Наноструктурирование поверхностного слоя роликовых ножей для повышения их стойкости к изнашиванию и коррозии

В работе исследовались роликовые ножи из инструментальной стали Х12МФ с никель–медным покрытием, нанесённым с помощью диффузионного легировании и последующего интенсивного пла-стического деформирования (ИПД) с контактными напряжениями от 3,0 ГПа до 4,5 ГПа. Применя-лись методы: оптической и просвечивающей электронной микроскопии; рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализа. Проводились трибологические и коррозионные испытания, из-мерения микротвердости и шероховатости.

Показано, что после нанесения Ni–Cu покрытия и ИПД при напряжении 3,5 ГПа не только снижается коэффициент трения в 2 раза, износ в 2,1 раз, шероховатость поверхности ролика в 2,5 раза, по сравнению со сталью без покрытия, но и повышается нагрузка схватывания до 1400 Н. При этом в покрытии формируется дислокационная субструктура с минимальным размером областей когерентного рассеяния (ОКР) 23 нм и максимальной величиной микродеформации кристаллической решётки (МДР) 1,25 %, что свидетельствует о наличии больших упругих искажений кристаллической решётки. Поперечный размер дислокационных субзерен (мелкие области внутри кристаллических зёрен, разделённые малоугловыми границами, которые состоят из сеток дислокаций, образующихся при деформации и создающих внутреннюю субструктуру) (35—47 нм) уменьшился в 5 раз по сравнению с исходным состоянием (200—256 нм). В режиме высокого разрешения в структуре покрытия обнаружено присутствие преимущественно малоугловых границ, которые обладают большей диффузионной способностью для перераспределения легирующих элементов. Можно полагать, что хром из стали Х12МФ, находясь в твёрдом растворе, перераспределяется вдоль малоугловых дислокационных границ удлинённой полигонизованной наноструктуры. В покрытии увеличение концентрации Cr, по сравнению с исходным состоянием, приводит к повышению его относительной стойкости к износу и коррозии.

1. Ivanov E.K., Skotnikova M.A., and Krylov N.A. Structural Phase Changes in the Hardly Processed Materials as a Way of Increase of Wear Resistance of the Tool // Scientific and Technical Sheets SPBGPU. Science and Education. — 2012, no. 1, 41—52

2. Skotnikova M.A. and Krylov N.A. About the Nature of Dissipative Processes in Cutting Treatments of Titanium Vanes // Advances in Mechanical Engineering. — Springer International Publishing. — 2017, 115—123

3. Bobylev E.E., Storozhenko I.D., Matorin A.A., et al. Specific Features of the Formation of Ni–Cr Coatings Prepared by Diffusion Alloying from LowMelting Liquid-Metal Solutions // Russ. Metall. — 2024, 1841—1848

4. Mohammad Reza Najari, Seyed Abdolkarim Sajjadi, and Omid Ganji. Microstructural Evolution and Wear Properties of Chromium Carbide Coating Formed by Thermo-Reactive Diffusion (TRD) Process on a Cold-Work Tool Steel // Results in Surfaces and Interfaces. — 2022 (8), 100059

5. Maskavizan A.J., Quintana J.P., Dalibón E.L., et al. Evaluation of Wear and Corrosion Resistance in Acidic and Chloride Solutions of Cathodic Arc PVD Chromium Nitride Coatings on Untreated and Plasma Nitrided AISI 4140 Steel // Surface and Coatings Technology. — 2024 (494), no. 3, 131476

6. Fedrizzi L., Rossi S., Bellei F., et al. Wear-Corrosion Mechanism of Hard Chromium Coatings // Wear. — 2002 (253), no. 11/12, 1173—1181

7. Pryakhin E.I., Mikhailov A.V., and Sivenkov A.V. Technological Features of Surface Alloying of Metal Products with Cr–Ni complexes in the medium of Low-Melting Metal Melts // Ferrous Metals. — 2023, no. 2, 58–—66 (in Russian)

8. Yusuf Kayali and Afra Kenar. Effect of Diffusion Annealing on Wear and Cohesion Behaviours of Boronized AISI 1040 Steel // Tribology International. — 2023 (184), 108428

9. Jing Liang, Ye Liu, Sheng Yang, et al. Microstructure and Wear Resistance of Laser Cladding Ti-Al-Ni-Si Composite Coatings // Surface and Coatings Technology. — 2022 (445), 128727

10. Vikrant Singh, Anil Kumar Singla, and Anuj Bansal. Impact of HVOF Sprayed Vanadium Carbide (VC) Based Novel Coatings on Slurry Erosion Behavior of Hydro-Machinery SS316 Steel // Tribology International. — 2022 (176), 107874

11. Xiang Hou, Hao Wang, Qun Yang, et al. Microstructure and Properties of Cr-AlN Composite Coating Prepared by Pack-Cementation on the Surface of Al-Containing ODS Steel // Surface and Coatings Technology. — 2022 (447), 128842

12. Устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов: патент РФ № 2423546. Заявлено 08.12.2009.; Опубликовано 10.07.2011. — Бюл. № 19 / А.Г. Соколов, В.П. Артемьев, С.А. Шашерина

13. Способ формирования на поверхности стального изделия наноструктурированного слоя: патент РФ № 2413037. Заявлено 06.08.2009.; Опубликовано 27.02.2011. — Бюл. № 6 / А.Г. Соколов, С.А. Шашерина, В.П. Артемьев

14. Жмуркин С.Ю., Аверин И.А., Пронин И.А., Карманов А.А. Методика расчета размеров областей когерентного рассеяния в материалах с сильной деформацией кристаллической решетки // Вестник Пензенского государственного университета. — 2017 (17), № 3, 55—60

15. Малыгин Г.А. Влияние размера зерен на устойчивость микро и нанокристаллических металлов к локализации пластической деформации в виде шейки // Физика твердого тела. — 2011 (53), № 2, 341—345