Получение электрода из быстрорежущей стали с керамической добавкой MoSi2–MoB–HfB2 для электроискровой обработки штамповой стали

Получены электроды для электроискровой обработки (ЭИО) из горячепрессованных заготовок механически легированной порошковой смеси быстрорежущей стали марки Р6М5К5 с 40  %-ной  добавкой  жаростойкой  керамики  MoSi₂–MoB– HfB₂, полученной методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (электрод марки Р6М5К5-К), и без добавки (электрод Р6М5К5). Изучены состав и структура электродных материалов и сформированных из них покрытий. Определены особенности массопереноса горячепрессованных электродов на подложках из штамповой стали 5ХНМ при варьировании частотно-энергетических режимов обработки. Электрод Р6М5К5 состоит из матрицы на основе α-Fe, в которой растворены легирующие элементы, и нерастворенных частиц феррованадия, карбида вольфрама и молибдена. Электрод Р6М5К5-К содержит матрицу на основе α-Fe, бориды и карбид, а также оксид гафния. При использовании электрода Р6М5К5 наблюдался устойчивый привес на катоде за все 10 мин обработки. В случае электрода с добавкой керамики привес отмечался в первые 3 мин легирования. В результате ЭИО на поверхности стали 5ХНМ были сформированы покрытия толщиной до 22 и 50 мкм для Р6М5К5 и Р6М5К5-К соответственно.  Введение  СВС-керамики  способствовало  росту  шероховатости  (Ra)  поверхностных  слоев  с  6  до 13 мкм и твердости с 9,1 до 15,8 ГПа. Покрытие из электрода Р6М5К5 состояло из аустенита (γ-Fe) и характеризовалось высокой однородностью. Покрытие из электрода Р6М5К5-К представляло собой гетерогенную матрицу на основе кристаллического и аморфного железа, аморфной фазы на основе сплава Fe–B и дисперсных фаз HfO₂, HfSiO₄, Fe₃Si и Fe₃B. Высокотемпературными трибологическими испытаниями при температуре 500 °C на воздухе выявлено, что покрытия обладают коэффициентом трения 0,55–0,57 в паре с контртелом из стали AISI 440С, а введение добавки жаростойкой керамики способствовало увеличению износостойкости покрытия в 13,5 раза.

1. Straffelini G., Bizzotto G., Zanon V. Improving the wear resistance of tools for stamping. Wear. 2010;269(9-10): 693—697. https://doi.org/10.1016/j.wear.2010.07.004

2. Иванов В.И., Бурумкулов Ф.Х. Упрочнение и увеличение ресурса объектов электроискровым методом: классификация, особенности технологии. Электронная обработка материалов. 2010;5:27—36.

3. Иванов В.И. Повышение ресурса разделительных штампов путем упрочнения и восстановления их электроискровым легированием: Дис. … канд. техн. наук. Саранск: ВНИИТУВИД «Ремдеталь», 2000.

4. Гадалов В.Н., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е., Романенко Д.Н., Калинин А.А., Филатов Е.А., Макарова И.А., Ворначева И.В. Повышение надежности оснастки и инструмента штампового оборудования. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017;11(2):114—124.

5. Кудряшов А.Е., Левашов Е.А., Аксенов Л.Б., Петров В.М. Применение технологии электроискрового легирования и перспективных наноструктурированных электродных материалов для повышения стойкости штамповой оснастки. Металлург. 2010;8:44—50.

6. Tušek J., Kosec L., Lešnjak A., Muhič T. Electrospark deposition for die repair. Metalurgiya. 2012;51:17—20.

7. Kuptsov K.A., Sheveyko A.N., Sidorenko D.A., Shtansky D.V. Electro-spark deposition in vacuum using graphite electrode at different electrode polarities: Peculiarities of microstructure, electrochemical and tribological properties. Applied Surface Science. 2021;566:150722. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150722

8. Kuptsov K.A., Antonyuk M.N., Sheveyko A.N., Shtansky D.V. Hydrophobic, anti-ice, wear- and corrosion-resistant C—(Ti)—PTFE coatings on Ti obtained by electrospark deposition using PTFE-impregnated graphite electrode. Surface and Coatings Technology. 2023;465: 129621. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2023.129621

9. Кудряшов А.Е., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Муканов С.К., Петржик М.И., Левашов Е.А. Влияние электроискровой обработки электродами из циркония на структуру и свойства никельсодержащего сплава, полученного селективным лазерным сплавлением. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2022;3:63—77. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-3-63-77

10. Tarelnyk V.B., Paustovskii A.V., Tkachenko Y.G., Konoplianchenko E.V., Martsynkovskyi V.S., Antoszewski B. Electrode materials for composite and multilayer electrospark-deposited coatings from Ni—Cr and WC—Co alloys and metals. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2017;55:585—595. https://doi.org/10.1007/s11106-017-9843-2

11. Mukanov S.K., Baskov F.A., Petrzhik M.I., Levashov E.A. Electro-spark treatment with low-melting Al—Si and Al—Ca electrodes in order to improve wear and oxidation resistance of EP741NP alloy prepared by selective laser melting. Metallurgist. 2022;66:317—326. https://doi.org/10.1007/s11015-022-01331-0

