zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2022-88-2-40-48zldm-1599Research ArticleФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯPHYSICAL METHODS OF RESEARCH AND MONITORINGИсследование структуры и свойств защитных покрытий, полученных методом электроискрового легирования СВС-электродами (обзор)Study of the structure and properties of protective coatings obtained by the method of electric spark alloying with SHS electrodes (review)АлымовМ. И.AlymovM. I.

Михаил Иванович Алымов

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, д. 8

Mikhail I. Alymov

8, ul. Akademika Osipyana, Chernogolovka, Moskovskaya obl., 142432

СтолинА. М.StolinA. M.

Александр Моисеевич Столин

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, д. 8

Alexander M. Stolin

8, ul. Akademika Osipyana, Chernogolovka, Moskovskaya obl., 142432

БажинП. М.BazhinP. M.

Павел Михайлович Бажин

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, д. 8

Pavel M. Bazhin

8, ul. Akademika Osipyana, Chernogolovka, Moskovskaya obl., 142432

bazhin@ism.ac.ruИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения имени А. Г. Мержанова РАНРоссияA. G. Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, RASRussian Federation2022220220228824048Copyright © Алымов М.И., Столин А.М., Бажин П.М., 20222022Алымов М.И., Столин А.М., Бажин П.М.Alymov M.I., Stolin A.M., Bazhin P.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1599

Защитные покрытия на рабочих поверхностях деталей и механизмов получают, как правило, методом электроискрового легирования (ЭИЛ). В работе представлен обзор результатов исследования структуры и свойств защитных покрытий, полученных методом ЭИЛ с применением СВС-электродов. Керамические и металлокерамические электроды получали методом СВС-экструзии, при котором сочетаются процессы горения и сдвигового высокотемпературного деформирования. СВС-экструзия позволяет за десятки секунд в одну технологическую стадию получать электроды с заданными структурой и свойствами. Приведены результаты по исследованию и использованию электродных материалов из твердосплавных материалов, интерметаллидов, материалов на основе МАХ-фазы и керамических материалов с наноразмерной структурой. Анализ микроструктуры и свойств формирующихся легированных слоев показал, что защитное покрытие состоит по меньшей мере из двух зон. Размеры структурных износостойких составляющих на поверхности покрытия, как правило, соответствуют их размерам в исходных электродах. По мере приближения к подложке размер зерен уменьшается и составляет 20 – 100 нм. Установлено, что на поверхности формируется защитное покрытие, повышающее механические и трибологические свойства изделия. Представленные результаты могут быть использованы при сравнительных трибологических испытаниях упрочненных покрытий, промышленных испытаниях обработанных деталей и др.

Electric spark alloying (ESA) is a traditional method of obtaining protective coatings on the working surfaces of parts and mechanisms. A review of the results of studying the structure and properties of protective coatings obtained by the ESA method using SHS-electrodes is presented. Ceramic and cermet electrodes are obtained by the method of SHS-extrusion carried out under conditions of combustion processes with high-temperature shear deformation. SHS extrusion makes it possible to obtain electrodes with desired structure and properties in tens of seconds in one technological stage. The results on the study and application of electrode materials made of hard alloy materials, intermetallic compounds, materials based on the MAX-phase and ceramic materials with a nanoscale structure are presented. Analysis of the microstructure and properties of the formed alloy layers showed that the protective coating consists of at least two zones. The sizes of the structural wear-resistant components on the coating surface, usually correspond to their sizes in the original electrodes. When going in depth to the substrate, the grain size decreases and amounts to 20 – 100 nm. It is shown that a protective coating is formed on the surface which increases the mechanical and tribological properties. The presented results can be used in comparative tribological tests of hardened coatings, industrial tests of machined parts, etc.

