Formation and investigation of the properties of FeWCrMoBC metallic glass coatings on carbon steel

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. To obtain metallic glass coatings it is necessary to achieve high cooling rates of melt. FeWCrMoBC composition has high melt viscosity and sufficient glass-forming ability to fix of the amorphous state at cooling rates implemented by electric discharge alloying with the use of a crystalline electrode. The purpose of the work is one-stage deposition of amorphous coating by electric discharge alloying, using crystalline anode FeWCrMoBC, prepared by casting and studying the properties of modified surface of carbon steel: wettability, high-temperature resistance, tribological properties. Methods and Results. The structure of anode and coatings was investigated by X-ray diffraction analysis in CuKα radiation on a DRON-7 diffractometer. In contrast to the X-ray patterns of the anode material, sharp Bregg reflexes were not observed on the X-ray patterns of the coatings, but a wide halo was present in the range of angles 2? = 40–50°, which indicates its amorphous structure. The cyclic high-temperature resistance test was carried out at 700 °C for 100 hours. The wear rate and coefficient of friction of the specimens were studied under dry sliding friction at a speed of 0.47 m/s at a load of 25 N with the use of a counterbody made of high-speed steel M45. The influence of the discharge pulse duty cycle on the character of mass transfer (anode erosion, cathode weight gain, mass transfer coefficient) during coating formation was investigated. With a decrease in the duty cycle of the discharge pulses up to 9 times, the erosion of the anode increased up to 5 times, and the cathode mass gain increased up to 2.2 times. The maximum mass-transfer coefficient was achieved at the highest duty cycle. An increase in a number of surface properties of carbon steel after coating was observed: the hardness of the surface of the specimens increased by 2.3–2.6 times; the average thickness of the coatings was in the range of 56–80.6 µm; the wetting angle was in the range of 108.4–121.3°; the coefficient of friction decreased by 1.2–1.4 times; the wear resistance increased by 2–3.3 times; oxidizability in air decreased by 14–18 times. Scope and Conclusions. The achieved higher properties (hardness, wear resistance, high-temperature resistance, and hydrophobicity) of the executive surfaces of parts made of carbon steel after deposition of the proposed coatings can be used in various branches of engineering production. The results of the work confirmed the possibility of deposition of metallic glass coatings by electric discharge alloying with the use of cast anode material FeWCrMoBC on carbon steel.

About the authors

A. A. Burkov

Email: burkovalex@mail.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Federal State Budgetary Institution of Science Institute of Materials Science of the Khabarovsk Scientific Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 153 Tihookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, burkovalex@mail.ru

L. A. Konevts

Email: Konevts@narod.ru
Ph.D. (Engineering), Federal State Budgetary Institution of Science Institute of Materials Science of the Khabarovsk Scientific Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 153 Tihookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, Konevts@narod.ru

M. I. Dvornik

Email: Maxxxx80@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Federal State Budgetary Institution of Science Institute of Materials Science of the Khabarovsk Scientific Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 153 Tihookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, Maxxxx80@mail.ru

S. V. Nikolenko

Email: nikola1960@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Federal State Budgetary Institution of Science Institute of Materials Science of the Khabarovsk Scientific Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 153 Tihookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, nikola1960@mail.ru

M. A. Kulik

Email: marijka80@mail.ru
Federal State Budgetary Institution of Science Institute of Materials Science of the Khabarovsk Scientific Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 153 Tihookeanskaya st., Khabarovsk, 680042, Russian Federation, marijka80@mail.ru

