limЛитье и металлургияLitiyo i Metallurgiya (FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY)1683-60652414-0406BNTU10.21122/1683-6065-2020-4-139-147lim-3267Research ArticleМатериаловедениеScience of materialsПовышение жаростойкости углеродистых сталей термодиффузионным насыщением и нанесением вакуумных покрытийIncrease in the heat resistance of carbon steels by thermodiffusion treatment and vacuum coating applicationКовальчукА. B.KovalchukA. V.

г. Минск, пр. Независимости, 65

a-v-kov@yandex.comПацекоЕ. А.PatsekoE. K.

г. Минск, пр. Независимости, 65

kate.patseko@mail.ruТкаченкоГ. А.TkachenkoG. A.

г. Минск, пр. Независимости, 65

ВерещакН. А.VereshchakN. A.

г. Минск, пр. Независимости, 65

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus20201612202004139147Copyright © Ковальчук А.B., Пацеко Е.А., Ткаченко Г.А., Верещак Н.А., 20202020Ковальчук А.B., Пацеко Е.А., Ткаченко Г.А., Верещак Н.А.Kovalchuk A.V., Patseko E.K., Tkachenko G.A., Vereshchak N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://lim.bntu.by/jour/article/view/3267

В данной статье обоснована гипотеза о возможности повышения жаростойкости доэвтектоидных углеродистых сталей путем предварительного термодиффузионного легирования с последующим нанесением вакуумных нитридных покрытий. Установлено, что наибольшей жаростойкостью, определяемой по относительному приросту массы, обладают термодиффузионные слои, полученные в результате бороалитирования, далее в порядке уменьшения жаростойкости: слои, полученные в результате боросилицирования, борохромирования, бороазотирования и борирования. Разработаны новые составы жаростойких покрытий композиционного типа «термодиффузионный слой – вакуумное ионно-плазменное покрытие», которые также являются твердыми, износостойкими, коррозионностойкими в условиях атмосферной коррозии, растворах солей и некоторых кислот. Проведена оценка влияния ионно-плазменных покрытий на дополнительное повышение жаростойкости сталей с полученными термодиффузионными слоями, в ходе которой определены и приведены наиболее эффективные составы разработанных покрытий для повышения жаростойкости поверхности. Приведены результаты расчета прогнозной жаростойкости разработанных композиций «диффузионный слой – ионно-плазменное покрытие» на углеродистых доэвтектоидных сталях.

In this article is substantiated the hypothesis of the possibility of increasing the heat resistance of hypoeutectoid carbon steels by preliminary thermal diffusion alloying followed by the application of vacuum nitride coatings. It was established that thermal diffusion layers obtained as a result of saturation with boron and aluminum have the greatest heat resistance in terms of relative mass gain, then in order of decreasing heat resistance: layers obtained as a result of saturation with boron and silicon, boron and chromium, boron and nitrogen, and as a result of boriding. New composite coatings of heat-resistant compositions “thermodiffusion layer – vacuum ion-plasma coating” have been developed, which are also solid, wear-resistant, and corrosion-resistant under atmospheric corrosion, solutions of salts and certain acids. The influence of ionic-plasma coatings on additional increase in heat resistance of steels with the produced thermodiffusion layers, during which the most efficient compositions of the developed coatings are defined and given to improve the temperature resistance of the surface, was assessed. The results of the calculation of the predicted heat resistance of the developed compositions “diffusion layer – ion-plasma coating” on hypoeutectoid carbon steels are given in the article.