покрытиеСВСсинтезгорениеэлектроискровое легированиеcoatingSHSsynthesiscombustionelectric spark alloyingReferencesЧерноиванов В. И., Голубев И. Г. Восстановление деталей машин (состояние и перспективы) — М.: Росинформагротех, 2010. — 376 с.Chernoivanov V. I., Golubev I. G. Restoration of machine parts (State and prospects). — Moscow: Rosinformagrotekh, 2010. — 376 p. [in Russian].Bayhan Y. Reduction of wear via hardfacing of chisel ploughshare / Tribol. Int. 2006. Vol. 39. N 6. DOI: 10.1016/j.triboint.2005.06.005Bayhan Y. Reduction of wear via hardfacing of chisel ploughshare / Tribol. Int. 2006. Vol. 39. N 6. DOI: 10.1016/j.triboint.2005.06.005Stolin A. M., Bazhin P. M., Mikheyev M. V., et al. Deposition of protective coatings by electric arc cladding with SHS electrodes / Weld. Int. 2015. Vol. 29. N 8. DOI: 10.1080/09507116.2014.960703Stolin A. M., Bazhin P. M., Mikheyev M. V., et al. Deposition of protective coatings by electric arc cladding with SHS electrodes / Weld. Int. 2015. Vol. 29. N 8. DOI: 10.1080/09507116.2014.960703Guerrieri M., Fedrizzi M., Antonucci F., et al. An innovative multivariate tool for fuel consumption and costs estimation of agricultural operations / Spanish J. Agricult. Res. 2016. Vol. 14. Issue 4. N e0209. DOI: 10.5424/sjar/2016144-9490Guerrieri M., Fedrizzi M., Antonucci F., et al. An innovative multivariate tool for fuel consumption and costs estimation of agricultural operations / Spanish J. Agricult. Res. 2016. Vol. 14. Issue 4. N e0209. DOI: 10.5424/sjar/2016144-9490Titov N. V., Kolomeichenko A. V., Logachev V. N., et al. Investigation of the hardness and wear resistance of working sections of machines hardened by vibroarc surfacing using cermet materials / Weld. Int. 2015. Vol. 29. N 9. DOI: 10.1080/09507116.2014.970336Titov N. V., Kolomeichenko A. V., Logachev V. N., et al. Investigation of the hardness and wear resistance of working sections of machines hardened by vibroarc surfacing using cermet materials / Weld. Int. 2015. Vol. 29. N 9. DOI: 10.1080/09507116.2014.970336Kiryukhantsev-Korneev P. V., Pierson J. F., Bychkova M. Y., et al. Comparative Study of Sliding, Scratching, and Impact-Loading Behavior of Hard CrB2 and Cr – B – N Films / Tribol. Let. 2016. Vol. 63. Issue 3. N 44. DOI: 10.1007/s11249-016-0729-0Kiryukhantsev-Korneev P. V., Pierson J. F., Bychkova M. Y., et al. Comparative Study of Sliding, Scratching, and Impact-Loading Behavior of Hard CrB2 and Cr – B – N Films / Tribol. Let. 2016. Vol. 63. Issue 3. N 44. DOI: 10.1007/s11249-016-0729-0Vardanyan E. L., Ramazanov K. N., Nagimov R. S., et al. Properties of intermetallic TiAl based coatings deposited on ultrafine grained martensitic steel / Surf. Coat. Technol. 2020. Vol. 389. N 125657. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125657Vardanyan E. L., Ramazanov K. N., Nagimov R. S., et al. Properties of intermetallic TiAl based coatings deposited on ultrafine grained martensitic steel / Surf. Coat. Technol. 2020. Vol. 389. N 125657. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125657Ишков А. В., Аулов В. Ф., Кривочуров Н. Г. и др. Комбинированные упрочняющие покрытия для рабочих органов современных почвообрабатывающих орудий. — Барнаул, 2014.Ishkov A. V., Aulov V. F., Krivochurov N. G., et al. Combined hardening coatings for working bodies of modern tillage tools. — Barnaul, 2014 [in Russian].