Влияние добавки хрома и режимов при электроискровом легировании алюмоматричным анодным материалом стали 45

Сергей Викторович Николенко; Леонид Алексеевич Коневцов; Павел Сергеевич Гордиенко; Евгений Савельевич Панин; Сергей Анатольевич Величко

Сергей Викторович Николенко ФГБУН «Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук» https://orcid.org/0000-0003-4474-5795
Леонид Алексеевич Коневцов ФГБУН «Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук» https://orcid.org/0000-0002-7212-3953
Павел Сергеевич Гордиенко ФГБУН «Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук» https://orcid.org/0000-0003-1537-2977
Евгений Савельевич Панин ФГБУН «Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук» https://orcid.org/0000-0002-8980-275X
Сергей Анатольевич Величко ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» https://orcid.org/0000-0001-6254-5733

Ключевые слова: электроискровое легирование, анодные металломатричные материалы, твердость, износостойкость, жаростойкость

Аннотация

Введение. Электроискровое легирование используется для получения упрочняющих покрытий. К анодным материалам, обладающим уникальными свойствами, относят алюмоматричные композиционные материалы на основе алюминия. Цель работы – разработка новых анодных алюмоматричных композиционных материалов с высокими показателями эффективности при электроискровом легировании углеродистой стали 45.
Материалы и методы. В качестве подложки (катода) использовалась конструкционная углеродистая сталь 45. Алюмоматричные материалы выбраны в качестве анодных. Величину привеса катода и эрозию анода определяли гравиметрическим методом на электронных весах Shinko Denshi HTR-220 CE с точностью ±·10^–4 г. Для исследования микроструктуры и металлографии поверхности анодных материалов использовался микроскоп EVO-50 XVP и Altami МЕТ 3 АПО фирмы С.ZEISS. Для изучения покрытий на микроабразивный износ применялся прибор CALOTEST CSM Instruments.
Результаты исследования. Разработана методологическая схема достижения эффективности параметров электроискрового легирования и свойств легированного слоя в зависимости от состава анодного металломатричного композиционного материала на основе алюминия с добавлением хрома и режимов обработки. Для нанесения материала анода при электроискровом легировании установлен режим электроискровой установки «ИМЭЛ» с энергией импульсов 14,4 Дж. Найдено, что после электроискрового легирования стали 45 твердость и износостойкость поверхности возрастают в 2-3 раза, жаростойкость – в 5–18 раз.
Обсуждение и заключение. Получены ряды увеличения массы катода, эрозионной стойкости электродных материалов, коэффициента массопереноса, жаростойкости, твердости и износостойкости легированного слоя. Они являются удобным инструментом для достижения тех или иных параметров эффективности при электроискровом легировании в зависимости от выбранного анодного материала и режимов обработки.

Биографии авторов

Сергей Викторович Николенко, ФГБУН «Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук»

и. о. директора ФГБУН «Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук» (680042, Российская Федерация, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, д. 153), доктор технических наук, Researcher ID: A-4229-2012, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4474-5795, nikola1960@mail.ru

Леонид Алексеевич Коневцов, ФГБУН «Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук»

старший научный сотрудник ФГБУН «Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук» (680042, Российская Федерация, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, д. 153), кандидат технических наук, Researcher ID: H-4087-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7212-3953, konevts@narod.ru

Павел Сергеевич Гордиенко, ФГБУН «Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук»

главный научный сотрудник ФГБУН «Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук» (690022, Российская Федерация, г. Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, д. 159), доктор технических наук, профессор, Researcher ID: AAS-7040-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1537-2977, pavel.gordienko@mail.ru

Евгений Савельевич Панин, ФГБУН «Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук»

научный сотрудник ФГБУН «Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук» (690022, Российская Федерация, г. Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, д. 159), кандидат химических наук, Researcher ID: AAS-7013-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8980-275X, panin26@yandex.ru

Сергей Анатольевич Величко, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва»

профессор кафедры технического сервиса машин Института механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» (430005, Российская Федерация, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68), доктор технических наук, Researcher ID: G-9021-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6254-5733, velichko2005@yandex.ru

Литература

1. Панфилов, А. А. Особенности металлургических процессов при выплавке алюмоматричных композиционных сплавов / А. А. Панфилов, Е. С. Прусов, В. А. Кечин // Литейщик России. – 2018. – № 11. – С. 10–13. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36455377 (дата обращения: 15.05.2021). – Рез. англ.

