/2. P. 61—74 (In Russ.).Маслюк В.А. Безвольфрамовые твердые сплавы и содержащие карбиды хрома карбидостали. Порошк. металлургия. 2014. No. 3/4. С. 47—57.Maslyuk V.A. Tungsten-free carbides and carbide-containing chromium carbides. Poroshkovaya metallurgiya. 2014. No. 3/4. P. 47—57 (In Russ.).Bondar A., Ivanchenko V., Kozlov A., Tedenac J.-C. Carbon-chromium-iron. In: Landolt-Börnstein, Numerical data and functional relationships in science and technology. Ed. W. Martinsen. New Series. Group IV: Physical Chemistry. Ternary Alloy Systems. Phase Diagrams, Crystallographic and Thermodynamic Data Critically Evaluated by MSIT. Eds. G. Effenberg, S. Ilyenko. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2007. Vol. 11D2. P. 1—55.Bondar A., Ivanchenko V., Kozlov A., Tedenac J.-C. Carbon-chromium-iron. In: Landolt-Börnstein, Numerical data and functional relationships in science and technology. Ed. W. Martinsen. New Series. Group IV: Physical Chemistry. Ternary Alloy Systems. Phase Diagrams, Crystallographic and Thermodynamic Data Critically Evaluated by MSIT. Eds. G. Effenberg, S. Ilyenko. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2007. Vol. 11D2. P. 1—55.Khvan A.V., Hallstedt B., Broeckmann C. A thermodynamic evaluation of the Fe—Cr—C system. Calphad. 2014. Vol. 46. P. 24—33.Khvan A.V., Hallstedt B., Broeckmann C. A thermodynamic evaluation of the Fe—Cr—C system. Calphad. 2014. Vol. 46. P. 24—33.Jackson R.S. The austenite liquidus surface and constitutional diagram for the Fe—Cr—C metastable system. J. Iron Steel Inst. 1970. Vol. 208. P. 63—67.Jackson R.S. The austenite liquidus surface and constitutional diagram for the Fe—Cr—C metastable system. J. Iron Steel Inst. 1970. Vol. 208. P. 63—67.Yilmaz S.O. Wear behavior of gas tungsten arc deposited FeCrC, FeCrSi, and WCo coatings on AISI 1018 steel. Surf. Coat. Technol. 2005. Vol. 194. P. 175—183.Yilmaz S.O. Wear behavior of gas tungsten arc deposited FeCrC, FeCrSi, and WCo coatings on AISI 1018 steel. Surf. Coat. Technol. 2005. Vol. 194. P. 175—183.Lu B., Luo J., Chiovelli S. Corrosion and wear resistance of chrome white irons — A correlation to their composition and microstructure. Metall. Mater. Trans. A. 2006. Vol. 37. P. 3029—3038.Lu B., Luo J., Chiovelli S. Corrosion and wear resistance of chrome white irons — A correlation to their composition and microstructure. Metall. Mater. Trans. A. 2006. Vol. 37. P. 3029—3038.Lin C.M., Chang C.M., Chen J.H., Wu W. The effects of additive elements on the microstructure characteristics and mechanical properties of Cr—Fe—C hard-facing alloys. J. Alloys Compd. 2010. Vol. 498. P. 30—36.Lin C.M., Chang C.M., Chen J.H., Wu W. The effects of additive elements on the microstructure characteristics and mechanical properties of Cr—Fe—C hard-facing alloys. J. Alloys Compd. 2010. Vol. 498. P. 30—36.Liu H.N., Sakamoto M., Nomura M., Ogi K. Abrasion resistance of high Cr cast irons at an elevated temperature. Wear. 2001. Vol. 250. P. 71—75.Liu H.N., Sakamoto M., Nomura M., Ogi K. Abrasion resistance of high Cr cast irons at an elevated temperature. Wear. 2001. Vol. 250. P. 71—75.Llewellyn R.J., Yick S.K., Dolmanb K.F. Scouring erosion resistance of metallic materials used in slurry pump service. Wear. 2004. Vol. 256. P. 592—599.Llewellyn R.J., Yick S.K., Dolmanb K.F. Scouring erosion resistance of metallic materials used in slurry pump service. Wear. 2004. Vol. 256. P. 592—599.Wu X.J., Xing J.D., Fu H.G., Zhi X.H. Effect of titanium on the morphology of primary M7 C 3 carbides in hypereutectic high chromium white iron. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 457. P. 180—185.Wu X.J., Xing J.D., Fu H.G., Zhi X.H. Effect of titanium on the morphology of primary M7 C 3 carbides in hypereutectic high chromium white iron. