cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2018-3-68-83cvmet-776Research ArticleМеталловедение и термическая обработкаPhysical Metallurgy and Heat TreatmentОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ СМЕСЕЙ ПОРОШКОВ КАРБИДА ХРОМА С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СВЯЗКОЙ ВЗРЫВНЫМ ПРЕССОВАНИЕМFUNDAMENTALS OF WEAR-RESISTANT COATING PRODUCTION FROM CHROMIUM CARBIDE POWDER MIXTURE WITH BINDER METAL BY EXPLOSIVE COMPACTIONКрохалевА. В.KrokhalevA. V.

Доктор технических наук, декан факультета технологии конструкционных материалов 

400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28

Dr. Sci. (Tech.), dean of Structural materials technology faculty 

400005, Russia, Volgograd, Lenina ave., 28

kroch@vstu.ruХарламовВ. О.KharlamovV. O.

Кандидат технических наук, ведущий инженер Центра коллективного пользования «Физико-химические методы исследования» 

400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28

Cand. Sci. (Tech.), lead engineer of Shared Equipment Center

400005, Russia, Volgograd, Lenina ave., 28

harlamov_vo@mail.ruКузьминС. В.KuzminS. V.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», проректор 

400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28

Dr. Sci. (Tech.), prof., Department of welding equipment and technology, vice-rector 

400005, Russia, Volgograd, Lenina ave., 28

weld@vstu.ruЛысакВ. И.LysakV. I.

Доктор технических наук, академик РАН, профессор, зав. кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», ректор ВолгГТУ 

400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28

Dr. Sci. (Tech.), prof., acad. of RAS, head of the Department «Equipment and technology of welding production», rector of VSTU 

400005, Russia, Volgograd, Lenina ave., 28

lysak@vstu.ruВолгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ)РоссияVolgograd State Technical UniversityRussian Federation201814062018036883Copyright © Крохалев А.В., Харламов В.О., Кузьмин С.В., Лысак В.И., 20182018Крохалев А.В., Харламов В.О., Кузьмин С.В., Лысак В.И.Krokhalev A.V., Kharlamov V.O., Kuzmin S.V., Lysak V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/776

Представлены экспериментальные данные по взрывному компактированию смесей порошков карбида хрома (Cr3C2) с металлами (Ti, Ni, Cu), даны их теоретические объяснения и на этой основе сформированы научно-обоснованные принципы подбора состава и разработки технологии получения взрывом износостойких антифрикционных карбидохромовых твердых сплавов и покрытий. Прессование порошковых смесей взрывом осуществляли по схеме с использованием плоской, нормально падающей детонационной волны в широком диапазоне параметров нагружения (температуру разогрева порошка в ударных волнах изменяли в опытах от 200 до 1000 °С, а максимальное давление ударно-волнового сжатия – от 4 до 16 ГПа). Для анализа фазовых превращений проводили численное термодинамическое моделирование равновесия фаз с применением программного комплекса «Thermo-Calc». Микроструктуру, химический и фазовый составы исследовали с помощью оптического («Axiovert 40МАТ», Carl Zeiss, Германия), растровых («Versa 3D» и «Quanta 3D FEG» – компания FEI, США), просвечивающих (BS 540 (Tesla, Чехия), «Titan 80-300» и «Tecnai G2 20F» (FEI, США)) электронных микроскопов и атомно-силового микроскопа «Solver Pro» (ООО «НТ-МДТ», г. Зеленоград). Температурную устойчивость и стойкость к окислению при повышенных температурах полученных взрывом материалов изучали посредством термогравиметрического анализа на приборе «STA 449 F3 Jupiter» (NETZSCH, Германия) в среде синтетического воздуха при нагреве до1500 °C. Триботехнические испытания проводили на машине трения МИ-1M (МЭЗИМиВ, г. Москва) по схеме «штифт–кольцо» с врезанием в среде дистиллированной воды. Описаны механизмы уплотнения и формирования прочных границ между частицами порошковых материалов при взрывном прессовании. Показано, что твердые сплавы карбида хрома с титановой связкой, полученные взрывом, сохраняют неизменным свой фазовый состав и не окисляются до температуры 600 °С, а также имеют значительно лучшие антифрикционные свойства и износостойкость, чем применяющиеся до настоящего времени в парах трения, смазываемых водой, материалы СГП-0,5 и КХН-20.