12. Renna G., Leo P., Casalino G., Cerri E. Repairing 2024 aluminum alloy via electrospark deposition process: A feasibility study. Advances in Materials Science and Engineering. 2018:8563054. https://doi.org/10.1155/2018/8563054

13. Kandeva M., Kostadinov G., Penyashki T., Kamburov V., Petrzhik M., Elenov B., Nikolov A., Dimitrova R., Valkanov S. Abrasive wear resistance of electrospark coatings on titanium alloys. Tribology in Industry. 2022; 44:132—142. https://doi.org/10.24874/ti.1143.06.21.09

14. Kostadinov G., Danailov P., Dimitrova R., Kandeva M., Penyashki T., Kamburov V., Nikolov A., Elenov B. Surface topography and roughness parameters of electrospark coatings on titanium and nickel alloys. Applied Engineering Letters Journal of Engineering and Applied Sciences. 2021;6:89—98. https://doi.org/10.18485/aeletters.2021.6.3.1

15. Burkov A., Pyachin S. Investigation of WC—Co еlectrospark coatings with various carbon contents. Journal of Materials Engineering and Performance. 2014;23: 2034—2042. https://doi.org/10.1007/s11665-014-0974-z

16. Burkov A., Pyachin S. Formation of WC—Co coating by a novel technique of electrospark granules deposition. Materials & Design. 2015;80:109—115. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.05.008

17. Barile C., Casavola C., Pappalettera G., Renna G. Advancements in electrospark deposition (ESD) technique: A short review. Coatings. 2022;12:1536. https://doi.org/10.3390/coatings12101536

18. Kuz’min M.P., Chu P.K., Qasim A.M., Larionov L.M., Kuz’mina M.Yu., Kuz’min P.B. Obtaining of Al—Si foundry alloys using amorphous microsilica — Crystalline silicon production waste. Journal of Alloys and Compounds. 2019;806:806—813. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.07.312

19. Kuz’min M.P., Kuz’mina M.Yu., Kuz’min P.B. Possibilities and prospects for producing silumins with different silicon contents using amorphous microsilica. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2020;30(5):1406—1418. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(20)65306-7

20. Chengyong W., Xie Y., Zheng L., Qin Z., Tang D., Song Y. Research on the chip formation mechanism during the high-speed milling of hardened steel. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2014;79:31—48. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2014.01.002

21. Дворник М.И., Михайленко Е.А. Создание ультрамелкозернистого твердого сплава WC—15Co из порошка, полученного электроэрозионным диспергированием отходов сплава ВК15 в воде. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020;(3):4—16. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-3-4-16

22. Potanin A.Yu., Vorotilo S., Pogozhev Yu.S., Rupasov S.I., Lobova T.A., Levashov E.A. Influence of mechanical activation of reactive mixtures on the microstructure and properties of SHS-ceramics MoSi2—HfB2—MoB. Ceramics International. 2019;45(16):20354—20361. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.009

23. Zamulaeva E.I., Sheveyko A.N., Kaplanskii Y.Y., Levashov E.A. Structure formation and tribological properties of Mo—Si—B—Hf electrospark coatings based on Mo2Ni3Si laves phase. Materials. 2022;15(16):5613. https://doi.org/10.3390/ma15165613

24. Гитлевич А.Е., Михайлов В.В., Парканский Н.Я., Ревуцкий В.М. Электроискровое легирование металлических поверхностей. Кишинев: Штиинца, 1985. 196 с.

25. Nan Chen, Ren Luo, Huiwen Xiong, Zhiyou Li. Dense M2 high speed steel containing core-shell MC carbonitrides using high-energy ball milled M2/VN composite powders. Materials Science and Engineering: A. 2020:771(138628). https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138628

26. Верхотуров А.Д., Подчерняева И.А., Прядко Л.Ф., Егоров Ф.Ф. Электродные материалы для электроискрового легирования. М.: Наука, 1988. 200 с.

27. Huyan F., Larker R., Rubin P. Effect of solute silicon on the lattice parameter of ferrite in ductile irons. ISIJ International. 2014;54:248—250. https://doi.org/10.2355/isijinternational.54.248

28. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. В 3 т. Т. 2. Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1997. 1024 с.

29. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. В 3 т. Т. 3. Кн. 1. Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 2001. 872 с.

30. Ozden M.G., Morley N.A. Laser additive manufacturing of Fe-based magnetic amorphous alloys. Magnetochemistry. 2021;7:20. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry7020020

31. Fakoori Hasanabadi M., Malek Ghaini F., Ebrahimnia M., Shahverdi H.R. Production of amorphous and nanocrystalline iron based coatings by electro-spark deposition process. Surface and Coatings Technology. 2015;270:95—101. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.03.016

32. Hamaguchi T., Nakamura R., Asano K., Wada T., Suzuki T. Diffusion of boron in an amorphous ironboron alloy. Journal of Non-Crystalline Solids. 2023; 601:122070. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2022.122070