Coatings properties Cr-Si-B-MgC2 in high conditions temperatures
Heat resistance, as well as friction and wear of composite coatings Cr–Si–B–MgC2 under conditions of elevated temperatures implemented in friction pairs, were investigated. The selection of the Cr–Si–B–MgC2 composition and its optimal composition for spraying wear-resistant coatings loaded with fric...
Gespeichert in:
| Datum: | 2022 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2022
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/571 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Institution
System Research in Energy| _version_ | 1871104071215087616 |
|---|---|
| author | Shchepetov , Vitalii Kovtun , Svitlana Kharchenko , Serhii |
| author_facet | Shchepetov , Vitalii Kovtun , Svitlana Kharchenko , Serhii |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Vitalii Shchepetov ",
"institution": null
},
{
"author": "Svitlana Kovtun ",
"institution": null
},
{
"author": "Serhii Kharchenko ",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Shchepetov , Vitalii |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:42Z |
| description | Heat resistance, as well as friction and wear of composite coatings Cr–Si–B–MgC2 under conditions of elevated temperatures implemented in friction pairs, were investigated. The selection of the Cr–Si–B–MgC2 composition and its optimal composition for spraying wear-resistant coatings loaded with friction at high temperatures are substantiated. Indicated the main influence on the properties, structure, and stability of heterogeneous coatings is exerted by alloying elements at certain concentrations, as well as technological parameters of coating application. It has been established that silicon and boron contribute to the formation of complex-alloyed high-temperature formations with increased wear resistance. The microhardness of coatings correction is realized due to the silicon percentage content, while the mechanical properties of the material are increased by additional doping with boron and magnesium carbide. The parameters of sputtering of coatings are also important, on which the formation of a heat-resistant layer directly depends. It was experimentally established that the ratio of consumption of acetylene and oxygen ~20/25 l/min ensures the stability of technological parameters of sputtering, homogeneity of the chemical composition and constancy of coating properties. At a load of up to 5.0 MPa, a sliding speed of up to 1.2 m/s and a temperature of up to 700С, the coatings of the Cr–Si–B–MgC2 system show stable structural adaptability, which ensures the minimization of friction and wear parameters. Metallographic analysis and profilography of the samples indicate that there are no visible damages on the friction surfaces, and individual sticking points are localized in thin film surface layers. It was established that the dependence of the microhardness of the surface structures on the temperature is monotonic, but jumps are also observed if polymorphic transformations or transformations of metastable states into more stable and stable ones during heating and cooling occur. Microhardness indicators are uniform because particles of inclusions and impurities are dissolved in the oxide structures, which significantly affect the microhardness, and therefore, the properties of oxides of both simple and complex compositions. |
| doi_str_mv | 10.15407/srenergy2022.01.046 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:16Z |
| format | Article |
| fulltext |
46
В. ЩЕПЕТОВ, С. КОВТУН, С. ХАРЧЕНКО
ISSN 2786-7102 (Online). Системні дослідження в енергетиці. 2022. 1(70)
ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ ТЕХНОЛОГІЇ,
МОНІТОРИНГ ТА ДІАГНОСТИКА В ЕНЕРГЕТИЦІ
ISSN 2786-7102 (Online). System Research in Energy. 2022. 1(70): 46–52
doi: https://doi.org/10.15407/srenergy2022.01.046
1. Вступ
Характерною особливістю більшості деталей
машин та механізмів об᾽єктів енергетики, які
працюють в умовах високих технологічних на-
вантажень, є необхідність збереження працездат-
ності при підвищених температурах. Серед ряду
показників експлуатаційних факторів темпера-
тура трибосполучень займає одне з основних
місць і є важливою характеристикою умов тертя,
а теплові процеси, що виникають при цьому, без-
посередньо впливають на формування фізико-хі-
мічних і механічних властивостей поверхневих
шарів.
Відповідно до сучасних положень науки
про тертя і зношування матеріалів, триботех-
нічні параметри, що характеризують контак-
тну взаємодію, визначають, головним чином,
стан і властивості поверхневих шарів. Тому в
загальному комплексі заходів, спрямованих
на розробку методів підвищення ефективнос-
ті експлуатації об᾽єктів енергетики, їх трибо-
фізичних систем та обладнання, важливого
значення набувають технології поверхневого
зміцнення.
