techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2023-13-4-8-19techusgu-188Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEКинетика и механизм жидкофазного взаимодействия карбидосталей со стальной основойKinetics and Mechanism of Liquid-Phase Interaction of Carbide Steels with a Steel BaseНарваВ. К.NarvaV. K.

Нарва Валентина Константиновна, кандидат технических наук, профессор кафедры порош-ковой металлургии и функциональных покрытий

Ленинский проспект, д. 4, г. Москва 119049

Valentina K. Narva, Candidate of Sciences (Engineering), Professor of the Department of Powder Metallurgy and Functional Coatings

4 Leninsky Ave., Moscow 119049

zeinalova@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1790-5004ЕремееваЖ. В.EremeevaZh. V.

Еремеева Жанна Владимировна, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий, Национальный исследовательский университет «МИСИС»

Ленинский проспект, д. 4, г. Москва 119049, 

ул. Большая Семёновская, д. 38, г. Москва 107023

Zhanna V. Eremeeva, Doctor of Sciences (Engi- neering), Professor, Professor of the Department of Powder Metallurgy and Functional Coatings, National Research University MISIS

4 Leninsky Ave., Moscow 119049,

38 Bolshaya Semyonovskaya Str., Moscow 107023

eremeeva-shanna@yandex.ruГомжинВ. В.GomzhinV. V.

Гомжин Владимир Владимирович, аспирант кафедры «Металлургия»

ул. Большая Семёновская, д. 38, г. Москва 107023

Vladimir V. Gomzhin, Post-Graduate Student of the Department of Metallurgy

38 Bolshaya Semyonovskaya Str., Moscow 107023

v.gomzhin@mail.ruВолгинаН. И.VolginaN. I.

Волгина Наталья Ивановна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлургия»

ул. Большая Семёновская, д. 38, г. Москва 107023

Natalia I. Volgina, Candidate of Sciences (Engi- neering), Associate Professor of the Department of Metallurgy

38 Bolshaya Semyonovskaya Str., Moscow 107023

nvolgina2008@rambler.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational Research Technological University MISiSRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Московский политехнический университетРоссияNational Research Technological University MISiS; Moscow Polytechnic UniversityRussian FederationМосковский политехнический университетРоссияMoscow Polytechnic UniversityRussian Federation202317012024134819Copyright © Нарва В.К., Еремеева Ж.В., Гомжин В.В., Волгина Н.И., 20242024Нарва В.К., Еремеева Ж.В., Гомжин В.В., Волгина Н.И.Narva V.K., Eremeeva Z.V., Gomzhin V.V., Volgina N.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/188Цель

Цель. Разработать математическую модель взаимодействия покрытия из карбидостали со стальной основой в условиях образования жидкой фазы.

Методы

Методы. Среднее значение величины переходной зоны экспериментально определялось на приборе ПМТ-3. Величину переходной зоны в слое карбидостали определяли на рентгеновском микроанализаторе "МАР-2".

Результаты

Результаты. Разработана математическая модель взаимодействия покрытия из карбидостали со стальной основой в условиях образования жидкой фазы. Установлено, что распределение углерода в переходной зоне слоя карбидостали (𝛿𝐿) и стальной основы (𝛿𝑆) описывается экспоненциальной зависимостью, а приведенная методика позволяет с высокой точностью спрогнозировать величину переходной зоны, что подтверждает следствие теории о том, что при нанесении слоя на основу с меньшим содержанием углерода ширина переходной зоны будет больше, а скорость плавления основы меньше. Установлена высокая прочность сцепления покрытий с основой после вакуумного спекания (для карбидостали состава 10% TiC, ост. сталь Х6В3М – 116 МПа; для карбидостали состава 40% TiC, ост. сталь Х6В3М – 131 МПа; для карбидостали состава 40% TiC, ост. сталь Х12М – 220 МПа), что в совокупности с их высокими физико-механическими свойствами позволяет рекомендовать метод плазменного напыления покрытий из карбидосталей для восстановления изношенных поверхностей деталей и инструмента различного назначения.

Заключение

Заключение. Разработанная математическая модель позволяет рассчитать величину промежуточного слоя, а также коэффициенты диффузии углерода в жидкой фазе и в стальной основе.

Resume

Resume. To develop a mathematical model of the interaction of a carbide steel coating with a steel base under conditions of the formation of a liquid phase.

Methods

Methods. The average value of the transition zone was experimentally determined using a PMT-3 device. The size of the transition zone in the carbide steel layer was determined using a MAR-2 X-ray microanalyzer.