The article presents experimental data on explosive compaction of chromium carbide (Cr3C2) powder mixtures with metals (Ti, Ni, Cu) provided with theoretical explanations. These data were used as a basis for stating science-based principles of composition selection and technology development to produce antifriction wear-resistant chromium carbide hard alloys and coatings by explosion. Explosive compaction of powder mixtures was carried out according to a scheme using a normally incident plane detonation wave in a wide range of loading parameters (powder heating temperature in shock waves varied from 200 to1000 °Cand maximum shock compression pressure varied from 4 to 16 GPa during experiments). Phase transformation analysis was carried out by the numerical thermodynamic modeling of phase equilibrium using the Thermo-Calc software. Microstructure, chemical and phase compositions were studied using optical («Axiovert 40МАТ» by CarlZeiss,Germany), scanning («Versa 3D» and «Quanta 3D FEG» byFEI,USA), transmission («BS 540» byTesla,Czech Republic, «Titan 80-300» and «Tecnai G2 20F» byFEI,USA) electron microscopes and «Solver Pro» atomic force microscope (LLC «NT-MDT», Zelenograd). Temperature stability and oxidation resistance at elevated temperatures of the materials obtained by explosion was studied using thermogravimetric analysis (TGA) using the «STA 449 F3 Jupiter» instrument (NETZSCH, Germany) in the synthetic air environment when heated to1500 °C. Tribological tests were carried out on the MI-1M friction machine (MEZIMiV,Moscow) according to the pin-on-ring scheme with plunging in distilled water environment. The mechanisms of consolidation and formation of strong boundaries between powder material particles during explosive compaction are described. It is shown that hard alloys of chromium carbide with titanium bond obtained by explosion retain their phase compositions without any changes and resist to oxidation up to600 °C, and also have significantly better anti-friction properties and wear resistance than the SGP-0,5 and KHN-20 materials used in water-lubricated friction couples until the present time.

