Випуски $\rightarrow$ Том 24, випуск 2 (2023)

Алітування металевих поверхонь електроіскровим леґуванням

В. Б. Тарельник$^1$, О. П. Гапонова$^2$, Н. В. Тарельник$^1$, О. М. Мисливченко$^3$

$^1$Сумський національний аграрний університет, вул. Герасима Кондратьєва, 160, 40021 Суми, Україна
 $^2$Сумський державний університет, вул. Римського-Корсакова, 2, 40007 Суми, Україна
 $^3$Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, вул. Омеляна Пріцака, 3, 03142 Київ, Україна

Отримано 26.01.2023; остаточна версія — 31.05.2023 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Проаналізовано вплив параметрів електроіскрового леґування алюмінійовим електродом на якість (шерсткість, мікроструктуру покриття, його суцільність, фазовий склад і мікротвердість) алітованого шару, оцінено вплив методів фінішного оброблення після алітування, вивчено жаротривкість одержаних покриттів. Металографічний аналіз показав, що покриття складаються з трьох ділянок: «білого» шару, дифузійної зони й основного металу. Зі збільшенням енергії розряду зростають такі параметри якости поверхневого шару як товщина, мікротвердість «білого» шару та перехідної зони, шерсткість. Суцільність «білого» шару за енергії розряду Wp = 0,52 Дж є низькою (50–60%), з подальшим збільшенням енергії розряду зростає та за Wp = 6,8 Дж становить 100%. Збільшення енергії розряду під час електроіскрового леґування (ЕІЛ) приводить до змін хемічного та фазового складів шару: за низьких енергій розряду формується шар, що складається переважно з α-Fe й оксидів Алюмінію. Зі збільшенням Wp шар складається з інтерметалідів заліза й алюмінію, а також вільного алюмінію, що підтверджується даними локальної мікрорентґеноспектрального аналізу. Для практичного застосування можна рекомендувати процес алітування методом ЕІЛ з використанням режимів (енергія розряду в межах 4,6–6,8 Дж і продуктивність у 2,0–3,0 см2/хв), які забезпечують формування «білого» шару завтовшки у 70–130 мкм, мікротвердістю у 5000–7500 МПа, шорсткістю (Ra) у 6–9 мкм і суцільністю у 95–100%. З метою збільшення товщини алітованого шару рекомендовано на крицеву поверхню попередньо наносити консистентну речовину, що містить алюмінійову пудру і, не чекаючи її висихання, проводити ЕІЛ алюмінійовим електродом. Тоді суцільність покриття складає 100%, товщина шару — до 200 мкм, мікротвердість — 4500 МПа. У роботі представлено результати дослідження параметрів якости багатокомпонентних алюмінійвмісних покриттів систем Al–S, Al–C–S, Al–C–B. Заміна алюмінійового електроду на графітовий призводить до пониження товщини та суцільности «білого» шару, відповідно, до 50 мкм і 30%. У свою чергу, мікротвердість на поверхні підвищується до 9000 МПа. Додавання до консистентної речовини 0,7 Бору приводить до збільшення товщини та суцільности «білого» шару, відповідно, до 60 мкм і 70%. Мікротвердість на поверхні збільшується до 12000 МПа. З метою пониження шерсткости поверхневого шару задля одержання суцільних покриттів рекомендується проводити ЕІЛ алюмінійовим електродом, але на менших режимах.

Ключові слова: електроіскрове леґування, покриття, алітування, мікротвердість, суцільність, шерсткість, структура, рентґеноструктурний аналіз, рентґеноспектральний аналіз.