УДК 629.083 Віталій Щепетов, д.т.н., проф., https://orcid.org/0000-0002-8352-8307
Світлана Kовтун, д.т.н., ст.досл., https://orcid.org/0000-0002-6596-3460
Сергій Харченко*, к.т.н., https://orcid.org/0000-0001-9808-7607
Інститут загальної енергетики НАН України, вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150, Україна;
e-mail: info@ienergy.kiev.ua
*Автор-кореспондент: nanoavia@ukr.net
ВЛАСТИВОСТІ ПОКРИТТІВ Cr–Si–B–MgC2 В УМОВАХ ПІДВИЩЕННИХ ТЕМПЕРАТУР
Анотація. Представлено результати дослідження жаростійкості, а також тертя і
зносу композиційних покриттів Cr–Si–B–MgC2, реалізованих в парах тертя, за умов
впливу підвищених температур. Обґрунтовано вибір композиції Cr–Si–B–MgC2 та її
оптимальний склад для напилення зносостійких покриттів, навантажених тертям в
умовах високих температур. Показано, що основний вплив на властивості, струк-
туру та стабільність гетерогенних покриттів мають легуючі елементи за певних кон-
центрацій, а також технологічні параметри нанесення покриттів. Встановлено, що
утворенню складно-легованих високотемпературних утворень, які мають підвище-
ний опір зносу, сприяють кремній та бор. Корегування мікротвердості покриттів ре-
алізується за рахунок відсоткового вмісту кремнію, при цьому механічні властивості
матеріалу підвищуються шляхом додаткового легування бором та карбідом магнію.
Важливим також є параметри напилення покриттів, від яких напряму залежить фор-
мування жарозносостійкого шару. Експериментально встановлено, що співвідно-
шення витрати ацетилену і кисню ~20/25 л/хв забезпечують стабільність технологіч-
них параметрів напилення, однорідність хімічного складу та сталість властивостей
покриттів. При навантаженні до 5,0 МПа, швидкості ковзання до 1,2 м/с і температурі
до 700 °С покриття системи Cr–Si–B–MgC2 виявляють стійку структурну пристосова-
ність, що забезпечує мінімізацію параметрів тертя і зношування. Металографічний
аналіз і профілографування зразків свідчать про те, що на поверхнях тертя відсутні
помітні пошкодження, а окремі точки схоплювання локалізуються в тонкоплівкових
поверхневих шарах. Встановлено, що залежність мікровердості поверхневих струк-
тур від температури монотонна, проте спостерігається і стрибкоподібність, якщо
відбуваються поліморфні перетворення або перетворення метастабільних станів на
більш стабільні та стійкі при нагріванні та охолодженні. Показники мікротвердості
рівномірні, тому що в оксидних структурах розчинені частинки вкраплень і домішок,
які істотно впливають на мікротвердість, а отже, на властивості оксидів як простого,
так і складного складів.
Ключові слова: захисні покриття, поверхневий шар, стійкість до окиснення, зносостій-
кість, жаростійкість.
© В. ЩЕПЕТОВ, С. KОВТУН, С. ХАРЧЕНКО, 2022
47
Властивості покриттів Cr–Si–B–MgC2 в умовах підвищенних температур
ISSN 2786-7102 (Online). System Research in Energy. 2022. 1(70)
При всьому різноманітті конструктивних
форм і функціональних особливостей трибо-
систем, вимога зносостійкості є загальною, та
визначає їх безвідмовність і довговічність. Од-
нак створення універсального покриття для за-
хисту машин і механізмів від зносу, особливо
в умовах підвищених температур, обмежено
тією ж проблемою, що і отримання зносостій-
кого монолітного матеріалу, який відповідав би
всім умовам, що реалізуються в практиці ма-
шинобудування. Загальний інтерес у цій галу-
зі нерозривно пов᾽язаний зі створенням нових
матеріалів, при розробці яких враховувалися б
техніко-економічні обмеження, зумовлені вимо-
гами виробництва, зокрема витрати дефіцитних
і дорогих компонентів.
Одним з сучасних технологічних методів,
що дозволяє наносити високоякісні покриття,
які значно підвищують ресурс роботи деталей
в умовах тертя при високих температурах, є де-
тонаційно-газове напилення. Однак широке за-
стосування детонаційних покриттів стримується
недостатнім обсягом інформації про їх триботех-
нічні можливості (особливо в умовах підвище-
них температур), відсутністю науково обґрунто-
ваних принципів їх оптимальної працездатності,
а також обмеженістю асортименту порошкових
матеріалів. Таким чином, розробка жарозносос-
тійких покриттів, що мінімізують параметри тер-
тя в умовах підвищених температур, є одним із
пріоритетних напрямків сучасного триботехніч-
ного матеріалознавства.
Мета роботи – узагальнити результати теоре-
тичних та прикладних досліджень трибостійкос-
ті жарозносостійких покриттів Cr–Si–B–MgC2,
призначених для захисту деталей машин, що
працюють за високотемпературного тертя.
2. Матеріали та методи
Досліджено закономірності тертя та зносу
покриттів системи Cr–Si–B–MgC2, отриманих
детонаційно-газовим методом із порошкових
матеріалів ресурсно-сировинної бази України
[1]. Покриття товщиною 0,25–0,30 мм із шор-
сткістю Ra = 0,55–0,35 наносили на модернізо-
ваній установці «Дніпро-3» на кільцеві зразки
зі сталі 45 (структура сорбіт-тростит). Випробу-
вання проводили на універсальній машині тер-
тя типу УМТ-2 при підвищених температурах
(V = 1,5 м/с, P = 5,0 МПа).