Реут О. П., Хина Б. Б., Саранцев В. В., Маркова Л. В. Применение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и электроискровой обработки для нанесения композиционных покрытий / Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 12. С. 49 – 56.Reut O. P., Khina B. B., Sarantsev V. V., Markova L. V. Application of self-propagating high-temperature synthesis and electric spark treatment for the application of composite coatings / Uprochn. Tekhnol. Pokryt. 2007. N 12. P. 49 – 56 [in Russian].Верхотуров А. Д., Иванов В. И., Дорохов А. С. и др. Влияние природы электродных материалов на эрозию и свойства легированного слоя. Критерии оценки эффективности электроискрового легирования / Вестник мордовского университета. 2018. Т. 28. № 3. С. 302 – 320.Verkhoturov A. D., Ivanov V. I., Dorokhov A. S., et al. Influence of the nature of electrode materials on erosion and properties of the alloyed layer. Criteria for evaluating the efficiency of electrospark alloying / Vestn. Mordov. Univ. 2018. Vol. 28. N 3. P. 302 – 320 [in Russian].Ivanov V. I., Konevtsov L. A., Verkhoturov A. D. Effect of the physicochemical properties of refractory compounds and hard alloys on their erosion in electric spark alloying / Surf. Eng. Appl. Electrochem. 2019. Vol. 55. N 3. DOI: 10.3103/S1068375519030165Ivanov V. I., Konevtsov L. A., Verkhoturov A. D. Effect of the physicochemical properties of refractory compounds and hard alloys on their erosion in electric spark alloying / Surf. Eng. Appl. Electrochem. 2019. Vol. 55. N 3. DOI: 10.3103/S1068375519030165Иванов В. И., Верхотуров А. Д., Коневцов Л. А. Методологические аспекты применения электроискрового легирования / Технический сервис машин. 2019. № 2(135). С. 158 – 169.Ivanov V. I., Verkhoturov A. D., Konevtsov L. A. Methodological aspects of using electrospark alloying / Tekhn. Servis Mashin. 2019. N 2(135). P. 158 – 169 [in Russian].Иванов В. И., Верхотуров А. Д., Коневцов Л. А. О методологии упрочнения и восстановления исполнительных поверхностей деталей машин, повышении эффективности и критериях оценки при ЭИЛ / Электронная обработка материалов. 2018. № 54(3). С. 7 – 14.Ivanov V. I., Verkhoturov A. D., Konevtsov L. A. On the methodology of hardening and restoration of the executive surfaces of machine parts, increasing the efficiency and evaluation criteria for ESA / Élektron. Obrab. Mater. 2018. Vol. 54(3). P. 7 – 14 [in Russian].Верхотуров А. Д., Иванов В. И., Коневцов Л. А. О влиянии физико-химических свойств чистых металлов на их эрозию при электроискровом легировании / Труды ГОСНИТИ. 2016. Т. 125. С. 202 – 215.Verkhoturov A. D., Ivanov V. I., Konevtsov L. A. On the influence of the physicochemical properties of pure metals on their erosion during electrospark alloying / Tr. GOSNITI. 2016. Vol. 125. P. 202 – 215 [in Russian].Богинский Л. С., Рудь В. Д., Заболотный О. В., Саранцев В. В. Развитие процессов сухого изостатического прессования (СИП) порошковых и проволочных уплотняемых материалов / Инженерная механика. 2007. № 20. С. 38 – 55.Boginsky L. S., Rud V. D., Zabolotny O. V., Sarancev V. V. Development of processes of dry isostatic pressing (SIP) of powder and wire compacted materials / Inzh. Mekh. 2007. N 20. P. 38 – 55 [in Russian].Мержанов А. Г. Процессы горения и синтез материалов. — Черноголовка: ИСМАН, 1998. — 512 с.Merzhanov A. G. Combustion Processes and Synthesis of Materials. — Chernogolovka: ISMAN, 1998. — 512 p. [in Russian].Столин А. М., Бажин П. М. Получение изделий многофункционального назначения из композитных и керамических материалов в режиме горения и высокотемпературного деформирования (СВС-экструзия) / Теоретические основы химической технологии. 