Results

Results. A mathematical model of the interaction of a carbide steel coating with a steel base under conditions of liquid phase formation has been developed. It is established that the distribution of carbon in the transition zone of the carbide steel layer (δL) and the steel base (δS) is described by an exponential dependence, and the above technique allows to predict the size of the transition zone with high accuracy, which confirms the corollary of the theory that when applying a layer on a base with a lower carbon content, the width of the transition zone will be greater, and the speed of the melting of the base is less. properties of coatings made of carbide steels of various compositions. High adhesion strength of coatings to the substrate after vacuum sintering has been established (for carbide steel of 10% TiC, steel Cr6V3Mo 116 MPa; for carbide steel of 40% TiC, steel Cr6V3Mo 131 MPa; for carbide steel of 40% TiC, steel Cr12Mo 220 MPa), which in combination with their high physical-mechanical properties allow us to recommend the method of plasma spraying of coatings made of carbide steels for the restoration of worn surfaces of parts and tools for various purposes.

Conclusion

Conclusion. The developed mathematical model makes it possible to calculate the size of the intermediate layer, as well as the diffusion coefficients of carbon in the liquid phase and in the steel base.

нанесение покрытийкарбидосталиизносостойкостьплазменное нанесение покрытийпорошковые смесиcoatingcarbide steelswear resistanceplasma coatingpowder mixturesReferencesХасуй А., Моригаки О. Наплавка и напыление: пер. с яп. М.: Машиностроение, 1985. 240 с.Hasuj A., Morigaki O. Naplavka i napylenie [Surfacing and spraying]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1985. 240 p.Газотермическое напыление композиционных порошков / А. Я. Кулик, Ю. С. Борисов, А. С. Мнухин, М. Д. Никитин. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. 199 с.Kulik A. Ya., Borisov Yu. S., Mnuhin A. S., Nikitin M. D. Gazotermicheskoe napylenie kompozicionnyh poroshkov [Gas-thermal spraying of composite powders]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., Leningradskoe otd-nie, 1985. 199 p.Харламов Ю. А. Состояние и современные тенденции развития детонационно-газового метода нанесения покрытий // Защитные покрытия на металле. 1986. № 20. С. 17–20.Harlamov Yu. A. Sostoyanie i sovremennye tendencii razvitiya detonacionno-gazovogo metoda naneseniya pokrytij [The state and modern trends in the development of the detonation-gas coating method]. Zashchitnye pokrytiya na metalle = Protective coatings on metal, 1986, no. 20, pp. 17–20.Борисов Ю. С., Борисова А. Л. Плазменные порошковые покрытия. Киев: Техника, 1986. 223 с.Borisov Yu. S., Borisova A. L. Plazmennye poroshkovye pokrytiya [Plasma powder coatings]. Kiev, Tekhnika Publ., 1986. 223 p.Линник В. А., Пекшев П. Ю. Современная техника газотермического нанесения покрытий. М.: Машиностроение, 1985. 128 с.Linnik V. A., Pekshev P. Yu. Sovremennaya tekhnika gazotermicheskogo naneseniya pokrytij [Modern technique of gas-thermal coating]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1985. 128 p.Cosnahan T., Watt A., Assender H. Surface and coatings technology modelling of a vacuum metallization // Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 336. P. 128–132.Cosnahan T., Watt A., Assender H. Surface and coatings technology modelling of a vacuum metallization. Surface and Coatings Technology, 2018, vol. 336, pp. 128–132.Johnson R. N., Sheldon G. Z. Advances in the electrospark deposition coating process // Z. Vac. Sci. and technol. 1986. A. 4. N 6. Р. 2740–2746.Johnson R. N., Sheldon G. Z. Advances in the electrospark deposition coating process. Z. Vac. Sci. and Technol., 1986, A. 4, no. 6, pp. 2740–2746.Закономерности формирования покрытий в вакууме / В. А. Барвинок, В. И. Богданович, Б. С. Митин, Г. В. Бобров // Физика и химия обработки материалов. 1986. № 5. С. 92–97.Barvinok V. A., Bogdanovich V. I., Mitin B. S., Bobrov G. N. Zakonomernosti formirovaniya pokrytii v vakuume [Regularities of the formation of coatings in vacuum]. Fizika i khimiya obrabotki materialov = Physics and Chemistry of materials processing, 1986, no. 5, pp. 92–97.