термодиффузионное насыщениежаростойкостьвакуумное ионно-плазменное покрытиебороалитированиекоррозионная стойкостьthermochemical treatmentdiffusion layerheat resistancevacuum ion-plasma coatingcorrosion resistancesaturation powder mixtureReferencesХоккинг, М. Металлические и керамические покрытия: получение, свойства и применение / М. Хоккинг, В. Вассантари, П. Сидки: Пер. с англ. М.: Мир, 2000. 518 с.Hokking M. et al. Metallicheskie i keramicheskie pokrytiya: poluchenie, svojstva i primenenie [Metal and ceramic coatings: production, properties and application]. Moscow, Mir Publ., 2000, 518 p.Ткаченко, Г. А. Повышение коррозионной стойкости стальных деталей комплексной обработкой / Г. А. Ткаченко, А. В. Ковальчук // Создание новых и совершенствование действующих технологий и оборудования нанесения гальванических и их замещающих покрытий: материалы 3-го Респ. науч.-техн. семинара. Минск, 5–6 декабря 2013 г. Минск: БГТУ, 2013. С. 119–122.Tkachenko G. A., Kovalchuk A. V. Povyshenie korrozionnoj stojkosti stal’nyh detalej kompleksnoj obrabotkoj [Improving corrosion resistance of steel parts by integrated treatment]. Materialy 3-go respublikanskogo nauchno-tekhnicheskogo seminara, Minsk, 5–6 dekabrya = Materials of the third national scientific and technical seminar, Minsk, December 5–6, BGTU, 2013, pp. 119–122.Константинов, В. М. Свойства двухслойных износостойких покрытий «термодиффузионный слой – TiAlN» на сталях / В. М. Константинов, А. В. Ковальчук, В. Г. Дашкевич // Журнал физики и инженерии поверхности. 2016. Т. 1. № 2. С. 213–224.Konstantinov V. M. et al. Svojstva dvuhslojnyh iznosostojkih pokrytij «termodiffuzionnyj sloj – TiAlN» na stalyah [Properties of two-layer wear-resistant coatings «thermodiffusion layer – TiAlN» on steels]. Zhurnal fiziki i inzhenerii poverhnosti = Journal of Surface Physics and Engineering, 2016, vol. 1, no. 2, pp. 213–224.Константинов, В. М. Разработка аддитивных технологий упрочнения конструкционных сталей на основе химикотермической обработки и нанесения ионно-плазменных покрытий / В. М. Константинов, Ф. Ф. Комаров, А. В. Ковальчук, С. В. Константинов // Актуальные проблемы прочности. В 2-х т. T. 2. Витебск: УО «ВГТУ», 2018. С. 377–401.Konstantinov V. M. et al. Razrabotka additivnyh tekhnologij uprochneniya konstrukcionnyh stalej na osnove himiko-termicheskoj obrabotki i naneseniya ionno-plazmennyh pokrytij [Development of additive technologies of strengthening for structural steels based on chemical-thermal treatment and plasma-ion coating]. Aktual’nye problemy prochnosti:= Current strength problems, Vitebsk, UO «VGTU» Publ., 2018, vol. 2, pp. 377–401.Komarov, F. F. The effect of steel substrate pre-hardening on structural, mechanical, and tribological properties of magnetron sputtered TiN and TiAlN coatings / F. F. Komarov, V. M. Konstantinov, A. V. Kovalchuk, S. V. Konstantinov, H.A. Tkachenko // Wear. 2016. Vol. 352–353. P. 92–101.Komarov F. F. et al. The effect of steel substrate pre-hardening on structural, mechanical, and tribological properties of magnetron sputtered TiN and TiAlN coatings. Wear, Elsevier Science Publishing Company Publ., Inc, 2016, vol. 352–353, pp. 92–101.Елагина, О. Ю. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин: учеб. пособие / О. Ю. Елагина. М.: Логос, 2009. 488 с.Elagina O. Y. Tekhnologicheskie metody povysheniya iznosostojkosti detalej mashin [Technological techniques for improving the wear resistance of machine parts]. Moscow, Logos Publ., 2009, 488 р.Ляхович, Л. С. Многокомпонентные диффузионные покрытия / Л. С. Ляхович, Л. Г. Ворошнин, Г. Г. Панич, Э. Д. Щербаков. Минск: Наука и техника, 1974. 288 с.Lyahovich L. S. Mnogokomponentnye diffuzionnye pokrytiya [Multi-component diffusion coatings]. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1974, 288 р.Крукович, М. Г. Пластичность борированных слоев / М. Г. Крукович, Б. А. Прусаков, И. Г. Сизов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 384 с.Krukovich M. G. et al. Plastichnost’ borirovannyh sloev [Plasticity of borided layers] Moscow, FIZMATLIT Publ., 2010, 384 р.Ляхович, Л. С. Силицирование металлов и сплавов / Л. С. Ляхович, Л. Г. Ворошнин, Э. Д. Щербаков, Г. Г. Панич. Минск: Наука и техника, 1972. 280 с.Lyahovich L. S. et al. Silicirovanie metallov i splavov [Silification of metals and alloys] Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1972, 280 р.