Citation: V. B. Tarelnyk, O. P. Gaponova, N. V. Tarelnyk, and O. M. Myslyvchenko, Aluminizing of Metal Surfaces by Electric-Spark Alloying, Progress in Physics of Metals, 24, No. 2: 282–318 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.02.282

Цитована література   
  1. V. Tarelnyk, V. Martsynkovskyy, О. Gaponova, Ie. Konoplianchenko, M. Dovzyk, N. Tarelnyk, and S. Gorovoy, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 233: 012049 (2017); https://doi.org/10.1088/1757­899X/233/1/012049
  2. V. Martsynkovskyy, V. Tarelnyk, V. Martsynkovskyy, Ie. Konoplianchenko, A. Zhukov, P. Kurp, P. Furmańczyk, and N. Tarelnyk, Electromachinihg-18: American Institute of Physics Conf. Proceedings (May 9–11, 2018, Bydgoszcz), p. 020017; https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5056280
  3. V. Tarelnyk, Ie. Konoplianchenko, V. Martsynkovskyy, A. Zhukov, and P. Kurp, Advances in Design, Simulation and Manufacturing. DSMIE-2018. Lecture Notes in Mechanical Engineering, (Cham: Springer: 2019), 382; https://doi.org/10.1007/978-3-319-93587-4_40
  4. V.B. Tarelnik, V.S. Martsinkovskii, and A.N. Zhukov, Chemical Petroleum Engineering, 53, Nos. 3–4: 266 (2017); https://doi.org/10.1007/s10556-017-0333-7
  5. V.B. Tarelnik, V.S. Martsinkovskii, and A.N. Zhukov, Chemical Petroleum Engineering, 53, Nos. 5–6: 385 (2017); https://doi.org/10.1007/s10556-017-0351-5
  6. T.V. Mosina, Novye Ogneupory (New Refractories), 9: 61 (2013) (in Russian); https://doi.org/10.17073/1683-4518-2013-9-61-64
  7. P. Rohatgi, JOM, 43: 10 (1991); https://doi.org/10.1007/BF03220538
  8. A. Zahorulko, C. Kundera, and S. Hudkov, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 233 (1): 012039 (2017); https://doi.org/10.1088/1757-899X/233/1/012039
  9. I.P. Shatskyi, V.V. Perepichka, and L.Ya. Ropyak, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 42, No. 1: 69 (2020) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/mfint.42.01.0069
  10. M.S. Storozhenko, A.P. Umanskii, A.E. Terentiev, and I.M. Zakiev, Powder Metall. Met. Ceram., 56, Nos. 1–2: 60 (2017); https://doi.org/10.1007/s11106-017-9847-y
  11. O. Umanskyi, M. Storozhenko, G. Baglyuk, O. Melnyk, V. Brazhevsky, O. Chernyshov, O. Terentiev, Yu. Gubin, O Kostenko, and I. Martsenyuk, Powder Metall. Met. Ceram., 59, Nos. 7–8: 434 (2020); https://doi.org/10.1007/s11106-020-00177-y
  12. M. Bembenek, P. Prysyazhnyuk, T. Shihab, R. Machnik, O. Ivanov, and L. Ropyak, Materials, 15, No. 14: 5074 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15145074
  13. B.O. Trembach, M.G. Sukov, V.A. Vynar, I.O. Trembach, V.V. Subbotina, O.Yu. Rebrov, O.M. Rebrova, and V.I. Zakiev, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 44, No. 4: 493 (2022); https://doi.org/10.15407/mfint.44.04.0493
  14. L. Ropyak, I. Schuliar, and O. Bohachenko, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1, No. 5 (79): 53 (2016) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.59850
  15. I. Ivasenko, V. Posuvailo, H. Veselivska, and V. Vynar, International Scientific and Technical Conference on Computer Sciences and Information Technologies, 2: 9321900 (2020); https://doi.org/10.1109/CSIT49958.2020.9321900
  16. M. Bembenek, M. Makoviichuk, I. Shatskyi, L. Ropyak, I. Pritula, L. Gryn, and V. Belyakovskyi, Sensors, 22, No. 21: 8105 (2022); https://doi.org/10.3390/s22218105
  17. М.М. Student, V.M. Dovhunyk V.M., Posuvailo, I.V. Koval’chuk, and V.M. Hvozdets’kyi, Materials Science, 53, No. 3: 359 (2017); https://doi.org/10.1007/s11003-017-0083-x
  18. O. Bazaluk, O. Dubei, L. Ropyak, M. Shovkoplias, T. Pryhorovska, and V. Lozynskyi, Energies, 15, No. 1: 83, (2022); https://doi.org/10.3390/en15010083
  19. M. Bembenek, T. Mandziy, I. Ivasenko, O. Berehulyak, R. Vorobel, Z. Slobodyan, and L. Ropyak, Sensors, 22, No. 19: 7600 (2022); https://doi.org/10.3390/s22197600
  20. F.A.P. Fernandes, S.C. Heck, R.G. Pereira, and A. Lombardi-Neto, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 40, No. 2: 175 (2010).