2014. Т. 48. № 6. С. 1 – 13.Stolin A. M., Bazhin P. M. Manufacture of Multipurpose Composite and Ceramic Materials in the Combustion Regime and High-temperature Deformation (SHS Extrusion) / Theor. Found. Chem. Eng. 2014. Vol. 48. N 6. P. 751 – 763. DOI: 10.1134/S0040579514060104Stolin A. M., Bazhin P. M. SHS Extrusion: An Overview / Int. J. SHS. 2014. Vol. 23. N 2. DOI: 10.3103/S1061386214020113Stolin A. M., Bazhin P. M. SHS Extrusion: An Overview / Int. J. SHS. 2014. Vol. 23. N 2. DOI: 10.3103/S1061386214020113Кудряшов А. Е., Доронин О. Н., Левашов Е. А., Крахт В. Б. О применении СВС-электродных материалов для электроискрового упрочнения валков стана горячей прокатки / Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 1. С. 64 – 72.Kudryashov A. E., Doronin O. N., Levashov E. A., Krakht V. B. On the use of SHS-electrode materials for electric spark hardening of rolls of a hot rolling mill / Poroshk. Metallurg. Funkts. Pokryt. 2013. N 1. P. 64 – 72 [in Russian].Kudryashov A. E., Zamulaeva E. I., Vakaev P. V., et al. Features of Forming TiC, NiAl, TiAl based coatings in the process of thermoreactive electrospark strengthening / Non-ferrous Met. 2003. N 1. P. 73 – 79.Kudryashov A. E., Zamulaeva E. I., Vakaev P. V., et al. Features of Forming TiC, NiAl, TiAl based coatings in the process of thermoreactive electrospark strengthening / Non-ferrous Met. 2003. N 1. P. 73 – 79.Пантелеенко Ф. И., Саранцев В. В., Столин А. М. и др. Создание композиционных покрытий на основе карбида титана электроискровым легированием / Электронная обработка металлов. 2011. № 4. С. 106 – 115.Panteleenko F. I., Sarantsev V. V., Stolin A. M., et al. Creation of composite coatings based on titanium carbide by electrospark alloying / Élektron. Obrab. Met. 2011. N 4. P. 106 – 115 [in Russian].Лазаренко Б. Р., Лазаренко Н. И. Электрическая эрозия металлов. — М. – Л.: Госэнергоиздат, 1944. — 278 с.Lazarenko B. R., Lazarenko N. I. Electrical erosion of metals. — Moscow – Leningrad: Gosénergoizdat, 1944. — 278 p. [in Russian].Галинов И. В., Лубан Р. Б., Пеккер Л. С. О физических процессах в межэлектродном промежутке при электроискровом легировании металлов / Электронная обработка материалов. 1990. № 6. С. 11 – 13.Galinov I. V., Luban R. B., Pekker L. S. On physical processes in the interelectrode gap during electrospark alloying of metals / Élektron. Obrab. Mater. 1990. N 6. P. 11 – 13 [in Russian].Бажин П. М., Столин А. М., Чижиков А. П. и др. Структура, свойства и применение защитных металлокерамических покрытий, полученных электроискровым легированием и электродуговой наплавкой / Новые огнеупоры. 2016. № 8. С. 31 – 36.Bazhin P. M., Stolin A. M., Chizhikov A. P., et al. Structure, Properties, and Use of Protective Cermet Coatings Prepared by Electric-Spark Alloying and Electric-Arc Hardfacing / Refrac. Industr. Ceram. 2016. Vol. 57. N 4. DOI: 10.1007/s11148-016-9992-8Bazhin P. M., Chizhikov A. P., Leybo D. V., et al. The research of structure and mechanical properties of superhard electro-spark coatings for hardwearing mining tools / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 112. N 1. DOI: 10.1088/1757-899X/112/1/012021Bazhin P. M., Chizhikov A. P., Leybo D. V., et al. The research of structure and mechanical properties of superhard electro-spark coatings for hardwearing mining tools / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 112. N 1. DOI: 10.1088/1757-899X/112/1/012021Бажин П. М., Столин А. М., Зарипов Н. Г., Чижиков А. П. Электроискровые покрытия, полученные керамическими СВС-электродными материалами с наноразмерной структурой / Электронная обработка металлов. 