твердый сплавкарбид хроматитанвзрывное прессование порошковфазовые превращенияантифрикционный материалhard alloychromium carbidetitaniumexplosive powder compactionphase transformationsantifriction materialРоссийский научный фонд (проект № 18-19-00518)ReferencesZum Gahr K.H. Microstructure and wear of materials. Vol. 10. Amsterdam: Elsevier, 1987.Zum Gahr K.H. Microstructure and wear of materials. Vol. 10. Amsterdam: Elsevier, 1987.Wang D.-Y., Weng K.-W., Chang C.-L., Ho W.-Y. Synthesis of Cr3C2 coatings for tribological applications // Surf. Coat. Technol. 1999. No. 120—121. P. 622—628.Wang D.-Y., Weng K.-W., Chang C.-L., Ho W.-Y. Synthesis of Cr3C2 coatings for tribological applications. Surf. Coat. Technol. 1999. No. 120—121. P. 622—628.Li J.-F., Huang J.-Q., Zhang Y.-F., Ding C.-X. Tribological properties of plasma-sprayed coatings under waterlubricated sliding // J. Inorg. Mater. 1998. No. 13. P. 519—520.Li J.-F., Huang J.-Q., Zhang Y.-F., Ding C.-X. Tribological properties of plasma-sprayed coatings under waterlubricated sliding. J. Inorg. Mater. 1998. No. 13. P. 519— 520.Krokhalev A.V., Kharlamov V.O., Lysak V.I., Kuz’min S.V. Friction and wear on hard alloy coatings of the Cr3C2—Ti system over silicified graphite in water // J. Mater. Sci. 2017. Vol. 52. Iss. 17. P. 10261—10272.Krokhalev A.V., Kharlamov V.O., Lysak V.I., Kuz’min S.V. Friction and wear on hard alloy coatings of the Cr3C2—Ti system over silicified graphite in water. J. Mater. Sci. 2017. Vol. 52. Iss. 17. P. 10261—10272.Groover M.P. Fundamentals of modern manufacturing: Materials, processes and systems. 4th ed. Danvers: John Wiley & Sons, Inc., 2010.Groover M.P. Fundamentals of modern manufacturing: Materials, processes and systems. 4th ed. Danvers: John Wiley & Sons, Inc., 2010.Альтшулер Л.В., Трунин Р.Ф., Урлин В.Д., Фортов В.Е., Фунтиков А.И. Развитие в России динамических методов исследований высоких давлений // Успехи физ. наук. 1999. Т. 169. No. 3. C. 323—344.Al’tshuler L.V., Trunin R.F., Urlin V.D., Fortov V.E., Funtikov A.I. Razvitie v Rossii dinamicheskikh metodov issledovanii vysokikh davlenii [Development of high-pressure dynamical measurement techniques in Russia]. Uspekhi fizicheskikh nauk. 1999. Vol. 169. No. 3. P. 323—344.Рогозин В.Д. Взрывная обработка порошковых материалов. Волгоград: ВолгГТУ, 2002.Rogozin V.D. Vzryvnaya obrabotka poroshkovykh materialov [Explosive treatment of powders materials]. Volgograd: VolgGTU, 2002.Pruemmer R.A., Balakrishna Blat T., Siva Kumar K., Hokamoto K. Explosive compaction of powders and composites. Science Publishers, 2006.Pruemmer R.A., Balakrishna Blat T., Siva Kumar K., Hokamoto K. Explosive compaction of powders and composites. Science Publishers, 2006.Лысак В.И., Крохалев А.В., Кузьмин С.В., Рогозин В.Д., Каунов А.М. Прессование порошков взрывом. М.: Машиностроение, 2015.Lysak V.I., Krokhalev A.V., Kuz’min S.V., Rogozin V.D., Kaunov A.M. Pressovanie poroshkov vzryvom [Explosive pressing of powders]. Moscow : Mashinostroenie, 2015.Meyers M. Shock waves: equations of state, in dynamic behavior of materials. N.Y.: John Wiley and Sons, Inc., 1994.Meyers M. Shock waves: equations of state, in dynamic behavior of materials. N.Y.: John Wiley and Sons, Inc., 1994.Lee S.H., Hokamoto K. WC/Co coating on a mild steel substrate through underwater shock compaction using a self combustible material layer // Mater. Trans. 2007. Vol. 48. No. 1. P. 80—83.Lee S.H., Hokamoto K. WC/Co coating on a mild steel substrate through underwater shock compaction using a self combustible material layer. Mater. Trans. 2007. Vol. 48. No. 1. P. 80—83.Яковлев И.В., Оголихин В.М., Шемелин С.Д. Взрывное изготовление металлокерамических защитных контейнеров // Вестн. Перм. нац. иссл. политехн. ун-та. Машиностроение, материаловедение. 