Рентгенофазовий аналіз покриттів здійсню-
вали за допомогою дифрактометра ДРОН-УМ1
в Co-випромінюванні (напруга 25 кВ, струм
15 мА). Структуру досліджували за допомо-
гою електронного сканувального мікроско-
па Camscan. Для хімічного аналізу вторинних
структур використали програму ZAF-4FLS.
Металографічне дослідження виконували на мі-
кроскопі МІМ-8 і мікротвердомірі ПМТ-3 при
навантаженні 0,5 Н. Температуру вимірювали
на відстані 1–2 мм від поверхні тертя хромель-
капелевими термопарами.
3. Результати та обговорення
Обґрунтований вибір компонентів компо-
зиції Cr–Si–B–MgC2 [2] відповідає основним
умовам сталого прояву структурної присто-
совності та мінімізації показників тертя. Ви-
бір оптимального складу покриттів передбачає
оцінку впливу компонентів на структуру та
властивості [3]. Вибір вихідної сировини по-
рошку хрому, що є сертифікованим матеріалом,
обумовлений можливістю його поетапного ле-
гування, особливо елементами з обмеженою
розчинністю [4, 5].
Варіювання вмісту кремнію та бору суттєво
впливає на гетерогенність та властивості по-
криттів. Максимальну мікротвердість мають по-
криття Cr–Si з вмістом кремнію ~25%, при цьому
механічні властивості отриманого матеріалу мо-
жуть підвищуватися шляхом додаткового легу-
вання бором, оптимальний вміст якого ~12% та
карбідом магнію ~10%. Введення кремнію, бору
та карбіду магнію, що входять у твердий роз-
чин хрому і зміцнюють його, сприяє утворенню
складнолегованих високотемпературних сполук,
зокрема карбідів, що викликають дисперсійне
твердіння, завдяки чому підвищується опір зно-
су внаслідок утворення зміцнювальних фаз з
високою термодинамічної стабільністю. Таким
чином, позитивний вплив на структуру і власти-
вості покриттів легуючі елементи надають лише
при певних концентраціях, знайдених експери-
ментально.
Висока якість багатокомпонентних покриттів
забезпечується технологічними параметрами на-
пилення. Була проведена серія експериментів,
в яких оцінено вплив співвідношення робочих
газів та ступеня заповнення стовбура газовою
сумішшю на експлуатаційні характеристики по-
криттів. Напилення при витратах робочих газів
(ацетилену та кисню) ~20/25 л/хв забезпечує
стабільність властивостей покриттів, відносна
щільність яких становить ~99%.
Дані мікрорентгеноспектрального аналізу по-
криттів Cr–Si–B–MgC2 дозволили класифікувати
структуру як тонкий конгломерат (>75% об᾽єму),
який складається із ультрадисперсних включень,
збагачених бором, та карбідів.
У таблиці показано зміну фізико-механічних
властивостей покриттів під час поетапного легу-
вання матеріалу основи.
48
В. ЩЕПЕТОВ, С. КОВТУН, С. ХАРЧЕНКО
ISSN 2786-7102 (Online). Системні дослідження в енергетиці. 2022. 1(70)
На характеристики покриттів основний вплив
мають структура та фазовий склад поверхневого
шару та поверхневі плівки, що утворюються при
терті. Отже, вивчення їх будови та властивостей
є сучасним аспектом фізичної трибології і пред-
ставляє важливе прикладне та наукове значення
для забезпечення сталого прояву нормальних ме-
ханохімічних процесів.
Результати випробувань з відповідною апрок-
симацією експериментальних даних, які підтвер-
джують функціональну залежність інтенсивнос-
ті зношування покриттів від температури побли-
зу поверхонь тертя, представлені на рис. 1.
Для отримання всебічної інформації додат-
ково використовували метод вторинно-іонної
мас-спектрометрії тонких поверхневих шарів, в
яких протікають процеси структурно-термічно-
го активування [6]. Цей метод дозволив проана-
лізувати зміну мікроструктури в тонких поверх-
невих шарах, встановити природу фаз, їх крис-
талічну структуру і параметри елементарної
комірки, необхідні для ідентифікації фаз і скла-
ду в межах області їх однорідності. При аналізі
реєстрували спектри позитивних вторинних іо-
нів в діапазоні від 0 до 100 а. Для підвищення
чутливості використовували динамічний режим
роботи [7].
Підтверджено, що поверхневі плівки, що
екранують адгезійну взаємодію в зоні трибокон-
такту, мають ультрадисперсну структуру і скла-
даються із суміші фаз композиційного покрит-
тя та продуктів їх взаємодії з киснем повітря.