2016. № 3. С. 1 – 8.Bazhin P. M., Stolin A. M., Zaripov N. G., Chizhikov A. P. Electrospark Coatings Produced by Ceramic Nanostructured SHS Electrode Materials / Surf. Eng. Appl. Electrochem. 2016. Vol. 52. N 3. DOI: 10.3103/S1068375516030030Стельмах Л. С., Столин А. М., Бажин П. М. Измельчение зеренной структуры материала TiC – Co в процессе СВС-экструзии / Неорганические материалы. 2020. Т. 56. № 7. С. 732 – 737.Stelmakh L. S., Stolin A. S., Bazhin P. M. Grain size reduction in a TiC – Co material during SHS extrusion / Inorg. Mater. 2020. Vol. 56. N 7. DOI: 10.1134/S0020168520070158Pazniak A., Bazhin P., Shchetininc I., et al. Dense Ti3AlC2 based materials obtained by SHS-extrusion and compression methods / Ceram. Int. 2019. Vol. 45. N 2. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.10.101Pazniak A., Bazhin P., Shchetininc I., et al. Dense Ti3AlC2 based materials obtained by SHS-extrusion and compression methods / Ceram. Int. 2019. Vol. 45. N 2. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.10.101Бажин П. М., Стельмах Л. С., Столин А. М. Влияние степени деформации на формирование МАХ-фазы в материалах на основе Ti – Al – C при СВС-экструзии / Неорганические материалы. 2019. Т. 55. № 3. С. 330 – 335. DOI: 10.1134/S0002337X19030059Bazhin P. M., Stelmakh L. S., Stolin A. M. Effect of Strain on the Formation of a MAX Phase in Ti – Al – C Materials during Self-Propagating High Temperature Synthesis and Extrusion / Inorg. Mater. 2019. Vol. 55. N 3. DOI: 10.1134/S0020168519030051Shishkina T. N., Podlesov V. V., Stolin A. M. Microstructure and properties of extruded SHS-materials / J. Eng. Phys. Thermophys. 1993. Vol. 63. P. 547 – 557.Shishkina T. N., Podlesov V. V., Stolin A. M. Microstructure and properties of extruded SHS-materials / J. Eng. Phys. Thermophys. 1993. Vol. 63. P. 547 – 557.Столин А. М., Бажин П. М., Алымов М. И. Получение наноструктурных композиционных керамических материалов и изделий в условиях сочетания процессов горения и высокотемпературного деформирования (СВС-экструзия) / Российские нанотехнологии. 2014. Т. 9. № 9 – 10. C. 1 – 13.Bazhin P. M., Stolin A. M., Alymov M. I. Preparation of Nanostructured Composite Ceramic Materials and Products under Conditions of a Combination of Combustion and High-temperature Deformation (SHS Extrusion) / Nanotechnol. Russ. 2014. Vol. 9. N 11 – 12. DOI: 10.1134/S1995078014060020Бажин П. М., Столин А. М., Баронин Г. С. и др. Увеличение ресурса работы ножей свеклоуборочного комбайна методом электроискрового легирования СВС-электродами / Материалы, технологии, инструменты. 2014. Т. 19. № 1. С. 82 – 86.Bazhin P. M., Stolin A. M., Baronin G. S., et al. Increasing the service life of the beet harvester knives by the method of electrospark alloying with SHS electrodes / Mater. Tekhnol. Instr. 2014. Vol. 19. N 1. P. 82 – 86 [in Russian].Sheveleva T. A., Verkhoturov A. D., Nikolenko S. V., et al. The effect of datolite concentrate dopants in electrode materials TiC – Ni – Mo onto the properties of steels surface layer following electric spark doping / Electr. Mat. Proc. 1991. N 1(157). P. 26 – 30.Sheveleva T. A., Verkhoturov A. D., Nikolenko S. V., et al. The effect of datolite concentrate dopants in electrode materials TiC-Ni-Mo onto the properties of steels surface layer following electric spark doping / Electr. Mat. Proc. 1991. N 1(157). P. 26 – 30.

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