Осаждение аморфных упрочняющих покрытий электроискровой обработкой в смеси кристаллических гранул

Статья посвящена созданию аморфных покрытий на поверхности стали 35 методом электроискровой обработки в смеси кристаллических гранул. Рассмотрена возможность управления составом покрытий путем изменения состава смеси гранул. С помощью микрорентгеноспектрального анализа выявлено, что полученные покрытия содержат W, Mo, Co и Ni в различных соотношениях. При этом за 6 ч обработки масса гранул разного состава уменьшилась на 11–16 мас.% в результате электрической эрозии. Коэффициент массопереноса варьировался в диапазоне от 33 до 54 %. Рентгеноструктурный анализ показал преобладание аморфной фазы (81–99 об.%) в структуре осажденных слоев. Отжиг покрытий при температуре 1150 °С привел к кристаллизации аморфной фазы в борокарбид типа M23(C,B)6, а также в α-Fe. Покрытия имели повышенную твердость 10–15 ГПа, а их износостойкость в режиме сухого скользящего износа при нагрузках 10 и 50 Н была в 3,3 и 1,6 раза выше, чем у стали 35. Набольшие ее значения при обеих нагрузках показали образцы без никеля, а самые низкие – без вольфрама. Коэффициент трения покрытий был ниже, чем у стали 35, на 13–30 % и составлял 0,27–0,31. Износостойкость покрытий в режиме сухого абразивного износа была в 3–5 раз выше по сравнению с непокрытой сталью 35. Наилучшие показатели были у образцов без никеля, а наихудшие – без кобальта. Таким образом, установлено, что вольфрам и кобальт повышают износостойкость аморфных сплавов на основе железа, тогда как никель и молибден, скорее, ухудшают их триботехническое поведение.

1. Zhang C., Chu Z., Wei F., Qin W., Yang Y., Dong Y., Huang D., Wang L. Optimizing process and the properties of the sprayed Fe-based metallic glassy coating by plasma spraying. Surf. Coat. Technol. 2017. Vol. 319. P. 1—5. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.03.063.

2. Chang J.-C., Lee J.-W., Lou B.-S., Li C.-L., Chu J.P. Effects of tungsten contents on the microstructure, mechanical and anticorrosion properties of Zr—W—Ti thin film metallic glasses. Thin Solid Films. 2015. Vol. 584. P. 253—256. DOI: 10.1016/j.tsf.2015.01.063.

3. Bekish Y.N., Poznyak S.K., Tsybulskaya L.S., Gaevskaya T.V., Kukareko V.A., Mazanik A.V. Electrodeposited Ni—Co— B alloy coatings: Preparation and properties. J. Electrochem. Soc. 2014. Vol. 161. P. 620—627. DOI: 10.1149/2.1151410jes.

4. Concustell A., Henao J., Dosta S., Cinca N., Cano I.G., Guilemany J.M. On the formation of metallic glass coatings by means of cold gas spray technology. J. Alloys Compd. 2015. Vol. 651. P. 764—772. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.07.270.

5. Zhang H., Hu Y., Hou G., An Y., Liu G. The effect of high-velocity oxy-fuel spraying рarameters on microstructure, corrosion and wear resistance of Fe-based metallic glass coatings. J. Non-Cryst. Solids. 2014. Vol. 406. P. 37—44. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2014.09.041.

6. Lan X., Wu H., Liu Y., Zhang W., Li R., Chen S., Zai X., Hu T. Microstructures and tribological properties of laser cladded Ti-based metallic glass composite coatings. Mater. Charact. 2016. Vol. 120. P. 82—89. DOI: 10.1016/j.matchar.2016.08.026.

7. Кузнецов И.С. Электроискровые покрытия из аморфного и нанокристаллического сплавов на основе железа. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2016. No. 2. С. 63—70. DOI: 10.17073/1997308X-2016-2-63-70.

8. Wang X.-R., Wang Z.-Q., Lin T.-S., He P. Mass transfer trends of AlCoCrFeNi high-entropy alloy coatings on TC11 substrate via electrospark — computer numerical control deposition. J. Mater. Process. Technol. 2017. Vol. 241. P. 93—102. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.09.012.

9. Burkov A.A., Pyachin S.A. Formation of WC—Co coating by a novel technique of electrospark granules deposition. Mater. Des. 2015. Vol. 80. P. 109—115. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.05.008.

10. Бурков А.А. Осаждение покрытий из металлического стекла электроискровой обработкой в среде гранул состава Fe39Ni8Cr7W7Mo7Co2C16B14. Письма о материалах. 2017. Т. 7. No. 3. С. 254—259. DOI: 10.22226/2410-3535-2017-3-254-259.