За стехіометричним складом вони є складним
важкоактивованим комплексом у вигляді дріб-
нодисперсної суміші оксидів Cr2O3, SiO2, B2O3
і складних фаз типу силіцидо-оксидів CrSi2O4 і
хроматів SiCrО2, які перебувають в умовах кон-
тактних тисків і температур, що зумовлюють
термостійкі поверхневі структури [8, 9]. Таким
чином, формування вторинних структур обу-
мовлено фазовим та хімічним складом поверх-
невого шару, з мікротвердістю 10–21 ГПа (при
вихідній 15 ± 0,5 ГПа). Це пов᾽язано з впливом
механічних і теплових імпульсів, а також дифу-
зією легуючих елементів і атмосферного кис-
ню, що викликають фазові перетворення, пере-
розподілу структурних складових та зміни при
терті високодисперсної гетерогенної квазірів-
новажної зносостійкої структури. Слід зазначи-
ти, що за своєю будовою тонкоплівкові об᾽єкти
Таблиця. Фізико-механічні властивості покриттів
Склад Товщина, мм σв, ГПа σзг, ГПа σзч, ГПа Hμ, МПа
Cr–Si 0,25–0,30 0,65–0,72 550–630 50–68 6,0–8,5
Cr–Si–B 0,25–0,30 0,72–0,79 670–760 68–76 8,5–10,5
Cr–Si–B–MgC2 0,25–0,30 0,79–0,82 760–840 76–90 10,5–12,3
Рис. 1. Графіки залежностей інтенсивності зношування різних покриттів:
Cr–Si–B–MgC2 (1), Al2O3–Cr2O3 (2), Ni–Cr–Al–B (3), WC–Co (4)
49
Властивості покриттів Cr–Si–B–MgC2 в умовах підвищенних температур
ISSN 2786-7102 (Online). System Research in Energy. 2022. 1(70)
близькі до дисперсно-зміцненого композицій-
ного матеріалу. Як відомо, такі матеріали мають
унікальне поєднання високої пластичності та
міцності, які відрізняються високою стабільніс-
тю в часі [10, 11].
На рис. 2 представлено електронну фотогра-
фію поверхневої структури покриття. Характер
розподілу дисперсних включень орієнтований
у напрямку силових впливів при навантаженні
тертям, що є підтвердженням формування зно-
состійких поверхневих структур за механізмами
самоадаптації [12].
Металографічний аналіз зразків свідчать про
те, що на поверхні тертя відсутні помітні ушко-
дження, а окремі точки схоплювання, що вини-
кають за даних умов тертя, локалізуються в най-
тонших поверхневих шарах.
З енергетичної точки зору, дану трансфор-
мацію вторинних структур можна розглядати
як адекватні елементарні механізми адаптації
поверхневих шарів у процесі структурної при-
стосовуваності системи тертя. Так, з одного
боку, внаслідок статистичних закономірностей
фазоутворення, фрагментація вторинних струк-
тур на різних ділянках контактних поверхонь не
збігається, але їх адитивний розподіл являє со-
бою стійкий структурно-часовий стан, а з іншо-
го – формування структури поверхневого шару
не є змінним, а управляється мінімальними
принципами дисипативних процесів [13, 14].
З підвищенням температури комплекс по-
верхневих явищ інтенсифікується, що обумов-
лено спотворенням кристалічних решіток при
пластичній деформації за рахунок флуктуючих
напруг, що виникають при терті. Крім того, по-
ява точкових та багатовимірних дефектів акти-
вують трибохімічні реакції. У результаті при
досягненні критичної температури, яка для ви-
пробуваного покриття (рис. 1, крива 1) стано-
вить ~700 оС, набувають розвитку деструкційні
процеси, які зумовлюють перехід до неприпус-
тимих пошкоджень, з подальшим роззміцнен-
ням та можливим руйнуванням.
Тонкоплівковий конгломерат оксидних фаз, що
перешкоджає адгезійно-молекулярній взаємодії
контактних поверхонь, є складним об᾽єктом, інте-
гральні властивості якого, у свою чергу, залежать
від індивідуальних властивостей простих оксидів.
Мікротвердість оксидів компонентів, що входять
до складу покриття, та характер їхньої залежності
від температури представлені на рис. 3.
Мікротвердість оксиду хрому при підвищенні
температури монотонно знижується. При цьому
метастабільний оксид хрому CrO3 при темпе-
ратурі ~350–400 оС переходить у Cr2O3, про що
свідчить зміна мікротвердості. Утворення Cr2O3
супроводжується також зменшенням об᾽єму. Мі-
кротвердість ж термічно стійкого борного ангі-
дриду поступово знижується аж до температури
плавлення.
