kaz44Вестник Университета Шакарима. Серия технические наукиBulletin of Shakarim University. Technical Sciences2788-79953006-0524«Шәкәрім университеті» КеАҚ10.53360/2788-7995-2025-3(19)-22kaz44-2237Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ И МЕХАНИКА (ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ)MECHANICAL ENGINEERING AND MECHANICS (ORIGINAL ARTICLE)ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ УПРОЧНЁННОЙ СТРУКТУРЫ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ЗАКАЛКЕPHYSICAL FOUNDATIONS OF THE FORMATION OF A STRENGTHENED STRUCTURE OF STRUCTURAL STEELS DURING ELECTROLYTIC-PLASMA HARDENINGКусаиновР. К.KussainovR. K.

Ринат Кенжеевич Кусаинов – руководитель Инжинирингового центра «Упрочняющиетехнологий и покрытия»

071412, Республика Казахстан, Семей, ул. Глинки 20а

Rinat Kussainov – Head of the Engineering Center «Strengthening Technologies and Coatings»

071412, Republic of Kazakhstan, Semey, Glinki Street 20a

rinat.k.kus@mail.ruШынарбекА. Б.ShynarbekA. B.

Айбек Бакытжанулы Шынарбек – научный сотрудник Инжинирингового центра «Упрочняющиетехнологий и покрытия»

071412, Республика Казахстан, Семей, ул. Глинки 20а

Aibek Shynarbek – Researcher at the Engineering Center «Strengthening Technologies and Coatings»

071412, Republic of Kazakhstan, Semey, Glinki Street 20a

aibeek-99@list.ruКурмангалиевР. Х.KurmangaliyevR. Kh.

Ринат Хамитулы Курмангалиев – младший научный сотрудник Инжинирингового центра «Упрочняющие технологии и покрытия»

071412, Республика Казахстан, Семей, ул. Глинки 20а

Rinat Kurmangaliyev – Junior Researcher at the Engineering Center «Strengthening Technologies and Coatings»

071412, Republic of Kazakhstan, Semey, Glinki Street 20a

rinat_real@rambler.ruКадырболатН. Е.KadyrbolatN. E.

Нұрлат Ерболұлы Қадырболат – студент группы ТЭ-201 Шәкәрім университет

071412, Республика Казахстан, Семей, ул. Глинки 20а

Nurlat Kadyrbolat – Student, group TE-201

071412, Republic of Kazakhstan, Semey, Glinki Street 20a

ersinnur44@gmail.comМусатаеваН. Е.MusatayevaN. E.

Назира Ержановна Мусатаева – студент группы Ф-302

071412, Республика Казахстан, Семей, ул. Глинки 20а

Nazira Musatayeva – Student, group F-302

071412, Republic of Kazakhstan, Semey, Glinki Street 20a

naziramusataeva51@gmail.comШәкәрім университетКазахстанShakarim UniversityKazakhstan20250311202503(19)203208Copyright © Кусаинов Р.К., Шынарбек А.Б., Курмангалиев Р.Х., Кадырболат Н.Е., Мусатаева Н.Е., 20252025Кусаинов Р.К., Шынарбек А.Б., Курмангалиев Р.Х., Кадырболат Н.Е., Мусатаева Н.Е.Kussainov R.K., Shynarbek A.B., Kurmangaliyev R.K., Kadyrbolat N.E., Musatayeva N.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tech.vestnik.shakarim.kz/jour/article/view/2237