  21. Shu-Hung Yeh, Liu-Ho Chiu, and Heng Chang, Engineering, Scientific Research Publishing, 9, No. 3: 942 (2011).
  22. S. Ben Slima, Materials Sciences and Applications, Scientific Research Publishing, 9, No. 3: 640 (2012).
  23. V.R. Ryabov, Steel Aluminizing (Moskva: Metallurgiya: 1973), р. 240.
  24. M. Brochu, J.G. Portillo, J. Milligan, and D.W. Heard, The Open Surface Science Journal, 3: 105 (2011).
  25. I.G. Brodova, I.G. Shirinkina, and Yu. P. Zaikov, Physics of Metals and Metal Science, 116, No. 9: 928 (2015).
  26. V.F. Danenko, L.M. Gurevich, and G.V. Ponkratova, News of Volg GTU. [Problems of Material Science, Welding and Strength in Mechanical Engineering: Interuniversity. Collection of Scientific Articles], 10, No. 9 (136): 30 (2014).
  27. V.I. Muraviev, P.V. Bakhmatov, N.G. Lonchakov, and S.Z. Chinilov, Hardening Technologies and Coatings, No. 11: 25 (2013).
  28. M.A. Elizavetin, and E.A. Satel, Technological Ways to Improve the Durability of Machines (Moskva: Mashinostroenie: 1969), р. 400.
  29. V.I. Kuzmin, A.A. Mikhal’chenko, and O.B. Kovalev, Thermal Spray Technology, 21, No. 1: 159 (2012).
  30. A.D. Pogrebnjak, V.I. Ivashchenko, P.L Skrynskyy, O.V. Bondar, P. Konarski, K. Zaleski, S. Jurga, and E. Coy, Composites Part B-Engineering, 142: 85 (2018).
  31. A.D. Pogrebnjak, A.A. Bagdasaryan, P. Horodek, V. Tarelnyk, V.V. Buranich, H. Amekura, N. Okubo, N. Ishikawa, and V.M. Beresnev, Materials Letters, 303: 130548, (2021); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130548
  32. G. Morand, P. Chevallier, L. Bonilla-Gameros, S. Turgeon, M. Cloutier, M. Da Silva Pires, A. Sarkissian, M. Tatoulian, L. Houssiau, and D. Mantovani, Surface and Interface Analysis, 53, No. 7: 658 (2021); https://doi.org/10.1002/sia.6953
  33. G. Maistro, S. Kante, L. Nyborg, and Y. Cao, Surfaces and Interfaces, 24: 101093; https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101093
  34. V.G. Smelov, A.V. Sotov, and S.A. Kosirev, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 9, No. 10: 1854 (2014).
  35. B. Antoszewski, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 233 : 012036 (2017); https://doi.org/10.1088/1757-899X/233/1/012036
  36. I. Pliszka and N. Radek, Procedia Engineering, 192: 707 (2017); https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.06.122
  37. B. Tarelnyk, O.P. Gaponova, Ye.V. Konoplyanchenko, N.S. Yevtushenko, and V.O. Herasymenko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 40, No. 6: 795 (2018) (in Russian); https://doi.org/10.15407/mfint.40.06.0795
  38. D.N. Korotaev, Tekhnologicheskie Vozmozhnosti Formirovaniya Iznosostoikikh Nanostructur Ehlektroiskrovym Legirovaniem [Technological Possibilities of Wear-Resistant Nanostructure Formation by Electric-Spark Alloying] (Omsk: SibADI: 2009) (in Russian).
  39. A.D. Verkhoturov, Formirovanie Poverkhnostnogo Sloya Metallov pri Ehlektroiskrovom Legirovanii [Formation of the Metal Surface Layer by Electric-Spark Alloying] (Vladivostok: Dal’nauka: 1995) (in Russian).
