Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2021,  том 18,  №4, 399-407

 

Николай Николаевич Малушин1†, Виктор Евгеньевич Громов2, Денис Анатольевич Романов3, Людмила Петровна Бащенко4, Андрей Петрович Ковалев5, Кирилл Валерьевич Соснин6

Физические основы комплексных технологий упрочнения деталей на базе плазменной наплавки в среде азота

1,2,3,4,6 Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42, 654007, Новокузнецк, Кемеровская обл. – Кузбасс, Россия
5 АО «Кузнецкинвестстрой», ул. Орджоникидзе, 35, 654007, Новокузнецк, Кемеровская обл. – Кузбасс, Россия
1 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , http://orcid.org/0000-0003-0762-1793
2 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , http://orcid.org/0000-0002-5147-5343
3 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , http://orcid.org/0000-0002-6880-2849
4 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , http://orcid.org/0000-0003-1878-909X
5 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0002-3837-6324
6 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0003-2499-7629

Разработаны физические основы повышения эксплуатационных свойств теплостойких сплавов, сформированных плазменной наплавкой в среде азота, основанные на применении комплекса упрочняющих технологий: плазменная наплавка в защитно-легирующей среде азота; высокотемпературный отпуск; ультразвуковая упрочняющая обработка или азотирование. Установлено, что физическая основа упрочнения теплостойкого наплавленного металла при использовании комплексных технологий обусловлена применением новых способов многослойной плазменной наплавки в среде азота и новых наплавочных материалов, обеспечивающих получение наплавленного металла в состоянии, близком к закаленному состоянию с твердостью поверхности 55–57 HRC и низкой склонностью к образованию холодных трещин. Основой способов является регулируемый термический цикл с низкотемпературным подогревом до температуры 230–250 °С и использование эффекта кинетической пластичности. Дополнительный вклад в упрочнение наплавленного сплава вносит высокотемпературный отпуск при температуре 560–580 °С и ультразвуковая обработка на оптимальная режимах (нормальное усилие на инструмент Рн = 10 Н, амплитуда колебаний А = 20 мкм, скорость обработки V = 20 м/мин), что обеспечивает увеличение твердости до 65–66 HRC. Выявлены физические основы формирования структуры и свойств теплостойкого металла плазменной наплавкой в среде азота. Установлено, что в наплавленном металле основными фазами являются твердый раствор α-Fe, карбиды и карбонитриды на основе железа, вольфрама, хрома, молибдена, алюминия (Fe6W6NC и AlN). Промышленные испытания показали, что изготовленные с применением комплексных технологий упрочнения на базе плазменной наплавки активного слоя теплостойкими сталями высокой твердости наплавленные детали обладают повышенной (в 1,5–2,0 раза) стойкостью по сравнению со стойкостью серийных изделий.

Ключевые слова: комплексные технологии упрочнения, плазменная наплавка в среде азота, азотирование, ультразвуковая упрочняющая обработка, теплостойкие сплавы.

УДК 621.791.92

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2021.04.001


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 18, No.4 (2021) 399-407

 

Nikolai N. Malushin1, Viktor E. Gromov2, Denis A. Romanov3, Lyudmila P. Bashchenko4, Andrei P. Kovalev5, Kirill V. Sosnin6

Physical foundations of integrated technologies for strengthening of parts on the basis of plasma surface in a nitrogen medium

1,2,3,4,6 Siberian state industrial University, Kirova street, 42, Novokuznetsk, Kemerovo region – Kuzbass, 654007, Russia
5 JSC «Kuznetskinveststroy», Ordzhonikidze street, 35, Novokuznetsk, Kemerovo region – Kuzbass, 654007, Russia
1 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , http://orcid.org/0000-0003-0762-1793
2 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , http://orcid.org/0000-0002-5147-5343
3 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , http://orcid.org/0000-0002-6880-2849
4 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , http://orcid.org/0000-0003-1878-909X
5 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript https://orcid.org/0000-0002-3837-6324
6 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0003-2499-7629

The physical foundations of improving the operational properties of heat-resistant alloys formed by plasma in a nitrogen atmosphere have been developed, based on the use of a set of hardening technologies: plasma surfacing in a protective-alloying nitrogen environment; high temperature tempering; ultrasonic hardening treatment or nitriding. It has been established that the physical basis of hardening of heat-resistant deposited metal when using complex technologies is due to the use of new methods of multilayer plasma surfacing in a nitrogen atmosphere and new surfacing materials, which ensure the production of deposited metal in a state close to the hardened state with a surface hardness of 55–57 HRC and a low tendency to cold cracking. The basis of the methods is a controlled thermal cycle with low-temperature heating to a temperature of 230–250 °С and the use of the effect of kinetic plasticity. An additional contribution to the hardening of the deposited alloy is made by high-temperature tempering at a temperature of 560–580 °С and ultrasonic treatment at optimal modes (normal force on the tool Pn = 10 N, vibration amplitude A = 20 μm, processing speed V = 20 m/min), which provides increase in hardness up to 65-66 HRC. The physical foundations of the formation of the structure and properties of heat-resistant metal by plasma surfacing in a nitrogen atmosphere are revealed. It was found that in the deposited metal the main phases are the α-Fe solid solution, carbides and carbonitrides based on iron, tungsten, chromium, molybdenum, aluminum (Fe6W6NC and AlN). Industrial tests have shown that the weld-on parts made with the use of complex hardening technologies based on plasma surfacing of the active layer with heat-resistant steels of high hardness have increased (1.5–2.0 times) durability compared to the durability of serial products.

Keywords: complex hardening technologies, plasma surfacing in nitrogen, nitriding, ultrasonic hardening treatment, heat-resistant alloys.