Мікротвердість поверхневих плівок, що є
оксидами подвійних сполук типу шпінелі, такі
як MgO–Cr2O3, MgO–SiO2, Cr2O3–SiO2 і Cr2O3–
B2O3, при підвищенні температури монотонно
зменшується; крім того, можна вважати, що
шпінелі схильні до утворення твердих розчинів
з простими оксидами дво- і тривалентних мета-
лів. Встановлено, що мікротвердість силікатів
Рис. 2. Ілюстрація електронно-мікроскопічної поверхні тертя покриття Cr–Si–B–MgC2
після випробування за температури 500 оС: ×20000
50
В. ЩЕПЕТОВ, С. КОВТУН, С. ХАРЧЕНКО
ISSN 2786-7102 (Online). Системні дослідження в енергетиці. 2022. 1(70)
магнію MgO–SiO2 зменшується при всіх темпе-
ратурах, якщо в них розчинений хром.
4. Висновки
Вивчено склад, структуру, трибо- та жаро-
стійкість покриттів Cr–Si–B–MgC2, отриманих
газотермічними методоми з елементів ресурсно-
сировинної бази України. Висока адгезія, фізико-
механічні характеристики, жаростійкість та опір
зносу таких покриттів при роботі в умовах підви-
щених температур відповідає аналогічним влас-
тивостям жароміцних високолегованих сплавів.
Оксидні структури, карбіди, що утворюються в
умовах високотемпературного зношування на по-
верхнях тертя детонаційних покриттів, залежно
від хімічного складу можуть перебувати в різних
станах. При підвищених температурах оксидні
структури переходять у більш стабільний стан,
що обумовлює зміну їх механічних властивостей.
Залежність мікротвердості поверхневих
структур від температури монотонна, проте
спостерігається і стрибкоподібність, якщо від-
буваються поліморфні перетворення або пере-
творення метастабільних станів на більш ста-
більні та стійкі при нагріванні та охолодженні.
Показники мікротвердості рівномірні, тому
що в оксидних структурах розчинені частинки
вкраплень і домішок, які істотно впливають на
мікротвердість, а отже, на властивості оксидів
як простого, так і складного складів.
Посилання
1. Композиційний зносостійкий матеріал: патент
125777 Україна.; Бабак В.П., Щепетов В.В., Хар-
ченко С.Д. та ін.; опубл. 01.06.2022, Бюл. № 22.
2. Becker, S., Schulz, K., Scherhaufer, D. et al.
Variations in strain aff ect friction and microstructure
evolution in copper under a reciprocating tribologi-
cal load. Journal of Materials Research. 2021. 36.
Р. 970—981.
3. Louda P., Sharko A., Stepanchikov D. Residual
Life of Metal Structures under Complex Dynamic De-
formation Stresses. Materials. 2021. 14. 2090. https://
doi.org/10.3390/ma14092090
4. Babak, V.P., Shchepetov, V.V., Nedaiborshch, S.D.
Wear resistance of nanocomposite coatings with dry
lubricant under vacuum. Naukovyi Visnyk Natsional-
noho Hirnychoho Universytetu. 2016, (1), nbuv.gov.
ua/UJRN/Nvngu_2016_1_9
5. Tokaruk V.V., Mikosianchyk О.О., Mnatsaka-
nov R.G., Rohozhyna N.O. Microgeometrical char-
acteristics of electrospark coatings in the initial
state. Problems of Tribology. 2020. Vol. 25, No 4/98.
Р. 33—39.
6. Babak V.P., Shchepetov V.V., Harchenko S.D.
Antifriction Nanocomposite Coatings that Con-
tain Magnesium Carbide. J. Journal of Friction and
Wear. 2019. 40(6). P. 593—598. doi.org/10.3103/
S1068366619060035.
7. Ткаченко Л.А., Шаулов А.Ю., Берлин А.А.
Защитные жаропрочные покрытия углеродных
материалов. Неорганические материалы. 2012.
Т. 48, № 3. С. 261—271.
8. Varvarov V.V. Analіz mehanіzmіv disipacії
zovnіshn’oї energії pri anomal’no niz’komu tertі ta
znoshuvannі. Molod’ і sіl’s’kogospodars’ka tehnіka u
HHІ storіchchі: HV Mіzhnar. forum molodі, Harkіv:
HNTUSG іm. Petra Vasilenka, 2019. Р. 11
9. Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Гаямов А.М.,
Матвеев П.В. Высокотемпературные жаростойкие
покрытия и жаростойкие слои для теплозащитных
покрытий. Авиационные материалы и технологии.
2013. № 1. С. 17—20.
Рис. 3. Графіки температурної залежності мікротвердості оксидних плівок компонентів,
що входять до складу покриття: 1 – B2O3; 2 – MgO–SiO2; 3 – Cr2O2–B2O3; 4 – MgO–Cr2O3;
5 – CrO; 6 – SiO2; 7 – Cr2O3–SiO2; 8 – Cr2O3
51
Властивості покриттів Cr–Si–B–MgC2 в умовах підвищенних температур
ISSN 2786-7102 (Online). System Research in Energy. 2022. 1(70)
10. Баньковская И.Б., Васильева И.А., Коловерт-
нов Д.В. Процессы окисления композиции кремний-
бор-борид циркония в интервале температур
1000–1300 °С. Физика и химия стекла. 2012.