  40. V.B. Tarelnyk, O.P. Gaponova, V.B. Loboda, E.V. Konoplyanchenko, V.S. Martsinkovskii, Yu.I. Semirnenko, N.V. Tarelnyk, M.A. Mikulina, and B.A. Sarzhanov, Surf. Engin. Appl. Electrochem, 57: 173 (2021); https://doi.org/10.3103/S1068375521020113
  41. V.B. Tarelnyk, A.V. Paustovskii, and Y.G Tkachenko, Electrode Materials for Composite and Multilayer Electrospark-Deposited Coatings from Ni–Cr and WC–Co Alloys and Metals. Powder Metall Met Ceram, 55: 585 (2017); https://doi.org/10.1007/s11106-017-9843-2
  42. V. Martsynkovskyy, V. Tarelnyk, I. Konoplianchenko, O. Gaponova, and M. Dumanchuk, Advances in Design, Simulation and Manufacturing II. DSMIE 2019. Lecture Notes in Mechanical Engineering (Cham: Springer: 2020); https://doi.org/10.1007/978-3-030-22365-6_22
  43. V.B. Tarel’nik, A.V. Paustovskii, Y.G. Tkachenko, V.S. Martsinkovskii, E.V. Konoplyanchenko, and B. Antoshevskii, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 53, No. 3: 285 (2017); https://doi.org/10.3103/S1068375517030140
  44. A.A. Ishchenko, Technological Bases the Restoration of Industrial Equipment with Modern Polymeric Materials (Mariupol: PSTU: 2007), р. 250.
  45. V.S. Martsynkovskyi, Sposib Obrobky Vkladyshiv Pidshypnykiv Kovzannia [The Method of Processing the Liners of Sliding Bearings]: Patent 77906 UA. IPC, B23Н1/00 (Bul. 1) (2007) (in Ukrainian).
  46. V.S. Martsynkovskyi, V.B. Tarelnyk, O.H. Pavlov, and A.O. Ishchenko, Sposib Vidnovlennia Znoshenykh Poverkhon Metalevykh Detalei (Varianty) [The Method of Restoration of Worn Surfaces of Metal Parts (Variants)]: Patent 104664 UA. (Bul. 4) (2014) (in Ukrainian).
  47. V.B. Tarel’nik, E.V. Konoplyanchenko, P.V. Kosenko, and V.S. Martsinkovskii, Chemical and Petroleum Engineering, 53, Nos. 7–8: 540 (2017); https://doi.org/10.1007/s10556-017-0378-7
  48. V. Dzyura, P. Maruschak, and O. Prentkovskis, Algorithms, 14, No. 2: 46 (2021); https://doi.org/10.3390/a14020046
  49. Yu.G. Schneider, Precision Engineering, 6, No. 4: 219 (1984); https://doi.org/10.1016/0141-6359(84)90007-2
  50. V. Martsinkovsky, V. Yurko, V. Tarelnik, and Yu. Filonenko, Procedia Engineering, 39: 148 (2012); https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.07.019
  51. V. Martsinkovsky, V. Yurko, V. Tarelnik, and Yu. Filonenko, Procedia Engineering, 39: 157 (2012); https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.07.020
  52. S.F. Vdovin, E.S. Makhnev, N.L. Mineeva, V.V. Tarasov, A.P. Andreev, Elektron. Obrab. Mater., No. 6: 15 (1988) (in Russian).
  53. S.M. Reshetnikov and S.F. Vdovin, Elektronnaya Obrabotka Materialov, 3: 33 (1977).
  54. A.V. Koval’, Surf. Engin. Appl. Electrochem., 58: 176 (2022); https://doi.org/10.3103/S1068375522020041
  55. S.A. Pyachin, A.A. Burkov, and V.S. Komarova, Journal of Surface Investigation X-Ray Synchrotron and Neutron Studies, 6: 16 (2013).
  56. V.B. Tarelnyk, V.S. Martsynkovskyi, O.P. Gaponova, Ye. Konoplianchenko, N.V. Tarelnyk, M.Yu. Dumanchuk, M.V. Honcharenko, B. Antoshevskyi, and Ch. Kundera, Sposib Obrobky Poverkhon Stalevykh Detalei [The Method of Processing the Surfaces of Steel Parts]: Patent 121346 UA. IPC B23H 1/06 (2006.01), B23H 9/00, C23C 12/02 (2006.01) (Bul. 9) (2020) (in Ukrainian).