2. Влияние природы электродных материалов на эрозию и свойства легированного слоя. Критерии оценки эффективности электроискрового легирования / А. Д. Верхотуров, В. И. Иванов, А. С. Дорохов [и др.]. – DOI 10.15507/0236-2910.028.201803.302-320 // Вестник Мордовского университета. – 2018. – Т. 28, № 3. – С. 302–320. – Рез. англ.

3. Использование функционально-градиентных материалов при электроискровом легировании углеродистых сталей / С. В. Николенко, П. С. Гордиенко, Л. А. Коневцов [и др.] // Технология машиностроения. – 2019. – № 10. – С. 5–13. – URL: http://www.ic-tm.ru/info/10_28 (дата обращения: 15.05.2021).

4. Моделирование температурного поля поверхности при электроискровом легировании металлов / В. Д. Власенко, В. И. Иванов, В. Ф. Аулов [и др.]. – DOI 10.15507/2658-4123.029.201902.218-233 // Инженерные технологии и системы. – 2019. – Т. 29, № 2. – С. 218–233. – Рез. англ.

5. Композиционные СВС-материалы на основе карбида и никелида титана, легированные тугоплавким нанокомпонентом / Ю. С. Погожев, Е. А. Левашов, A. Е. Кудряшов [и др.] // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2012. – № 2. – С. 24–32. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17896181 (дата обращения: 15.05.2021).

6. Nano-Scale Multilayered-Composite Coatings for the Cutting Tools / A. A. Vereshchaka, A. S. Vereshchaka, O. Mgaloblishvili [et al.]. – DOI 10.1007/s00170-014-5673-2 // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 72, Issue 1. – Pp. 303–317.

7. Верещака, А. А. Функциональные покрытия для режущих инструментов / А. А. Верещака // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2015. – № 4 (48). – С. 25–36. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=24985862 (дата обращения: 15.05.2021). – Рез. англ.

8. Consolidation of Aluminum-Based Metal Matrix Composites via Spark Plasma Sintering / G. A. Sweet, M. Brochu, R. L. Hexemer Jr. [et al.]. – DOI 10.1016/j.msea.2015.09.027 // Materials Science and Engineering: A. – 2015. – Vol. 648. – Pp. 123–133.

9. Fabrication and Properties of SiCp/Al Composites by Pulsed Electric Current Sintering / M. Yang, D. Zhang, X. Gu, L. Zhang. – DOI 10.1007/s10853-005-1814-1 // Journal of Materials Science. – 2005. – Vol. 40. – Pp. 5029–5031.

10. Effect of Fabrication Process on the Microstructure and Dynamic Compressive Properties of SiСp/ Al Composites Fabricated by Spark Plasma Sintering / J.-T. Zhang, L.-Sh. Liu, P.-Ch. Zhai [et al.]. – DOI 10.1016/j.matlet.2007.04.118 // Materials Letters. – 2008. – Vol. 62, Issue 3. – Pp. 443–446.

11. Thermal Conductivity of Spark Plasma Sintering Consolidated SiCp/Al Composites Containing Pores: Numerical Study and Experimental Validation / K. Chu, C. Jia, W. Tian [et al.]. – DOI 10.1016/j.compositesa.2009.10.001 // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2010. – Vol. 41, Issue 1. – Pp. 161–167.

12. Processing of Al/SiC Composites in Continuous Solid-Liquid Co-Existent State by SPS and Their Thermal Properties / K. Mizuuchi, K. Inoue, Y. Agari [et al.]. – DOI 10.1016/j.compositesb.2012.02.004 // Composites Part B: Engineering. – 2012. – Vol. 43, Issue 4. – Pp. 2012–2019.

13. Preparation and Mechanical Properties of SiC-Reinforced Al6061 Composite by Mechanical Alloying / N. Parvin, R. Assadifard, P. Safarzadeh [et al.]. – DOI 10.1016/j.msea.2008.05.004 // Materials Science and Engineering A. – 2008. – Vol. 492, Issue 1–2. – Pp. 134–140.

14. Properties of Submicron AlN Particulate Reinforced Aluminum Matrix Composite / J. Wang, D. Yi, X. Su [et al.]. – DOI 10.1016/j.matdes.2008.04.039 // Materials and Design. – 2009. – Vol. 30, Issue 1. – Pp. 78–81.