В статье представлены результаты комплексного исследования влияния электролитно-плазменной закалки (ЭПЗ) на микроструктуру и механические свойства конструкционной стали марки Ст4. Данная сталь широко используется в тяжёлом машиностроении и железнодорожном транспорте, где детали эксплуатируются в условиях интенсивного износа и переменных нагрузок, что определяет актуальность разработки эффективных методов её упрочнения. Эксперименты проводились на образцах, вырезанных из бандажа железнодорожного колеса, что позволяет рассматривать полученные результаты как практически значимые. Обработка осуществлялась в электролите состава: 10 % карбамид + 20 % карбонат натрия + 70 % вода. Режим ЭПЗ включал напряжение 280 В, силу тока 40 А и продолжительность воздействия 9 секунд. Такой режим обеспечил высокоскоростной нагрев поверхностного слоя до аустенитного состояния с последующим мгновенным охлаждением в электролите. Исследования, выполненные методами сканирующей электронной микроскопии и металлографического анализа, показали, что после ЭПЗ в поверхностном слое толщиной 1,0-1,5 мм формируется характерная игольчатая структура мартенсита. Измерения микротвёрдости подтвердили значительный эффект упрочнения: показатель увеличился в четыре раза – с 200 HV до 800 HV. Существенный рост твёрдости сопровождался повышением износостойкости и трещиностойкости при сохранении пластичных свойств сердцевины материала. Полученные результаты демонстрируют высокую эффективность ЭПЗ как экологичного и энергосберегающего метода локальной термообработки, который может быть рекомендован для повышения эксплуатационной надёжности и долговечности ответственных деталей из конструкционной стали Ст4.

This article presents the results of a comprehensive study on the effect of electrolytic-plasma hardening (EPH) on the microstructure and mechanical properties of structural steel grade St4. This steel is widely used in heavy engineering and railway transport, where components operate under conditions of severe wear and variable loads, which highlights the relevance of developing effective strengthening methods. The experiments were carried out on specimens cut from a railway wheel rim, which makes the obtained results practically significant. The treatment was performed in an electrolyte consisting of 10% urea + 20% sodium carbonate + 70% water. The EPH regime included a voltage of 280 V, a current of 40 A, and a treatment duration of 9 seconds. This regime provided rapid heating of the surface layer to the austenitic state followed by instantaneous quenching in the electrolyte. Investigations carried out using scanning electron microscopy and metallographic analysis revealed that after EPH, the surface layer with a thickness of 1.0–1.5 mm consisted of a characteristic needle-shaped martensitic structure. Microhardness measurements confirmed a significant strengthening effect: the hardness increased fourfold from 200 HV to 800 HV. The substantial increase in hardness was accompanied by improved wear resistance and crack resistance, while maintaining the plastic properties of the material core. The obtained results demonstrate the high efficiency of EPH as an environmentally friendly and energy-saving local heat treatment method, which can be recommended to enhance the operational reliability and service life of critical components made of St4 structural steel.