Дорожкин Н. Н., Абрамович Т. М., Ярошева В. К. Импульсные методы нанесения порошковых покрытий. Минск: Наука и техника, 1985. 279 с.Dorozhkin N. N., Abramovich T. M., Yarosheva V. K. Impul'snye metody naneseniya poroshkovyh pokrytij [Pulse methods of applying powder coatings]. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1985. 279 p.Гуревич Ю. Г., Нарва В. К., Фраге Н. Карбидостали. М.: Металлургия, 1988. 141 с.Gurevich Yu. G., Narva V. K., Frage N. Karbidostali [Carbidostali]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1988. 141 p.Кафаров В. В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1962. 215 с.Kafarov V. V. Osnovy massoperedachi [Fundamentals of mass transfer]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1962. 215 р.Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1967. 192 с.Frank-Kameneckij D. A. Diffuziya i teploperedacha v himicheskoj kinetike [Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Moscow, Nauka Publ., 1967. 192 p.Эккерт Э. Р., Дрейк Р. М. Теория тепло- и массообмена. М.: Госэнергоиздат, 1961. 134 с.Ekkert E. R., Drejk R. M. Teoriya teplo- i massoobmena [Theory of heat and mass transfer]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1961. 134 p.Криштал М. А. Механизм диффузии в железных сплавах. М.: Металлургия, 1972. 400 с.Krishtal M. A. Mekhanizm diffuzii v zheleznyh splavah [The mechanism of diffusion in iron alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1972. 400 p.Nomura H., Mori K. The rate of dissolution iron into liquid Fe-C alloy // Tetsu-to-Hagane. 1969. Vol. 55, no. 13. P. 1134–1141.Nomura H., Mori K. The rate of dissolution iron into liquid Fe-C alloy. Tetsu-to-Hagane, 1969, vol. 55, no. 13, pp. 1134–1141.Кирюханцев-Корнеев Ф. В., Шевейко А. Н. Особенности измерения твердости тонких функциональных покрытий методами склерометрии, микро- и наноиндентирования // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2018. Т. 54, № 5. С. 514–520.Kiryuhancev-Korneev F. V., Shevejko A. N. Osobennosti izmereniya tverdosti tonkih funkcional'nyh pokrytij metodami sklerometrii, mikro- i nanoindentirovaniya [Features of measuring the hardness of thin functional coatings by sclerometry, micro- and nanoindentation methods]. Fizikohimiya poverhnosti i zashchita materialov = Physiology-surface chemistry and material protection, 2018, vol. 54, no. 5, pp. 514–520.Перспективы применения технологии лазерной наплавки для восстановления роликов машин непрерывного литья заготовок / А. В. Макаров, А. Е. Кудряшов, С. В. Невежин, А. С. Герасимов, А. А. Владимиров, Н. Е. Авдеева // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2020. № 7. С. 108–118.Makarov A. V, Kudryashov A. E., Nevezhin S. V., Gerasimov A. S., Vladimirov A. A., Avdeeva N. E. Perspektivy primeneniya tekhnologii lazernoj naplavki dlya vosstanovleniya rolikov mashin nepreryvnogo lit'ya zagotovok [Prospects for the application of laser surfacing technology to restore the roles of continuous casting machines]. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V. G. Shuhova = Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov, 2020, no. 7, pp. 108–118.Перспективы применения поверхностного пластического деформирования для снижения шероховатости поверхностей деталей прокатных станов, упрочненных СВС-электродными материалами / А. В. Макаров, А. П. Титова, А. Н. Афонин, А. Е. Кудряшов, А. А. Владимиров // Вестник Брянского государственного технического университета. 2020. № 8 (93). С. 4–12.Makarov A. V., Titova A. P., Afonin A. N., Kudryashov A. E., Vladimirov A. A. Perspektivy primeneniya poverhnostnogo plasticheskogo deformirovaniya dlya snizheniya sherohovatosti poverhnostej detalej prokatnyh stanov, uprochnennyh SVS-elektrodnymi materialami [Prospects for the application of surface plastic deformation to reduce the roughness of the surfaces of parts of rolling mills hardened with SHS-electrode materials]. Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of the Bryansk State Technical University, 2020, no. 8 (93), pp. 4–12.Перспективы применения технологии электроискрового легирования и СВС-электродных материалов для повышения стойкости прокатных валков / А. Е. Кудряшов, Е. А. Левашов, Н. И. Репников, А. В. Макаров // Нанотехнологии: наука и производство. 