Т. 38 (3). С. 409—416.
11. Agüero A., Muelas R., Pastor A., Osgerby S.
Long exposure steam oxidation testing and mechan-
ical properties of slurry aluminide coatings for steam
turbine components. Surface & Coatings Technology.
2005. No. 200. P. 1219—1224.
12. Борисов Ю.С., Борисова А.Л., Цымбалиста Т.В.,
Капорик Н.И., Васильковская М.А. Жаростойкие
газотермические покрытия на основе интерметал-
лида FeAlCr с добавкой CeO2. Автоматическая
сварка. 2019. № 9. С. 31—39.
13. Agüero A., Muelas R., Gutierrez M., Van Vulpen R.,
Osgerby S., Banks J.P. Cyclic oxidation and mechan-
ical behaviour of slurry aluminide coatings for steam
turbine components. Surface & Coatings Technology.
2007. No. 201. P. 6253—6260.
14. Malinovsky Yu.A., Danilina G.V., Datsenko S.Yu.
and other Quasi-static features of the formulation of de-
formation-wave problems during friction and wear. Met-
allurgical and mining industry. 2018. No. 3. P. 66—71.
COATINGS PROPERTIES Cr-Si-B-MgC2
IN HIGH TEMPERATURES CONDITIONS
Vitalii Shchepetov, Dr. Sci. (Engin.), Professor, https://orcid.org/0000-0002-8352-
8307
Svitlana Kovtun, Dr. Sci. (Engin.), Senior Researcher, https://orcid.org/0000-0002-
6596-3460
Serhii Kharchenko*, PhD (Engin.), https://orcid.org/0000-0001-9808-7607
Institute of General Energy on NAS of Ukraine, 172 Antonovycha Str., Kyiv, 03150,
Ukraine;
e-mail: info@ienergy.kiev.ua
*Corresponding author: nanoavia@ukr.net
Abstract. Heat resistance, as well as friction and wear of composite coatings Cr–Si–B–
MgC2 under conditions of elevated temperatures implemented in friction pairs, were
investigated. The selection of the Cr–Si–B–MgC2 composition and its optimal composi-
tion for spraying wear-resistant coatings loaded with friction at high temperatures are
substantiated. Indicated the main infl uence on the properties, structure, and stability
of heterogeneous coatings is exerted by alloying elements at certain concentrations,
as well as technological parameters of coating application. It has been established
that silicon and boron contribute to the formation of complex-alloyed high-temperature
formations with increased wear resistance. The microhardness of coatings correction
is realized due to the silicon percentage content, while the mechanical properties of the
material are increased by additional doping with boron and magnesium carbide. The
parameters of sputtering of coatings are also important, on which the formation of a
heat-resistant layer directly depends. It was experimentally established that the ratio of
consumption of acetylene and oxygen ~20/25 l/min ensures the stability of technologi-
cal parameters of sputtering, homogeneity of the chemical composition and constancy
of coating properties. At a load of up to 5.0 MPa, a sliding speed of up to 1.2 m/s and
a temperature of up to 700 °С, the coatings of the Cr–Si–B–MgC2 system show stable
structural adaptability, which ensures the minimization of friction and wear parame-
ters. Metallographic analysis and profi lography of the samples indicate that there are
no visible damages on the friction surfaces, and individual sticking points are localized
in thin fi lm surface layers. It was established that the dependence of the microhardness
of the surface structures on the temperature is monotonic, but jumps are also observed
if polymorphic transformations or transformations of metastable states into more sta-
ble and stable ones during heating and cooling occur. Microhardness indicators are
uniform because particles of inclusions and impurities are dissolved in the oxide struc-
tures, which signifi cantly aff ect the microhardness, and therefore, the properties of ox-
ides of both simple and complex compositions.
Keywords: protective coatings, surface layer, resistance to oxidation, wear resistance,
heat resistance.
52
В. ЩЕПЕТОВ, С. КОВТУН, С. ХАРЧЕНКО
ISSN 2786-7102 (Online). Системні дослідження в енергетиці. 2022. 1(70)
References
1. Composite wear-resistant material: Patent No.
125777 of Ukraine.; С22С 27/06; Babak V.P., Shchepe-
tov V.V., Kharchenko S.D. et al; Appl. from 01.06.2022;
Bul. No. 22 [in Ukrainian].
2. Becker, S., Schulz, K., Scherhaufer, D. et al. (2021).
Variations in strain aff ect friction and microstructure
evolution in copper under a reciprocating tribological
load. Journal of Materials Research, 36, 970–981.
