ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ УПРОЧНЁННОЙ СТРУКТУРЫ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ЗАКАЛКЕ

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Hardening and Alloying of Steel by Electrolytic-Plasma Treatment / A.D. Pogrebnjak et al. – 2003.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Tribological Behavior of Steel 20 After Local Cementation by Jet Electrolytic-Plasma Heating / E.V. Sokova et al // Editorial Board. – № 250. – Р. 127.

11. 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.

12. 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.

13. Tyurin, Yu.N. Features of Electrolytic-Plasma Hardening (EPH). – 1999.

14. 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.

15. Electrolytic-Plasma Treatment and Coating Deposition on Metals and Alloys / A.D. Pogrebnjak et al // Advances in Metal Physics. – 2005.

16. 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.

17. 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.

18. 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.