2018. № 2. С. 63–66.Kudryashov A. E., Levashov E. A., Repnikov N. I., Makarov A. V. Perspektivy primeneniya tekhnologii elektroiskrovogo legirovaniya i SVS-elektrodnyh materialov dlya povysheniya stojkosti prokatnyh valkov [Prospects of using the technology of electric spark alloying and SHS-electrode materials to increase the durability of rolling rolls]. Nanotekhnologii: nauka i proizvodstvo = Nanotechnologies: science and production, 2018, no. 2, pp. 63–66.Кудряшов А. Е. Анализ современных методов обработки поверхности и электроискровой обработки // Нанотехнологии: наука и производство. 2017. № 4. С. 67–75.Kudryashov A. E. Analiz sovremennyh metodov obrabotki poverhnosti i elektroiskrovoj obrabotki [Analysis of modern methods of surface treatment and electrical treatment]. Nanotekhnologii: nauka i proizvodstvo = Nanotechnology: science and production, 2017, no. 4, pp. 67–75.Перспективы применения электродных СВС-материалов и технологии электроискрового легирования для упрочнения прокатных валков / А. Е. Кудряшов, О. Н. Доронин, Е. И. Замулаева, Е. А. Левашов, Н. В. Швындина // Черные металлы. 2013. № 10 (982). С. 61–69.Kudryashov A. E., Doronin O. N., Zamulaeva E. I., Levashov E. A., Shvyndina N. V. Perspektivy primeneniya elektrodnyh SVS-materialov i tekhnologii elektroiskrovogo legirovaniya dlya uprochneniya prokatnyh valkov [Prospects of application of electrode SHS materials and technology of electroscopic alloying for hardening of rolling rolls]. Chernye metally = Ferrous metals, 2013, no. 10 (982), pp. 61–69.Получение и свойства износостойких комбинированных PVD/CVD-покрытий на твердосплавном инструменте / И. В. Блинков, В. Н. Аникин, Р. В. Кратохвил, М. И. Петржик, Ю. Михальски, А. Наконечны // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2010. № 1. С. 37–43.Blinkov I. V., Anikin V. N., Kratohvil R. V., Petrzhik M. I., Mihal'ski Yu., Nakonechny A. Poluchenie i svojstva iznosostojkih kombinirovannyh PVD/CVD-pokrytij na tverdosplavnom instrumente [Obtaining and properties of wear-resistant combined PVD/CVD coatings on a carbide tool]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Poroshkovaya metallurgiya i funkcional'nye pokrytiya = Powder Metallurgy and Functional Coatings, 2010, no. 1, pp. 37–43.Оценка термической стабильности многослойных наноструктурных покрытий на основе анализа диффузионной подвижности компонентов слоев / А. О. Волхонский, И. В. Блинков, Ю. В. Левинский, Е. А. Скрылева // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2016. № 4. С. 86–93.Volhonskij A. O., Blinkov I. V., Levinskij Yu. V., Skryleva E. A. Ocenka termicheskoj stabil'nosti mnogoslojnyh nanostrukturnyh pokrytij na osnove analiza diffuzionnoj podvizhnosti komponentov sloev [Assessment of the thermal stability of multilayer nanostructured coatings based on the analysis of the diffusion mobility of the components of layers]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Poroshkovaya metallurgiya i funkcional'nye pokrytiya = Powder Metallurgy and Functional Coatings, 2016, no. 4, pp. 86– 93.Наноструктурные керамикометаллические покрытия, полученные ионноплазменным вакуумнодуговым методом / И. В. Блинков, Д. С. Белов, А. О. Волхонский, А. В. Черногор, В. С. Сергевнин // Вакуумная техника и технология. 2019. Т. 29, № 3. С. 35–37.Blinkov I. V., Belov D. S., Volhonskij A. O., Chernogor A. V., Sergevnin V. S. Nanostrukturnye keramikometallicheskie pokrytiya, poluchennye ionnoplazmennym vakuumnodugovym metodom [Nanostructured ceramic-metal coatings obtained by the ion-plasma vacuum arc method]. Vakuumnaya tekhnika i tekhnologiya = Vacuum technique and technology, 2019, vol. 29, no. 3, pp. 35–37.Нанесение покрытий из карбидосталей на стальную основу методом плазменного напыления / В. К. Нарва, Ж. В. Еремеева, В. В. Гомжин, Н. И. Волгина // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 3. С. 61–73.Narva V. K., Eremeeva Zh. V., Gomzhin V. V., Volgina N. I. Nanesenie pokrytii iz karbidostalei na stal'nuyu osnovu metodom plazmennogo napyleniya [Application of coatings from carbide steels on a steel base by plasma spraying]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology, 2023, vol. 13(3), pp. 61–73.

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