Особенности формирования микроструктуры, элементного и фазового составов и свойств стали 170Х14Г3С3Н1ФР1 в условиях литья и импульсно-плазменного напыления

Ю. Г. Чабак$^{1}$, Т. В. Пастухова$^{1}$, В. Г. Ефременко$^{1}$, К. Шимидзу$^{2}$, А. П. Чейлях$^{1}$, В. И. Зурнаджи$^{1}$

$^{1}$Приазовский государственный технический университет, ул. Университетская, 7, 87500 Мариуполь, Украина
$^{2}$Muroran Institute of Technology, 27 Mizumoto-cho, 050-8585, Muroran, Hokkaido, Japan

Получена: 22.03.2017. Скачать: PDF

В статье описаны микроструктура, микротвёрдость и фазовый химический состав ледебуритной стали 170Х14Г3С3Н1ФР1, полученной импульсно-плазменным напылением, в сравнении с традиционным способом отливки в песчаную форму. В качестве источника плазмы при напылении использован электротермический аксиальный плазменный ускоритель. Параметры обработки: напряжение — 4,0 кВ, амплитуда тока разряда — до 18 кА, рабочая среда — воздух, давление — атмосферное, катод — литая сталь 170Х14Г3С3Н1ФР1. В работе использованы оптическая и электронная микроскопии, энергодисперсионная спектроскопия, рентгеновская дифрактометрия, измерение микротвёрдости. Установлено, что после литья в песчаную форму в структуре стали присутствуют крупные (10–40 мкм в сечении) первичные карбид (Fe$_{3,8}$Cr$_{2,9}$Mn$_{0,3}$)$_7$C$_3$ и карбобориды (Fe$_{1,4}$Cr$_{0,6}$Mn$_{0,1}$)$_{2}$(С,B) и (Fe$_{3,3}$Cr$_{1,5}$Mn$_{0,2}$)$_5$(С,B$_2$)$_3$, а также эвтектики «аустенит + М$_7$С$_3$» и «аустенит + М$_7$С$_3$ + М$_х$(С,B)$_y$». Объёмная доля карбидной и карбоборидной фаз составляет 44,4%. Импульсно-плазменное напыление стали на чугунную подложку приводит к формированию покрытия, состоящего из пересыщенного твёрдого раствора с микротвёрдостью 643–932 $HV$. Постплазменная термическая обработка (закалка от 900°C) обеспечивает протекание твёрдофазной реакции выделения карбидной (М$_7$С$_3$) и карбоборидных (М$_2$(С,B) и М$_5$(С,B)$_3$) фаз из пересыщенного твёрдого раствора в виде дисперсных включений средним размером 0,7 мкм, что в десятки раз меньше включений в литой стали. Плазменное напыление сопровождается насыщением стали углеродом за счёт разложения диэлектрических стенок разрядной камеры (бакелито-бумажный композит) при высокотоковом разряде. Это приводит к росту объёмной доли карбидов и карбоборидов на 10,5% относительно равновесного литого состояния. Микротвёрдость плазменно-напылённой стали после закалки составляет 885–1100 $HV$.

Ключевые слова: импульсно-плазменное напыление, микроструктура, карбиды, карбобориды, микротвёрдость.

URL: http://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v39/i04/0491.html