15. Preparation of Metal Matrix Aluminum Alloys Composites Reinforced by Silicon Nitride and Aluminum Nitride through Powder Metallurgy Techniques / E. R. Araujo, M. S. Souza, F. A. Filho [et al.]. – DOI 10.4028/www.scientific.net/MSF.727-728.259. – Текст : электронный // Materials Science Forum. – 2012. – Vol. 727–728.

16. Effects of SiC Particle Size on CTEs of SiCp/Al Composites by Pulsed Electric Current Sintering / M. J. Yang, D. M. Zhang, X. F. Gu, L. M. Zhang. – DOI 10.1016/j.matchemphys.2005.10.019 // Materials Chemistry and Physics. – 2006. – Vol. 99, Issue 1. – Pp. 170–173.

17. Saberi, Y. On the Role of Nano-Size SiC on Lattice Strain and Grain Size of Al/SiC Nanocomposite / Y. Saberi, S. M. Zebarjad, G. H. Akbari. – DOI 10.1016/j.jallcom.2009.05.009 // Journal of Alloys and Compounds. – 2009. – Vol. 484, Issue 1–2. – Pp. 637–640.

18. Tang, F. Solid State Sintering and Consolidation of Al Powders and Al Matrix Composites / F. Tang, I. Anderson, S. Biner. – DOI 10.1016/S1471-5317(03)00004-X // Journal of Light Metals. – 2002. – Vol. 2, Issue 4. – Pp. 201–214.

19. The Dynamic Properties of SiCp/Al Composites Fabricated by Spark Plasma Sintering with Powders Prepared by Mechanical Alloying Process / J. Zhang, H. Shi, M. Cai [et al.]. – DOI 10.1016/j.msea.2009.08.067 // Materials Science and Engineering: A. – 2009. – Vol. 527, Issue 1–2. – Pp. 218–224.

20. Microstructural and Mechanical Study of an Al Matrix Composite Reinforced by Al-Cu-Fe Icosahedral Particles / G. Laplanche, A. Joulain, J. Bonneville [et al.]. – DOI 10.1557/jmr.2010.0118 // Journal of Materials Research. – 2010. – Vol. 25, Issue 5. – Pp. 957–965.

21. Application of SHS Processes for in Situ Preparation of Alumomatrix Composite Materials Discretely Reinforced by Nanodimensional Titanium Carbide Particles (Review) / A. P. Amosov, A. R. Luts, E. I. Latuhin, A. A. Ermoshkin. – DOI 10.3103/S1067821216020024 // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2016. – Vol. 57. – Pp. 106–112.

22. Панфилов, Л. А. Проблемы и перспективы развития производства и применения алюмоматричных композиционных сплавов / Л. А. Панфилов, Е. С. Прусов, В. А. Кечин // Труды НГТУ им. Р. Е. Алексеева. – 2013. – № 2 (99). – С. 210–217. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20173605 (дата обращения: 15.05.2021). – Рез. англ.

23. Influence of SiC and Al2O3 Particulate Reinforcements and Heat Treatments on Mechanical Properties and Damage Evolution of Al-2618 Metal Matrix Composites / M. Tan, Q. Xin, Z. Li [et al.]. – DOI 10.1023/A:1017591117670 // Journal of Materials Science. – 2001. – Vol. 36, Issue 8. – Pp. 2045–2053.

24. Gupta, N. The Solidification Processing of Metal-Matrix Composites: The Rohatgi Symposium / N. Gupta, K. G. Satyanarayana. – DOI 10.1007/s11837-006-0236-0 // JOM. – 2006. – Vol. 58, Issue 11. – Pp. 92–94.

25. Song, M. Effects of Volume Fraction of SiC Particles on Mechanical Properties of SiC/Al Composites / M. Song. – DOI 10.1016/S1003-6326(09)60040-6 // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2009. – Vol. 19, Issue 6. – Pp. 1400–1404.

26. Narayanasamy, R. Effect of Particle Size of SiC in Aluminium Matrix on Workability and Strain Hardening Behaviour of P/M Composite / R. Narayanasamy, T. Ramesh, M. Prabhakar. – DOI 10.1016/j.msea.2008.11.037 // Materials Science and Engineering: A. – 2009. – Vol. 504, Issue 1–2. – Pp. 13–23.