3. Louda, P., Sharko, A., & Stepanchikov, D. (2021).
Residual Life of Metal Structures under Complex
Dynamic Deformation Stresses. Materials, 14, 2090.
https://doi.org/10.3390/ma14092090
4. Babak, V.P., Shchepetov, V.V., Nedaiborshch, S.D.
(2016). Wear resistance of nanocomposite coatings
with dry lubricant under vacuum. Naukovyi Visnyk
Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (1), nbuv.
gov.ua/UJRN/Nvngu_2016_1_9
5. Tokaruk, V.V., Mikosianchyk, О.О., Mnatsakanov, R.G.,
& Rohozhyna, N.O. (2020). Microgeometrical char-
acteristics of electrospark coatings in the initial state.
Problems of Tribology, Vol. 25, No 4/98, 33–39.
6. Babak, V.P., Shchepetov, V.V., Harchenko, S.D.
(2019). Antifriction Nanocomposite Coatings that
Contain Magnesium Carbide. J. Journal of Friction
and Wear, 40(6), 593–598. https://doi.org/10.3103/
S1068366619060035
7. Tkachenko, L.A., Shaulov, A.Yu., & Berlin, A.A.
(2012). Protective heat-resistant coatings of carbon
materials. Inorganic materials. Vol. 48, No. 3, 261–
271 [in Russian].
8. Varvarov, V.V. (2019). Analіz mehanіzmіv di-
sipacії zovnіshn’oї energії pri anomal’no niz’komu
tertі ta znoshuvannі. Molod’ і sіl’s’kogospodars’ka
tehnіka u HHІ storіchchі: HV Mіzhnar. forum molodі,
Harkіv: HNTUSG іm. Petra Vasilenka, Р. 11
9. Mubojajian, S.A., Budinovsky, S.A., Gayamov, A.M.,
& Matveev, P.V. (2013). High-temperature heat-resis-
tant coatings and heat-resistant layers for heat-protec-
tive coatings. Aviation materials and technologies, 1,
17–20 [in Russian].
10. Bankovskaya, I.B., Vasilieva, I.A., & Kolovert-
nov, D.V. (2012). Oxidation processes of the sili-
con-boron-zirconium composition in the temperature
range 1000–1300 °С. Physics and chemistry of glass,
38 (3), 409–416 [in Russian].
11. Agüero, A., Muelas, R., Pastor, A., & Osgerby, S.
(2005). Long exposure steam oxidation testing and
mechanical properties of slurry aluminide coatings for
steam turbine components. Surface & Coatings Tech-
nology, 200, 1219–1224.
12. Borisov, Y.S., Borisova, A.L., Tsymbalista, T.V.,
Kaporik, N.I., & Vasilkovskaya, M.A. (2019).
Heat-resistant gas-thermal coatings based on FeAlCr
intermetallic with the addition of CeO2. Automatic
welding, 9, 31–39.
13. Agüero, A., Muelas, R., Gutierrez, M., Van, Vul-
pen R., Osgerby, S., & Banks, J.P. (2007). Cyclic ox-
idation and mechanical behaviour of slurry aluminide
coatings for steam turbine components. Surface &
Coatings Technology, 201, 6253–6260.
14. Malinovsky, Yu.A., Danilina, G.V., Datsenko, S.Yu.
et al. (2018). Quasi-static features of the formulation of
deformation-wave problems during friction and wear.
Metallurgical and mining industry, 3, 66–71.
Надійшла до редколегії: 07.09.2022
|
| id | systemreorg-article-571 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:18:16Z |
| publishDate | 2022 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/c5/463a9516c3b3d7fa7d35de8fa40a50c5.pdf |
| spelling | systemreorg-article-5712026-07-18T12:57:42Z Coatings properties Cr-Si-B-MgC2 in high conditions temperatures Властивості покриттів Cr–Si–B–MgC2 в умовах підвищенних температур Shchepetov , Vitalii Kovtun , Svitlana Kharchenko , Serhii protective coatings, surface layer, resistance to oxidation, wear resistance, heat resistance захисні покриття, поверхневий шар, стійкість до окиснення, зносостійкість, жаростійкість Heat resistance, as well as friction and wear of composite coatings Cr–Si–B–MgC2 under conditions of elevated temperatures implemented in friction pairs, were investigated. The selection of the Cr–Si–B–MgC2 composition and its optimal composition for spraying wear-resistant coatings loaded with friction at high temperatures are substantiated. Indicated the main influence on the properties, structure, and stability of heterogeneous coatings is exerted by alloying elements at certain concentrations, as well as technological parameters of coating application. It has been established that silicon and boron contribute to the formation of complex-alloyed high-temperature formations with increased wear resistance. The microhardness of coatings correction is realized due to the silicon percentage content, while the mechanical properties of the material are increased by additional doping with boron and magnesium carbide. The parameters of sputtering of coatings are also important, on which the formation of a heat-resistant layer directly depends. It was experimentally established that the ratio of consumption of acetylene and oxygen ~20/25 l/min ensures the stability of technological parameters of sputtering, homogeneity of the chemical composition and constancy of coating properties. At a load of up to 5.0 MPa, a sliding speed of up to 1.2 m/s and a temperature of up to 700С, the coatings of the Cr–Si–B–MgC2 system show stable structural adaptability, which ensures the minimization of friction and wear parameters. Metallographic analysis and profilography of