References

  1. The effects of minor element addition on the structural heterogeneity and mechanical properties of ZrCuAl bulk metallic glasses / R. Sivaraman, In. Patra, M.N. Zainab, N.M. Hameed, T. Alawsi, S. Hashemi // Advances in Materials Science and Engineering. – 2022. – Vol. 2022. – Art. 6528470. – doi: 10.1155/2022/6528470.
  2. Effects of tungsten contents on the microstructure, mechanical and anticorrosion properties of Zr–W–Ti thin film metallic glasses / J.C. Chang, J.W. Lee, B.S. Lou, C.L. Li, J.P. Chu // Thin Solid Films. – 2015. – Vol. 584. – P. 253–256. – doi: 10.1016/j.tsf.2015.01.063.
  3. Effect of Mo on properties of the industrial Fe–B-alloy-derived Fe-based bulk metallic glasses / K. Zhu, W. Jiang, J. Wu, B. Zhang // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. – 2017. – Vol. 24. – P. 926–930. – doi: 10.1007/s12613-017-1479-1.
  4. Microstructure and magnetic properties in Fe61Co9-xZr8Mo5WxB17 (0 ≤ × ≤ 3) glasses and glass-matrix composites / W.M. Wang, W.X. Zhang, A. Gebert, C. Mickel, L. Schultz // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2009. – Vol. 40 (3). – P. 511–521. – doi: 10.1007/s11661-008-9706-z.
  5. Rapid degradation of azo dye by Fe-based metallic glass powder / J.Q. Wang, Y.H. Liu, M.W. Chen, G.Q. Xie, D.V. Louzguine-Luzgin, A. Inoue, J.H. Perepezko // Advanced Functional Materials. – 2012. – Vol. 22 (12). – P. 2567–2570. – doi: 10.1002/adfm.201103015.
  6. Efficient degradation of rhodamine B using Fe-based metallic glass catalyst by Fenton-like process / X. Wang, Y. Pan, Z. Zhu, J. Wu // Chemosphere. – 2014. – Vol. 117. – P. 638–643. – doi: 10.1016/j.chemosphere.2014.09.055.
  7. The effect of high-velocity oxy-fuel spraying parameters on microstructure, corrosion and wear resistance of Fe-based metallic glass coatings / H. Zhang, Y. Hu, G. Hou, Y. An, G. Liu // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2014. – Vol. 406. – P. 37–44. – doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2014.09.041.
  8. Effect of molybdenum, manganese and tungsten contents on the corrosion behavior and hardness of iron-based metallic glasses / Y. Wang, S.L. Jiang, Y.G. Zheng, W. Ke, W.H. Sun, J.Q. Wang // Materials and Corrosion. – 2014. – Vol. 65. – P. 733–741. – doi: 10.1002/maco.201206740.
  9. Fabrication, tribological and corrosion behaviors of detonation gun sprayed Fe-based metallic glass coating / H. Wu, X.-d. Lan, Y. Liu, F. Li, W.-d. Zhang, Z.-j. Chen, X.-f. Zai, H. Zeng // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2016. – Vol. 26 (6). – P. 1629–1637. – doi: 10.1016/S1003-6326(16)64271-1.
  10. Corrosion resistance of coating with Fe-based metallic glass powders fabricated by laser spraying / Y. Wang, G. Ouyang, L. Zhang, X. Wu, H. Zhang, S. Wang // Journal of Applied Sciences. – 2013. – Vol. 13 (9). – P. 1479–1483. – doi: 10.3923/jas.2013.1479.1483.
  11. Tuning apparent friction coefficient by controlled patterning bulk metallic glasses surfaces / N. Li, E. Xu, Z. Liu, X. Wang, L. Liu // Scientific Reports. – 2016. – Vol. 6 (1). – P. 39388. – doi: 10.1038/srep39388.
  12. Hitit A., Sahin H. The effect of iron content on glass forming ability and thermal stability of Co–Fe–Ni–Ta–Nb–B–Si bulk metallic glass // Metals. – 2017. – Vol. 7 (1). – P. 7. – doi: 10.3390/met7010007.
  13. Бурков А.А. Осаждение покрытий из металлического стекла электроискровой обработкой в среде гранул состава Fe39Ni8Cr7W7Mo7Co2C16B14 // Письма о материалах. – 2017. – Т. 7, № 3 (27). – С. 254–259. – doi: 10.22226/2410-3535-2017-3-254-259.
  14. Zohdi H., Shahverdi H.R., Hadavi S.M. Effect of Nb addition on corrosion behavior of Fe-based metallic glasses in Ringer's solution for biomedical applications // Electrochemistry Communications. – 2011. – Vol. 13 (8). – P. 840–843. – doi: 10.1016/j.elecom.2011.05.017.
  15. Glass-formation and corrosion properties of Fe–Cr–Mo–C–B glassy ribbons with low Cr content / M. Madinehei, P. Brun, M.J. Duarte, E. Pined, J. Klemm, F.U. Renner // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 615. – P. 128–S131. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.12.245.