27. Wannasin, J. Fabrication of Metal Matrix Composites by a High-Pressure Centrifugal Infiltration Process / J. Wannasin, M. C. Flemings // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 169, Issue 2. – Рp. 143–149. – URL: https://www.scirp.org/reference/ReferencesPapers.aspx?ReferenceID=483666 (дата обращения: 15.05.2021).

28. Bauria, R. Processing and Properties of Al–Li–SiСp Composites / R. Bauria, M. K. Surappa. – DOI 10.1016/j.stam.2007.07.004 // Science and Technology of Advanced Materials. – 2007. – Vol. 8, Issue 6. – Pp. 494–502.

29. Трибологические характеристики и коррозионная стойкость покрытий, полученных методами электроискрового легирования, импульсного катодно-дугового испарения и гибридной технологии с использованием электродов TiCNiCr И TiCNiCr-Dy2O3 / А. Д. Сытченко, А. Н. Шевейко, Е. А. Левашов, Ф. В. Кирюханцев-Корнеев. – DOI 10.17073/0021-3438-2020-2-73-79 // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2020. – № 2. – С. 73–79. – Рез. англ.

30. Эрозионная и абразивная стойкость, механические свойства и структура покрытий TiN, Ti–Cr–Al–N и Cr–Al–Ti–N, полученных методом CFUBMS / Ф. В. Кирюханцев-Корнеев, Дж. Фири, В. И. Гладков [и др.]. – DOI 10.1134/S0044185619050127 // Физикохимия поверхности и защита материалов. – 2019. – Т. 55, № 5. – С. 546–556.

31. Kiryukhantsev-Korneev, Ph. V. Comparative Study of Coatings Formed by Electrospark Alloying Using TiC–NiCr and TiC–NiCr– Eu2O3 Electrodes / Ph. V. Kiryukhantsev-Korneev, A. D. Sytchenko, E. A. Levashov. – DOI 10.3103/S1067821219060099 // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2019. – Vol. 60, Issue 6. – Pp. 662–672.

32. Гибридная технология осаждения твердых износостойких покрытий, сочетающая процессы электроискрового легирования, катодно-дугового испарения и магнетронного напыления / А. Н. Шевейко, К. А. Купцов, Ф. В. Кирюханцев-Корнеев [и др.]. – DOI 10.17073/1997-308X-2018-4-92-103 // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2018. – № 4. – С. 92–103. – Рез. англ.

33. Review of Metal Matrix Composites with High Thermal Conductivity for Thermal Management Applications / X. Qu, L. Zhang, M. Wu, S. Ren. – DOI 10.1016/S1002-0071(12)60029-X // Progress in Natural Science: Materials International. – 2011. – Vol. 21, Issue 3. – Pp. 189–197.

34. The Fabrication Process and Mechanical Properties of SiCp/Al–Si Metal Matrix Composites for Automobile Air-Conditioner Compressor Pistons / H. S. Lee, J. S. Yeo, S. H. Hong, D. J. Yoon. – DOI 10.1016/S0924-0136(01)00680-X // Journal of Materials Processing Technology. – 2001. – Vol. 113, Issue 1–3. – Pp. 202–208.

35. Hunt Jr., W. H. Aluminum Metal Matrix Composites Today / W. H. Hunt Jr. – DOI 10.4028/www.scientific.net/MSF.331-337.71 // Materials Science Forum. – 2000. – Vol. 331–337. – Pp. 71–84.

36. Suganuma, K. Whisker/Matrix Interface Microstructure in 6061 Aluminum Composite Reinforced with α-Silicon Nitride Whisker / K. Suganuma. ‒ DOI 10.1163/156855494X00030 // Composite Interfaces. – 1994. – Vol. 2. – Pp. 15–27.

37. Processing and Surface Properties of Al–AlN Composites Produced from Nanostructured Milled Powders / H. Abdoli, E. Saebnouri, S. K. Sadrnezhaad [et al.]. – DOI 10.1016/j.jallcom.2009.10.121 // Journal of Alloys and Compounds. – 2010. – Vol. 490, Issue 1–2. – Pp. 624–630.

38. Thermal Conductivity Behavior of SPS Consolidated AlN/Al Composites for Thermal Management Applications / B. Dun, X. Jia, C. Jia [et al.]. – DOI 10.1007/s12598-011-0222-8 // Rare Metals. – 2011. – Vol. 30, Issue 2. – Pp. 189–194.