the samples indicate that there are no visible damages on the friction surfaces, and individual sticking points are localized in thin film surface layers. It was established that the dependence of the microhardness of the surface structures on the temperature is monotonic, but jumps are also observed if polymorphic transformations or transformations of metastable states into more stable and stable ones during heating and cooling occur. Microhardness indicators are uniform because particles of inclusions and impurities are dissolved in the oxide structures, which significantly affect the microhardness, and therefore, the properties of oxides of both simple and complex compositions. Представлено результати дослідження жаростійкості, а також тертя і зносу композиційних покриттів Cr–Si–B–MgC2, реалізованих в парах тертя, за умов впливу підвищених температур. Обґрунтовано вибір композиції Cr–Si–B–MgC2 та її оптимальний склад для напилення зносостійких покриттів, навантажених тертям в умовах високих температур. Показано, що основний вплив на властивості, структуру та стабільність гетерогенних покриттів мають легуючі елементи за певних концентрацій, а також технологічні параметри нанесення покриттів. Встановлено, що утворенню складно-легованих високотемпературних утворень, які мають підвищений опір зносу сприяють кремній та бор. Корегування мікротвердості покриттів реалізується за рахунок відсоткового вмісту кремнію, при цьому механічні властивості матеріалу підвищуються шляхом додаткового легування бором та карбідом магнію. Важливим також є параметри напилення покриттів, від яких напряму залежить формування жарозносостійкого шару. Експериментально встановлено що співвідношення витрати ацетилену і кисню ~20/25 л/хв забезпечують стабільність технологічних параметрів напилення, однорідність хімічного складу та сталість властивостей покриттів. При навантаженні до 5,0 МПа, швидкості ковзання до 1,2 м/с і температурі до 700С покриття системи Cr–Si–B–MgC2 виявляють стійку структурну пристосованість, що забезпечує мінімізацію параметрів тертя і зношування. Металографічний аналіз і профілографування зразків свідчать про те, що на поверхнях тертя відсутні помітні пошкодження, а окремі точки схоплювання локалізуються в тонкоплівкових поверхневих шарах. Встановлено, що залежність мікровердості поверхневих структур від температури монотонна, проте спостерігається і стрибкоподібність, якщо відбуваються поліморфні перетворення або перетворення метастабільних станів на більш стабільні та стійкі при нагріванні та охолодженні. Показники мікротвердості рівномірні, тому що в оксидних структурах розчинені частинки вкраплень і домішок, які істотно впливають на мікротвердість, а отже, на властивості оксидів як простого, так і складного складів. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2022-10-19 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/571 10.15407/srenergy2022.01.046 System Research in Energy; No. 1 (70) (2022): System Research in Energy; 46-52 Системні дослідження в енергетиці; № 1 (70) (2022): Системні дослідження в енергетиці; 46-52 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/571/500 Copyright (c) 2022 Vitalii Shchepetov , Svitlana Kovtun , Serhii Kharchenko https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | protective coatings surface layer resistance to oxidation wear resistance heat resistance Shchepetov , Vitalii Kovtun , Svitlana Kharchenko , Serhii Coatings properties Cr-Si-B-MgC2 in high conditions temperatures |
| title | Coatings properties Cr-Si-B-MgC2 in high conditions temperatures |
| title_alt | Властивості покриттів Cr–Si–B–MgC2 в умовах підвищенних температур |
| title_full | Coatings properties Cr-Si-B-MgC2 in high conditions temperatures |
| title_fullStr | Coatings properties Cr-Si-B-MgC2 in high conditions temperatures |
| title_full_unstemmed | Coatings properties Cr-Si-B-MgC2 in high conditions temperatures |
| title_short | Coatings properties Cr-Si-B-MgC2 in high conditions temperatures |
| title_sort | coatings properties cr-si-b-mgc2 in high conditions temperatures |
| topic | protective coatings surface layer resistance to oxidation wear resistance heat resistance |
| topic_facet | protective coatings surface layer resistance to oxidation wear resistance heat resistance захисні покриття поверхневий шар стійкість до окиснення зносостійкість жаростійкість |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/571 |
| work_keys_str_mv | AT shchepetovvitalii coatingspropertiescrsibmgc2inhighconditionstemperatures AT kovtunsvitlana coatingspropertiescrsibmgc2inhighconditionstemperatures AT kharchenkoserhii coatingspropertiescrsibmgc2inhighconditionstemperatures AT shchepetovvitalii vlastivostípokrittívcrsibmgc2vumovahpídviŝennihtemperatur AT kovtunsvitlana vlastivostípokrittívcrsibmgc2vumovahpídviŝennihtemperatur AT kharchenkoserhii vlastivostípokrittívcrsibmgc2vumovahpídviŝennihtemperatur |