электролитно-плазменная закалкасталь Ст4микроструктурамикротвёрдостьмартенситизносостойкостьelectrolytic-plasma hardeningSt4 steelmicrostructuremicrohardnessmartensitewear resistanceReferencesMarkov D.P. Introduction of Hardenability Assessment Standards for Improving the Quality of Low-Carbon Steel Products / D.P. Markov // Mechanical Equipment of Metallurgical Plants. – 2018. – № 2. – Р. 38-44.Markov D.P. Introduction of Hardenability Assessment Standards for Improving the Quality of Low-Carbon Steel Products / D.P. Markov // Mechanical Equipment of Metallurgical Plants. – 2018. – № 2. – Р. 38-44.Belkin P.N. Electrolytic-Plasma Cementation of Metals and Alloys / P.N. Belkin, S.A. Kusmanov // Electronic Material Processing. – 2020. – № 56(5). – Р. 40-74.Belkin P.N. Electrolytic-Plasma Cementation of Metals and Alloys / P.N. Belkin, S.A. Kusmanov // Electronic Material Processing. – 2020. – № 56(5). – Р. 40-74.Application of Electrolytic-Plasma Hardening for Improving the Properties of Machine Parts Made from Steel 45 / R.K. Kusainov et al // Shakarim University Bulletin. Series of Technical Sciences. – 2024. – № 3(15). – Р. 62-70.Application of Electrolytic-Plasma Hardening for Improving the Properties of Machine Parts Made from Steel 45 / R.K. Kusainov et al // Shakarim University Bulletin. Series of Technical Sciences. – 2024. – № 3(15). – Р. 62-70.Influence of Electrolytic-Plasma Hardening on the Tribological Properties of Steel 40KhN / A.B. Kenesbekov et al // Bulletin of the D. Serikbayev East Kazakhstan State Technical University. – 2018. – № 4. – Р. 144-151.Influence of Electrolytic-Plasma Hardening on the Tribological Properties of Steel 40KhN / A.B. Kenesbekov et al // Bulletin of the D. Serikbayev East Kazakhstan State Technical University. – 2018. – № 4. – Р. 144-151.Tribological Characteristics of Tool Steel After Electrolytic-Plasma Nitrocarburizing / L.А. Markina et al // In Rapidly Quenched Materials and Coatings. Proceedings of the XX International Scientific and Technical Conference. – 2023. – Р. 201). LitRes.Tribological Characteristics of Tool Steel After Electrolytic-Plasma Nitrocarburizing / L.А. Markina et al // In Rapidly Quenched Materials and Coatings. Proceedings of the XX International Scientific and Technical Conference. – 2023. – Р. 201). LitRes.Hardening and Alloying of Steel by Electrolytic-Plasma Treatment / A.D. Pogrebnjak et al. – 2003.Hardening and Alloying of Steel by Electrolytic-Plasma Treatment / A.D. Pogrebnjak et al. – 2003.Kombayev K.K. Innovations in Increasing the Microhardness of Drill Bit Steel by Electrolytic-Plasma Hardening / K.K. Kombayev, B.A. Toktar // Achievements of University Science. – 2018.Kombayev K.K. Innovations in Increasing the Microhardness of Drill Bit Steel by ElectrolyticPlasma Hardening / K.K. Kombayev, B.A. Toktar // Achievements of University Science. – 2018.Surface Modification of Steel 30KhGSA Using Electrolytic-Plasma Thermal Cycling Hardening / B.K. Rakhadilov et al // In New Materials and Technologies: Powder Metallurgy, Composite Materials, Protective Coatings, Welding. – 2022. – Р. 610-616.Surface Modification of Steel 30KhGSA Using Electrolytic-Plasma Thermal Cycling Hardening / B.K. Rakhadilov et al // In New Materials and Technologies: Powder Metallurgy, Composite Materials, Protective Coatings, Welding. – 2022. – Р. 610-616.Influence of Electrolytic-Plasma Surface Hardening on the Structure and Properties of Steel 40KhN / G.M. Toktarbayeva et al // Bulletin of the D. Serikbayev East Kazakhstan State Technical University. – 2020. – № 1. – Р. 199-204.Influence of Electrolytic-Plasma Surface Hardening on the Structure and Properties of Steel 40KhN / G.M. Toktarbayeva et al // Bulletin of the D. Serikbayev East Kazakhstan State Technical University. – 2020. – № 1. – Р. 199-204.Tribological Behavior of Steel 20 After Local Cementation by Jet Electrolytic-Plasma Heating / E.V. Sokova et al // Editorial Board. – № 250. – Р. 127.Tribological Behavior of Steel 20 After Local Cementation by Jet Electrolytic-Plasma Heating / E.V. Sokova et al // Editorial Board. – № 250. – Р. 127.Smyslova M.K. Influence of Electrolytic-Plasma Treatment on the Physicochemical State of the Surface and Mechanical Properties of Steam Turbine Blades Made from Steel 20Kh13 / M.K. Smyslova, D.R. Tamindarov, A.B. Samarkina // Aerospace Engineering and Technology. – 2011. – № 7. – Р. 25-28.Smyslova M.K. Influence of Electrolytic-Plasma Treatment on the Physicochemical State of the Surface and Mechanical Properties of Steam Turbine Blades Made from Steel 20Kh13 / M.K. Smyslova, D.R. Tamindarov, A.B. Samarkina // Aerospace Engineering and Technology. – 2011. – № 7. – Р. 25-28.Tabieva E.E. Influence of Surface Hardening on the Matrix Morphology and Phase Composition of Ferritic-Pearlitic Steel / E.E. Tabieva, N.A. Popova, E.L. Nikonenko // In Prospects for the Development of Fundamental Sciences: Proceedings of the XVII International Conference of Students, Postgraduates, and Young Scientists, Tomsk, April 21-24, 2020. – Vol. 1: Physics. – Р. 197-199.Tabieva E.E. Influence of Surface Hardening on the Matrix Morphology and Phase Composition of Ferritic-Pearlitic Steel / E.E. Tabieva, N.A. Popova, E.L. Nikonenko // In Prospects for the Development of Fundamental Sciences: Proceedings of the XVII International Conference of Students, Postgraduates, and Young Scientists, Tomsk, April 21-24, 2020. – Vol. 1: Physics. – Р. 197-199.Tyurin, Yu.N. Features of Electrolytic-Plasma Hardening (EPH). – 1999.Tyurin, Yu.N. Features of Electrolytic-Plasma Hardening (EPH). – 1999.Influence of Surface Hardening on Structural-Phase Transformations in Ferritic-Pearlitic Steel St2. In Physical Mesomechanics / N.A. Popova et al 88 Materials with Multilevel Hierarchically Organized Structure and Intelligent Production Technologies. – 2020. – Р. 228.Influence of Surface Hardening on Structural-Phase Transformations in Ferritic-Pearlitic Steel St2. In Physical Mesomechanics / N.A. Popova et al 88 Materials with Multilevel Hierarchically Organized Structure and Intelligent Production Technologies. – 2020. – Р. 228.Electrolytic-Plasma Treatment and Coating Deposition on Metals and Alloys / A.D. Pogrebnjak et al // Advances in Metal Physics. – 2005.Electrolytic-Plasma Treatment and Coating Deposition on Metals and Alloys / A.D. Pogrebnjak et al // Advances in Metal Physics. – 2005.Pogrebnjak A.D. Electrolytic-Plasma Technology for Coating Deposition and Treatment of Metals and Alloys / A.D. Pogrebnjak, A.Sh. Kaverina, M.K. Kylyshkanov // Surface Physics and Chemistry, Protection of Materials. – 2014. – № 50(1). – Р. 72-88.Pogrebnjak A.D. Electrolytic-Plasma Technology for Coating Deposition and Treatment of Metals and Alloys / A.D. Pogrebnjak, A.Sh. Kaverina, M.K. Kylyshkanov // Surface Physics and Chemistry, Protection of Materials. – 2014. – № 50(1). – Р. 72-88.Study of the Influence of Electrolytic-Plasma Treatment on the Structure and Wear Resistance of Drill Tool Steel / K. Erkin et al // International Innovation Research. – 2017. – Р. 49-56.Study of the Influence of Electrolytic-Plasma Treatment on the Structure and Wear Resistance of Drill Tool Steel / K. Erkin et al // International Innovation Research. – 2017. – Р. 49-56.Influence of Electrolyte Composition on the Microstructure, Phase Composition, and Operational Properties of Steel 45 After Electrolytic-Plasma Nitriding / Z.A. Satbayeva et al // Shakarim University Bulletin. Series of Technical Sciences. – 2024. – № 3(15). – Р. 405-414.Influence of Electrolyte Composition on the Microstructure, Phase Composition, and Operational Properties of Steel 45 After Electrolytic-Plasma Nitriding / Z.A. Satbayeva et al // Shakarim University Bulletin. Series of Technical Sciences. – 2024. – № 3(15). – Р. 405-414.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.