11. Liu W.-H., Shieu F.-S., Hsiao W.-T. Enhancement of wear and corrosion resistance of iron-based hard coatings deposited by high-velocity oxygen fuel (HVOF) thermal spraying. Surf. Coat. Technol. 2014. Vol. 249. P. 24—41. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.03.041.

12. Zhu K., Jiang W., Wu J., Zhang B. Effect of Mo on properties of the industrial Fe—B-alloy-derived Fe-based bulk metallic glasses. Int. J. Miner., Metall. Mater. 2017. Vol. 24. P. 926—930. DOI: 10.1007/s12613-017-1479-1.

13. Wang W.-M., Zhang W.X., Gebert A., Mickel C., Schultz L. Microstructure and magnetic properties in Fe61Co9-x Zr8Mo5WxB17 (0  ×  3) glasses and glass-matrix composites. Metall. Mater. Trans. A. 2009. Vol. 40(3). P. 511—521. DOI: 10.1007/s11661-008-9706-z.

14. Liang D.-D., Wei X.-S., Chang C.-T., Li J.-W., Wang X.-M., Shen J. Effect of W addition on the glass forming ability and mechanical properties of Fe-based metallic glass. J. Alloys Compd. 2018. Vol. 731. P. 1146—1150. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.10.104.

15. Wiest A., Wang G., Huang L., Roberts S., Demetriou M.D., Liaw P.K., Johnson W.L. Corrosion and corrosion fatigue of Vitreloy glasses containing low fractions of late transition metals. Scripta Mater. 2010. Vol. 62. P. 540—543. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2009.12.025.

16. Liu W.-H., Shieu F.-S., Hsiao W.-T. Enhancement of wear and corrosion resistance of iron-based hard coatings deposited by high-velocity oxygen fuel (HVOF) thermal spraying. Surf. Coat. Technol. 2014. Vol. 249. P. 24—41. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.03.041.

17. Ciftci N., Ellendt N., Soares Barreto E., Madler L., Uhlenwinkel V. Increasing the amorphous yield of (Fe0.6Co0.4)0.75B0.2Si0.0596Nb4 powders by hot gas atomization. Adv. Powder Technol. 2018. Vol. 29. P. 380—385. DOI: 10.1016/j.apt.2017.11.025.

18. Zamulaeva E.I., Levashov E.A., Kudryashov A.E., Vakaev P.V., Petrzhik M.I. Electrospark coatings deposited onto an Armco iron substrate with nanoand microstructured WC—Co electrodes: Deposition process, structure, and properties. Surf. Coat. Technol. 2008. Vol. 202. P. 3715— 3722. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2008.01.008.

19. Шкодич Н.Ф., Рогачев А.С., Вадченко С.Г., Ковалев И.Д., Непапушев А.А., Рувимов С.С., Мукасьян А.С. Формирование аморфных структур и их кристаллизация в системе Cu—Ti под действием высокоэнергетической механической обработки. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2017. No. 2. С. 14—21. DOI:10.17073/1997-308X-2017-2-14-21.

20. Cheng J., Wang B., Liu Q., Liang X. In-situ synthesis of novel Al—Fe—Si metallic glass coating by arc spraying. J. Alloys Compd. 2017. Vol. 16. P. 88—95. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.05.032.

21. Goldschmidt H.J. Interplanar spacings of carbides in steels. Metallurgia. 1949. Vol. 40. P. 103—104.

22. Salmaliyan M., Malek Ghaeni F., Ebrahimnia M. Effect of electro spark deposition process parameters on WC-Co coating on H13 steel. Surf. Coat. Technol. 2017. Vol. 321. P. 81—89. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.04.04.

23. Greer A.L., Rutherford K.L., Hutchings I.M. Wear resistance of amorphous alloys and related materials. Int. Mater. Rev. 2002. Vol. 47. P. 87—112. DOI: 10.1179/095066001225001067.

24. Vashishtha N., Sapate S.G. Abrasive wear maps for High Velocity Oxy Fuel (HVOF) sprayed WC-12Co and Cr3C2— 25NiCr coatings. Tribology International. 2017. Vol. 114. P. 290—305. DOI: 10.1016/j.triboint.2017.04.037.

25. Wang Y., Jiang S.L., Zheng Y.G., Ke W., Sun W.H., Wang J.Q. Effect of molybdenum, manganese and tungsten contents on the corrosion behavior and hardness of iron-based metallic glasses. Mater. and Corros. 2014. Vol. 65. P. 733-741. DOI: 10.1002/maco.201206740.

26. Hutchings I.M. Mechanism of wear in powder technology: a review. Powder Technol. 1993. Vol. 76. P. 3—13. DOI: 10.1016/0032-5910(93)80035-9.