  57. O. Gaponova, Cz. Kundera, G. Kirik, V. Tarelnyk, V. Martsynkovskyy, Ie. Konoplianchenko, M. Dovzhyk, A. Belous, and O. Vasilenko, Advances in Thin Films, Nanostructured Materials, and Coatings. Lecture Notes in Mechanical Engineering (Singapore: Springer: 2019); https://doi.org/10.1007/978-981-13-6133-3_25
  58. G.V. Kirik, O.P. Gaponova, V.B. Tarelnyk, O.M. Myslyvchenko, and B. Antoshevsky, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 56, Nos. 11–12: 688 (2018); https://doi.org/10.1007/s11106-018-9944-6
  59. V.B. Tarelnyk , O.P. Gaponova, and O.M. Myslyvchenko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 41, No. 10: 1377 (2019); https://doi.org/10.15407/ mfint.41.10.1377.
  60. O.A. Bannykh, P.B. Budberg, and S.P. Alisova, Diagrams of the State of Dual and Multicomponent Systems Based on Iron: Papers. (Moskva: Metallurgy: 1986), р. 440 (in Russian).
  61. Y.I. Mulyn and A.D. Verkhoturov, Electrospark Alloying of Working Surfaces of Tools and Machine Parts with Electrode Materials Obtained from Mineral Raw Materials (Vladivostok: Dal’nauka: 1999), р. 110 (in Russian).
  62. D.V. Mironov, V.M. Mironov, V.F. Mazanko, D.S. Gertsriken, and P.V. Peretyatku, Resource-Efficient Technologies, 3: 19 (2018); https://doi.org/10.18799/24056537/2018/3/199
  63. V.F. Mazanko, D.S. Hertsryken, and V.M. Myronov, International Conference ‘Interaction of Radiation with Solids’ (Sep. 23–25, 2015, Minsk), р. 240.
  64. V.B. Tarelnik, B. Antoshevsky, and V.S. Martsinkovsky et al., Cementation by Electroerosive Alloying (Sumy: University Book: 2015), р. 233 (in Ukrainian).
  65. V.S. Martsynkovskyi, V.B. Tarelnyk, and M.P. Bratushchak, Sposib Tsementatsii Stalevykh Detalei Elektroeroziinym Leguvanniam [Method for Carburizing of Steel Parts by Electroerosion Alloying], Patent 101715 UA. IPC 23N 9/00 (Bul., 8) (2013) (in Ukrainian).
  66. A.N. Minkevich, Chemical and Thermal Treatment of Metals and Alloys, (Moskva: Mashinostroyenie: 1965), p. 493 (in Russian).
  67. L.D. Plyatsuk, V.B. Tarelnyk, Cz. Kundera, O.V. Radionov, O.P. Gaponova. Journal of Engineering Sciences, 5, No. 1: 16 (2018). https://doi.org/10.21272/jes.2018.5(1).c4
  68. S.N. Khimukhin, Structure and Properties of Metals and Alloys under Electrospark Action (Khabarovsk: Pacific Publishing House. State University: 2015), p. 127 (in Russian).
  69. N.B. Stavitskaya and B.I. Stavitsky, Electronic Processing of Materials, 1: 9 (1980).
  70. L.S. Palatnik, DAN USSR, 89: 455 ( 1953).
  71. R. Johnson and G. Sheldon, Journal of Vacuum Science& Technology A, 4, No. 6: 2740 (1986).
  72. A.N. Ierusalimskaya, V.I. Samoilov, and P.I. Ulyakov, Structural Changes in Substance under the Influence of Laser Pulses of Light, 4: 26 (1968).
  73. V.B. Tarelnyk, E.V. Konoplyanchenko, O.P. Gaponova, and N.V. Tarelnik, Ensuring the Protection of the Surfaces of End Pulse Seals of Turbomachines by Forming Wear-Resistant Nanostructures: Monograph (Sumy: University Book: 2022), р. 252 (in Ukrainian).
  74. B. Antoszewski, O.P. Gaponova, V.B. Tarelnyk, O.M. Myslyvchenko, P. Kurp, T. Zhylenko, and Ie. Konoplianchenko, Materials, 14: 739 (2021); https://doi.org/10.3390/ma14040739

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,