PACS: 61.72.Qq, 62.20.Qp, 81.15.Jj, 81.30.Mh, 81.40.Cd, 81.40.Gh, 87.64.Ee


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. И. И. Цыпин, Белые износостойкие чугуны (Москва: Металлургия: 1983).
  2. V. G. Efremenko, K. Shimizu, A. P. Cheiliakh, T. V. Pastukhova, Yu. G. Chabak, and K. Kusumoto, Int. J. Miner. Metall. Mater., 23, Iss. 6: 645 (2016). Crossref
  3. D. Kopyciński, E. Guzik, and A. Szczęsny, Arch. Metall. Mater., 59, Iss. 2: 723 (2014). Crossref
  4. M. Youping, L. Xiulan, L. Yugao, Z. Shuyi, and D. Xiaoming, China Foundry, 9, Iss. 2: 148 (2012).
  5. R. Reda, A. Nofal, Kh. Ibrahim, and A. Hussien, China Foundry, 7, Iss. 4: 438 (2010).
  6. A. Bedolla-Jacuinde, F. V. Guerra, I. Mejía, J. Zuno-Silva, and C. Maldonado, Int. J. Cast Met. Res., 29, Iss. 1–2: 55 (2016). Crossref
  7. V. V. Kukhar and O. V. Vasylevskyi, Metallurgical & Mining Industry, 3: 71 (2014).
  8. J. Xu, X. Gao, Zh. Jiang, and D. Wei, Steel Res. Int., 87, No. 6: 780 (2016). Crossref
  9. H. Chen, Z. Ling, and W. S. Ming, Adv. Mater. Res., 690–693: 147 (2013). Crossref
  10. A. H. Kasama, R. D. Cava, A. Mourisco, C. S. Kiminami, and C. Bolfarini, Mater. Sci. Forum, 416–418: 419 (2003). Crossref
  11. T. T. Matsuo, C. S. Kiminami, W. J. Botta Fo, and C. Bolfarini, Wear, 259, Iss. 1–6: 445 (2005). Crossref
  12. M. L. Ted Guo, C.-H. Chiang, and C. Y. A. Tsao, J. Mater. Sci. Eng. A, 326, Iss. 1: 1 (2002). Crossref
  13. Yu. N. Tyurin and A. D. Pogrebnjak, Surf. Coat. Tech., 111, Iss. 2–3: 269 (1999). Crossref
  14. A. D. Pogrebnyak and Yu. N. Tyurin, Physics Uspekhi, 48, No. 5: 487 (2005). Crossref
  15. O. M. Ivasishin, A. D. Pogrebnjak, and S. N. Bratushka, Nanostructured Layers, and Coatings Formed by Ion-Plasma Fluxes in Titanium Alloys and Steels (Kyiv: Akademperiodyka: 2011).
  16. Y. P. Lei, H. Murakawa, Y. W. Shi, and X. Y. Li, Comput. Mater. Sci., 21, Iss. 3: 276 (2001). Crossref
  17. K. Nowakowska-Langer, R. Chodun, and K. Zdunek, Mater. Sci.-Pol., 33, No. 4: 841 (2015). Crossref
  18. N. Espallargas and S. Mischler, Wear, 270, Iss. 7–8: 464 (2011). Crossref
  19. Yu. E. Kolyada and V. I. Fedun, Probl. Atomic Science and Technol., 4 (98): 325 (2015).
  20. Yu. E. Kolyada, A. A. Bizyukov, O. N. Bulanchuk, and V. I. Fedun, Probl. Atomic Science and Technol., 4 (98): 319 (2015).
  21. V. G. Efremenko, Yu. G. Chabak, A. Lekatou, A. E. Karantzalis, K. Shimizu, V. I. Fedun, A. Yu. Azarkhov, and A. V. Efremenko, Surf. Coat. Technol., 304: 293 (2016). Crossref
  22. Ю. Е. Коляда, В. И. Федун, Вопросы атомной науки и техники, 4 (98): 260 (2008).
  23. С. С. Горелик, Л. Н. Расторгуев, Ю. А. Скаков, Рентгенографический и электроннооптический анализ (Москва: МИСиС: 1994).
  24. V. Kumar, J. Mater. Eng. Perform., 12, Iss. 1: 14 (2003). Crossref
  25. M. Fenech, B. Mallia, M. Grech, and J. C. Betts, J. Mater. Sci., 48, Iss. 5: 2224 (2013). Crossref
  26. I. Hemmati, V. Ocelík, and J. Th. M. De Hosson, J. Mater. Sci., 46, Iss. 10: 3405 (2011). Crossref
  27. ASM Handbook: Alloy Phase Diagram (Eds. H. Okamoto, M. E. Schlesinger, and E. M. Mueller) (Materials Park, Ohio: 2016), vol. 3.
  28. Ю. Г. Чабак, В. Г. Ефременко, Металлофиз. новейшие технол., 34, № 9: 1205 (2012).
  29. Yu. G. Chabak, V. I. Fedun, K. Shimizu, V. I. Zurnadgy, and V. G. Efremenko, Probl. Atomic Science and Technol., 104, No. 4: 100 (2016).