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 457. P. 180—185.Hanlon D.N., Rainforth W.M., Sellars C.M. The rolling/ sliding wear response of conventionally processed and spray formed high chromium content cast iron at ambient and elevated temperature. Wear. 1999. Vol. 225—229. P. 587—599.Hanlon D.N., Rainforth W.M., Sellars C.M. The rolling/ sliding wear response of conventionally processed and spray formed high chromium content cast iron at ambient and elevated temperature. Wear. 1999. Vol. 225—229. P. 587—599.Tang X.H. Microstructure of high (45 wt.%) chromium cast irons and their resistances to wear and corrosion. Wear. 2011. Vol. 271. P. 1426—1431.Tang X.H. Microstructure of high (45 wt.%) chromium cast irons and their resistances to wear and corrosion. Wear. 2011. Vol. 271. P. 1426—1431.Lin C.M., Lai H.H., Kuo J.C., Wu W. Effect of carbon content on solidification behaviors and morphologicalcharacteristics of the constituent phases in Cr—Fe—C alloys. Mater. Charact. 2011. Vol. 62. P. 1124—1133.Lin C.M., Lai H.H., Kuo J.C., Wu W. Effect of carbon content on solidification behaviors and morphologicalcharacteristics of the constituent phases in Cr—Fe—C alloys. Mater. Charact. 2011. Vol. 62. P. 1124—1133.Mridha S., Ong H.S., Poh L.S., Cheang P. Intermetallic coating produced by TIG surface melting. J. Mater. Process. Technol. 2001. Vol. 113. P. 516—520.Mridha S., Ong H.S., Poh L.S., Cheang P. Intermetallic coating produced by TIG surface melting. J. Mater. Process. Technol. 2001. Vol. 113. P. 516—520.Buytoz S., Yildirim M.M., Eren H. Microstructural and microhardness characteristics of gas tungsten are synthesized Fe—Cr—C coating on AISI 4340. Mater. Lett. 2005. Vol. 59. P. 607—614.Buytoz S., Yildirim M.M., Eren H. Microstructural and microhardness characteristics of gas tungsten are synthesized Fe—Cr—C coating on AISI 4340. Mater. Lett. 2005. Vol. 59. P. 607—614.Zeng C.L., Wu W.T. Corrosion of Ni—Ti alloys in the molten (Li,K)2 CO 3 eutectic mixture. Corros. Sci. 2002. Vol. 44. P. 1—12.Zeng C.L., Wu W.T. Corrosion of Ni—Ti alloys in the molten (Li,K)2 CO 3 eutectic mixture. Corros. Sci. 2002. Vol. 44. P. 1—12.Маслюк В.А., Бондар А.А., Курась В.В. Структура та властивості порошкових матеріалів композиції залізо — високовуглецевий ферохром. Порошк. металлургия. 2013. No. 5/6. С. 66—74.Maslyuk V.A. Bondar A.A., Kuras V.V. Structure and properties of powder materials of composition of ironhigh-carbon ferrochrome. Poroshkovaya metallurgiya. 2013. No. 5/6. P. 66—74 (In Ukr.).Маслюк В.А., Караимчук Е.С., Курочкин В.Д. Структура, физико-механические и триботехнические свойства порошковых материалов железо — высокоуглеродистый феррохром, легированных добавками Ni3 B. Порошкова металургія. 2018. No. 3/4. С. 62—70.Maslyuk V.A., Karaimchuk E.S., Kurochkin V.D. Structure, physicomechanical and tribotechnical properties of ironhigh-carbon ferrochrome powder materials alloyed with Ni3 B additives. Poroshkovaya metalurgíya. 2018. No. 3/4. P. 62—70 (In Ukr.).Маслюк В.А., Ситник Я.А., Підопригора М.І., Яковенко Р.В. Вплив добавок хромистих сталей і бориду нікелю на структуру та властивості порошкових композиційних матеріалів залізо — високовуглецевий ферохром ФХ800. Порошк. металлургия. 2015. No. 5/6. С. 52—59.Maslyuk V.A., Sitnik Ya.A., Pidoprigora M.I., Yakovenko R.V. Influence of additives of chromium steels and nickel boride on the structure and properties of powder composite materials iron — high carbon ferrochrome FH 800. Poroshkovaya metallurgiya. 2015. No. 5/6. P. 5259 (In Ukr.).ISO 4498-1-90. Материалы металлические спеченные, исключая твердые сплавы. Определение кажущейся твердости. Материалы в основном с равномерной твердостью по сечению.ISO 4498-1-90. Metal sintered materials, excluding hard alloys. Determination of apparent hardness. Materials mainly with uniform hardness over the cross-section (In Ukr.).ДСТУ ISO 3327. Сплавы твердые. Определение предела прочности при поперечном изгибе.DSTU ISO 3327. Alloys are solid. Determination of ultimate strength in transverse bending (In Ukr.).

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