  16. Corrosion resistant metallic glasses for biosensing applications / A. Sagasti, A.C. Lopes, A. Lasheras, V. Palomares, J. Carrizo, J. Gutierrez, J.M. Barandiaran // AIP Advances. Special Collection: 23rd Soft Magnetic Materials Conference. – 2018. – Vol. 8 (4). – P. 047702. – doi: 10.1063/1.4994108.
  17. In situ synthesis and characterization of Fe-based metallic glass coatings by electrospark deposition technique / A.A. Burkov, S.A. Pyachin, M.A. Ermakov, A.V. Syuy // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2017. – Vol. 26. – P. 901–908. – doi: 10.1007/s11665-016-2493-6.
  18. Optimizing process and the properties of the sprayed Fe-based metallic glassy coating by plasma spraying / C. Zhang, Z. Chu, F. Wei, W. Qin, Y. Yang, Y. Dong, D. Huang, L. Wang // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 319. – P. 1–5. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.03.063.
  19. Liu L., Zhang C. Fe-based amorphous coatings: Structures and properties // Thin Solid Films. – 2014. – Vol. 561. – P. 70–86. – doi: 10.1016/j.tsf.2013.08.029.
  20. Microstructure and corrosion properties of AlCoCrFeNi high entropy alloy coatings deposited on AISI 1045 steel by the electrospark process / Q.H. Li, T.M. Yue, Z.N. Guo, X. Lin // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2013. – Vol. 44A. – P. 1767–1778. – doi: 10.1088/2051-672X/ab411b.
  21. Материалогия покрытий титановых сплавов методами физикохимии и электроискрового легирования. В 2 ч. Ч. 2. ЭИЛ-покрытия / Б.А. Ляшенко, И.А. Подчерняева, Л.А. Коневцов, С.В. Коваленко, А.В. Каминский. – Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2020. – 347 с. – ISBN 978-5-7389-3025-6.
  22. Production of amorphous and nanocrystalline iron based coatings by electro-spark deposition process / M.F. Hasanabadi, F.M. Ghaini, M. Ebrahimnia, H.R. Shahverdi // Surface and Coatings Technology. – 2015. – Vol. 270. – P. 95–101. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2015.03.016.
  23. Emelyanenko A.M., Boinovich L.B. Analysis of wetting as an efficient method for studying the characteristics of coatings and surfaces and the processes that occur on them: a review // Inorganic Materials. – 2011. – Vol. 47 (15). – P. 1667–1675. – doi: 10.1134/S0020168511150064.
  24. Schuster J.M., Schvezov C.E., Rosenberger M.R. Analysis of the results of surface free energy measurement of Ti6Al4V by different methods // Procedia Materials Science. – 2015. – Vol. 8. – P. 732–741. – doi: 10.1016/j.mspro.2015.04.130.
  25. Comparative analysis of insulating properties of plasma and thermally grown alumina films on electrospark aluminide coated 9Cr steels / N.I. Jamnapara, S. Frangini, J. Alphonsa, N.L. Chauhan, S. Mukherjee // Surface and Coatings Technology. – 2015. – Vol. 266. – P. 146–150. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2015.02.028.
  26. Effect of spray powder particle size on the bionic hydrophobic structures and corrosion performance of Fe-based amorphous metallic coatings / Y.C. Li, W.W. Zhang, Y. Wang, X.Y. Zhang, L.L. Sun // Surface and Coatings Technology. – 2022. – Vol. 437. – P. 128377. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2022.128377.
  27. Effect of W addition on the glass forming ability and mechanical properties of Fe-based metallic glass / D.D. Liang, X.S. Wei, C.T. Chang, J.W. Li, X.M. Wang, J. Shen // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 731. – P. 1146–1150. – doi: 10.1016/j.jallcom.2017.10.104.
  28. Negussie A.T., Chu J.P., Diyatmik W., Lee C.M., Yu C., Shen Y.L., Hsueh C.H. Annealing-induced indentation recovery in thin film metallic glasses: Effects of indenter tip geometry, film thickness and film composition // Surface and Coatings Technology.– 2015. – Vol.261. – P. 350–355. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.10.068.
  29. Бурков А.А., Крутикова В.О. Осаждение аморфных упрочняющих покрытий электроискровой обработкой в смеси кристаллических гранул // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2019. – № 2. – С. 57–67. – doi: 10.17073/1997-308X-2019-2-57-67.
  30. Electrochemical and friction characteristics of metallic glass composites at the microstructural length-scales / A. Ayyagari, V. Hasannaeimi, H. Arora, S. Mukherjee // Scientific Reports. – 2018. – Vol. 8 (1). – P. 906. – doi: 10.1038/s41598-018-19488-7.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».