2012. T. 14. C. 55—60.Yakovlev I.V., Ogolikhin V.M., Shemelin S.D. Vzryvnoe izgotovlenie metallokeramicheskikh zashchitnykh konteinerov [Explosive manufacture of metal-ceramic protective containers]. Vestnik Permskogo natsional’nogo issledovatel’skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie. 2012. Vol. 14. P. 55—60.Buzyurkin A.E., Kraus E.I., Lukyanov Ya.L. Explosive compaction of WC + Co mixture by axisymmetric scheme // J. Phys.: Conf. Ser. 2015. Vol. 653. No. 1. P. 012036.Buzyurkin A.E., Kraus E.I., Lukyanov Ya.L. Explosive compaction of WC + Co mixture by axisymmetric scheme. J. Phys.: Conf. Ser. 2015. Vol. 653. No. 1. P. 012036.Бондарь М.П., Нестеренко В.Ф. Деформации на контактах и критерии образования соединения при импульсных воздействиях // Физика горения и взрыва. 1991. Т. 27. No. 3. C. 103—117.Bondar’ M.P., Nesterenko V.F. Deformatsii na kontaktakh i kriterii obrazovaniya soedineniya pri impul’snykh vozdeistviyakh [Deformations on contacts and criteria for the formation of a compound under impulse influences]. Fizika goreniya i vzryva. 1991. Vol. 27. No. 3. P. 103—117.Staver А.М. Metallurgical effects under shock compression of powder materials // Shock waves and high-strain-rate phenomena in metals. Concepts and applications / Eds. M.A. Meyers, L.E. Murr. N.Y.; London: Plenum Press, 1981. Р. 865—880.Staver А.М. Metallurgical effects under shock compression of powder materials. In: Shock waves and high-strainrate phenomena in metals. Concepts and applications. Eds. M.A. Meyers, L.E. Murr. N.Y.; London: Plenum Press, 1981. Р. 865—880.Бондарь М.П. Компактирование взрывом: тип микроструктуры контактных границ, созданный при образовании прочной связи // Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40. No. 4. С. 131—140.Bondar’ M.P. Kompaktirovanie vzryvom: tip mikrostruktury kontaktnykh granits, sozdannyi pri obrazovanii prochnoi svyazi [Blast compacting: the type of contact boundary microstructure created in the formation of a strong bond]. Fizika goreniya i vzryva. 2004. Vol. 40. No. 4. P. 131—140.Бондарь М.П., Ободовский Е.С., Псахье С.Г. Изучение особенностей микроструктуры зоны контактного взаимодействия частиц порошков при динамическом прессовании // Физ. мезомеханика. 2004. Т. 7. No. 3. С. 17—23.Bondar’ M.P., Obodovskii E.S., Psakh’e S.G. Izuchenie osobennostei mikrostruktury zony kontaktnogo vzaimodeistviya chastits poroshkov pri dinamicheskom pressovanii [The study of the microstructure of the contact zone of powder particles during dynamic pressing]. Fizicheskaya mezomekhanika. 2004. Vol. 7. No. 3. P. 17—23.Лысак В.И., Кузьмин С.В. Сварка взрывом. М.: Машиностроение, 2005.Lysak V.I., Kuz’min S.V. Svarka vzryvom [Explosion welding]. Мoscow: Mashinostroenie, 2005.Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. М.: Металлургия, 1976.Karakozov E.S. Soedinenie metallov v tverdoi faze [Metals in the solid phase]. Мoscow: Metallurgia, 1976.Красулин Ю.Л., Назаров Г.3. Микросварка давлением. М.: Металлургия, 1976.Krasulin Yu.L. Nazarov G.Z. Mikrosvarka davleniem [Pressure microwelding]. Moscow: Metallurgia, 1976.Крохалев А.В., Авдеюк О.А., Приходьков К.В., Савкин А.Н., Кузьмин С.В., Лысак В.И. Технология взрывного плакирования заготовок твердыми сплавами // Вестн. машиностроения. 2013. No. 11. C. 45—48.Krokhalev A.V., Avdeyuk O.A., Prikhod’kov K.V., Savkin A.N., Kuz’min S.V., Lysak V.I. Explosive coating with hard alloys. Russ. Eng. Res. 2014. No. 34. P. 85—88.Kaunov A.M., Bukin V.M. Explosive application of coatings // Sov. Powder Metall. Met. Ceram. 1984. Vol. 23. No. 1. P. 42—45.Kaunov A.M., Bukin V.M. Explosive application of coatings. Sov. Powder Metall. Met. Ceram. 1984. Vol. 23. No. 1. P. 42—45.

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