Ворошнин, Л. Г. Современные износостойкие диффузионные покрытия / Л. Г. Ворошнин // Перспективы развития поверхностного и объемного упрочнения сплавов: сборник науч. тр., посвященный 40-летию кафедры «Материаловедение в машиностроении». Минск: БНТУ, 2004. С. 10–21.Voroshnin L. G. Sovremennye iznosostojkie diffuzionnye pokrytiya [Modern wear-resistant diffusion coatings]. Perspektivy razvitiya poverhnostnogo i ob'emnogo uprochneniya splavov: sbornik nauch. tr., posvyashchennyj 40-letiyu kafedry “Materialovedenie v mashinostroenii” = Prospects for surface and volumetric reinforcement of alloys: collection of scientific works dedicated to the 40th anniversary of the Department “Materials Science in Mechanical Engineering”. Minsk, BNTU Publ., 2004, рр. 10–21.Берлин, Е. В. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей / Е. В. Берлин, Н. Н. Коваль, Л. А. Сейдман. М.: Техносфера, 2012. 464 c.Berlin E. V. et al. Plazmennaya himiko-termicheskaya obrabotka poverhnosti stal’nyh detalej [Plasma thermo-chemical surface treatment of steel parts]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2012, 464 р.Земсков, Г. В. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов / Г. В. Земсков, Р. Л. Коган. М.: Металлургия, 1978. 208 с.Zemskov G. V. et al. Mnogokomponentnoe diffuzionnoe nasyshchenie metallov i splavov [Multi-component diffusion of metals and alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1978, 208 р.Ворошнин, Л. Г. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Спр. / Под ред. Л. С. Ляховича. М.: Металлургия, 1981. 424 c.Voroshnin L. G. Himiko-termicheskaya obrabotka metallov i splavov [Thermo-chemical treatment of metals and alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1981, 424 р.Кайдаш, Н. Г. Структура и свойства боридосилицидных покрытий на железе и стали / Н. Г. Кайдаш, Л. Н. Четверикова // Вест. Черкас. нац. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2007. № 114. С. 89–115.Kajdash N. G. et al. Struktura i svojstva boridosilicidnyh pokrytij na zheleze i stali [Structure and properties of boridesilicided coatings iron and steel]. Vestnik Cherkasskogo nacional’nogo universiteta. Seriya: Fiziko-matematicheskie nauki = Bulletin of Cherkassy National University, Physics and Mathematics Series, 2007, no. 114, рр. 89–115.Раднаев, Б. В. Жаростойкость слоев боридов переходных металлов на углеродистой стали 20 / Б. В. Раднаев, А. С. Милонов, Н. Н. Смирнягина // Вест. Бурят. гос. ун-та. 2011. № 3. С. 199–203.Radnaev B. V. et al. Zharostojkost’ sloev boridov perekhodnyh metallov na uglerodistoj stali 20 [Heat resistance of transition metal boride layers on carbon steel 20]. Vestnik Buryatskogo gosudarstvennogo universiteta = Bulletin of Buryat State University, 2011, no. 3, рр. 199–203.Галынская, Н. А. Упрочняющая обработка штампов для глубокой вытяжки / Н. А. Галынская, Н. Г. Кухарева, С. Н. Петрович, Г. В. Стасевич // Вест. Белорус. нац. техн. ун-та. 2010. № 4. С. 30–34.Galynskaya N.A. et al. Uprochnyayushchaya obrabotka shtampov dlya glubokoj [Strengthening of deep extraction stamps]. Vestnik Belorusskogo nacional’nogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of the Belarusian National Technical University, 2010, no. 4, рр. 30–34.Макеев, Д. Н. Влияние вводимых легирующих элементов на свойства стали / Д. Н. Макеев // Вест. СГТУ. 2012. № 3(67). С. 92–98.Makeev D. N. Vliyanie vvodimyh legiruyushchih elementov na svojstva stali [Effect of introduced alloying elements on steel properties]. Vestnik SGTU = Bulletin of SGTU, 2012, no. 3(67), рр. 92–98.Быкова, Т. М. Влияние химического состава стали на структуру и свойства диффузионных боридных покрытий: Дисс. … канд. техн. наук. Екатеринбург, 2016. 164 с.Bykova T. M. Vliyanie himicheskogo sostava stali na strukturu i svojstva diffuzionnyh boridnyh pokrytij. Diss. kand. tekhn. nauk [Influence of the chemical composition of steel on the structure and properties of diffuse borided coatings. Ph.D. tech. sci. diss.], Ekaterinburg, 2016, 164 р.Бирке, Н. Введение в высокотемпературное окисление металлов / Н. Бирке, Д. Майер. М.: Металлургия, 1987. 189 с.Birke N., Mayer D. Vvedenie v vysokotemperaturnoe okislenie metallov [Introduction of metals to high temperature oxidation]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1987, 189 р.Kutz, M (Ed.) Mechanical Engineers’ Handbook: Manufacturing and Management / 3rd ed. – ASM International, 2006. Vol. 3. 880 p.Kutz M. Mechanical Engineers Handbook: Manufacturing and Management, 3rd ed, ASM International, 2006, vol. 3, 880 p.Gleiter, H. Nanostructured Materials: Basic Concepts and Microstructure / H. Gleiter // Acta Materialia. 2000. Vol. 48, No. 1. Рр. 1–29.Gleiter H. Nanostructured Materials: Basic Concepts and Microstructure, Acta Materiali Publ., 2000, vol. 48, no. 1, рр. 1–29.Douglas, B. E. Structure and chemistry of crystalline solids. New York: Springer, 2006. 346 p.Douglas B. E. Structure and chemistry of crystalline solids. New York, Springer Publ., 2006, 346 p.

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