ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ И МЕХАНО ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

В работе представлено исследование влияния режимов электролитно-плазменной цементации (ЭПЦ) на структурные, фазовые, микротвердость и трибологические характеристики конструкционных сталей. Электролитно-плазменная цементация проводилась в водном растворе, содержащем 10 % кальцинированной соды (Na₂CO₃) и 20 % карбамида (CO(NH₂)₂), при температуре около 950 °C и напряжении 300 В. Были реализованы два режима охлаждения после ЭПЦ для стали 20: естественное охлаждение в электролите и активное сопловое охлаждение с подачей электролита в зону обработки, а для стали 30ХГСА только естественное охлаждение в электролите. Исследование морфологии структуры и фазового состава проводилось с использованием рентгенодифракционного анализа, сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, оптической микроскопии. По результатам которых установлено, что микроструктура сталей после ЭПЦ морфологически имеет зональную структуру с основной мартенситной фазой с карбидными Fe₃C, Fe₇C₃ включениями. Профиль микротвёрдости определяли по сечению модифицированного слоя с использованием прибора FISCHERSCOPE HM2000. Трибологические испытания выполнялись по схеме «шар-диск» на установке TRB3 в условиях сухого трения при нормальной нагрузке 10 Н и скорости скольжения 0,05 м/с. Установлено, что активное охлаждение способствует формированию более твёрдой мартенситной структуры с максимальными значениями микротвёрдости до 430 HV у стали 20 и до 720 HV у стали 30ХГСА, а их исходные микротвёрдости 170 HV и ~250 HV соответственно. Также было установлено, что коэффициент трения у этих сталей снижается в среднем на 2530 % по сравнению с исходными образцами. Полученные результаты подтверждают эффективность ЭПЦ в формировании упрочнённых слоёв с повышенной микротвёрдостью с улучшенным трибологическим параметром и демонстрируют потенциал метода для применения в производстве деталей, работающих в условиях высоких механических и фрикционных нагрузок.

1. Study of the current state and technological capabilities of the method of electrolytic-plasma chemical-thermal treatment of steels / L.G. Sulyubaeva et al // Bulletin of the NNC RK. – 2023. – Vol. 3. – P. 182-191. https://doi.org/10.52676/1729-7885-2023-3-182-191.

2. Pogrebnyak A.D. Electrolytic-plasma technology for coating and processing metals and alloys / A.D. Pogrebnyak, A.Sh. Kaverina, M.K. Kylyshkanov // Surface physical chemistry and protection of materials. – 2014. – Vol. 50, № 1. – P. 72-88.

3. Modification of the surface of 30KhGSA steel using electrolyte-plasma thermal cyclic hardening / B.K. Rakhadilov et al // NEW MATERIALS AND TECHNOLOGIES: POWDER METALLURGY, COMPOSITE MATERIALS, PROTECTIVE COATINGS, WELDING. – 2022. – P. 610-616.

4. Kulikov I., Vaschenko S., Kamenev A. Electrolyte-plasma treatment of materials. – Litres, 2022.

5. Analysis of thermal phenomena during jet focused electrolytic-plasma treatment / A.I. Popov et al // Global Energy. – 2016. – № 4(254). – P. 141-150.

6. Anodic electrolytic-plasma saturation of low-carbon steel with carbon, nitrogen, boron and sulfur / S.A. Kusmanov et al // Letters on materials. – 2015. – Vol. 5, № 1. – P. 35-38.

7. Belkin P.N. Plasma electrolytic saturation of steels with nitrogen and carbon / P.N. Belkin, A. Yerokhin, S.A. Kusmanov //Surface and Coatings Technology. – 2016. – Vol. 307. – P. 1194-1218.

8. Surface modification of chromium–nickel steel by electrolytic plasma nitriding method / Z. Satbayeva et al // Crystals. – 2024. – Vol. 14(9). – P. 759. https://doi.org/10.3390/cryst14090759.

9. Increasing the wear resistance of high-speed steels by electrolytic-plasma nitriding / М. Skakov et al // Bulletin of the Kazakh National University. Physical series. – 2014. – № 1. – P. 44-52.

10. Effect of electrolyte composition on the surface properties of titanium alloy VT6 during anodic electrolytic-plasma carburizing / M.R. Komissarova et al // Bulletin of higher educational institutions. Series «Chemistry and chemical technology». – 2016. – Vol. 59, № 11. – P. 100-105.

11. Modification of steel surface by cathodic cementation and anodic polishing under electrolysis plasma conditions / S.A. Kusmanov et al // Electronic processing of materials. – 2020. – Vol. 56(2). – P. 1-8.

12. Kulka M. Laser Surface Modification of Carburized and Borocarburized 15CrNi6 Steel. Mater / M. Kulka, A. Pertek // Charact. – 2007. – № 58. – Р. 461-470.

13. Belkin P.N. Electrolyte-plasma cementation of metals and alloys / P.N. Belkin, S.A. Kusmanov // Kostroma State University. – 2020. – № 56(5). – P. 40-74. https://doi.org/ 10.5281/zenodo.

14. Materials Science / F.K. Malygin et al. – 2015. – P. 110-114.

15. Burov S.V. Effect of temperature of anodic electrolyte-plasma carburizing on the complex of properties of steel 20 / S.V. Burov, L.V. Tabachnikova // Best research article 2020. – 2020. – P. 275-287.

16. Investigation on the effect of technological parameters of electrolyte-plasma cementation method on phase structure and mechanical properties of structural steel 20X / В. Rakhadilov et al // AIMS Materials Science. – 2023. – Vol. 10(5). – P. 934-947.