Том 27 № 3 2025 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кондратьев В.В., Гозбенко В.Е., Кононенко Р.В., Константинова М.В., Гусева Е.А. Определение основных параметров контактной точечной сварки алюминиевого сплава АМг-5....................................................................... 6 Гвинджилия В.Е., Фоминов Е.В., Марченко А.А., Лавренова Т.В., Дебеева С.А. Влияние скорости резания на импульсные изменения температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА.......................................................................................................................................................................... 23 Карелин Р.Д., Комаров В.С., Черкасов В.В., Осокин А.А., Сергиенко К.В., Юсупов В.С., Андреев В.А. Получение прутков и листов из сплава TiNiHf с высокотемпературным эффектом памяти формы методами продольной прокатки и ротационной ковки................................................................................................................................... 37 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства виброакустической эмиссии в системах диагностики износа режущего инструмента................................................................................................. 50 Жуков А.С., Ардашев Д.В., Батуев В.В., Кулыгин В.Л., Шулежко Е.И. Модальный анализ шлифовальных кругов различных характеристик для определения их интегральных упругих показателей....................................... 71 Нишандар С.В., Пайс А.Т., Багаде П.М. Численное и экспериментальное исследование интенсификации теплообмена в трубах с шероховатой поверхностью....................................................................................................... 87 Носенко В.А., Ривас Перес Д.Э., Александров А.А., Саразов А.В. Влияние способа измельчения на коэффициент формы зерен карбида кремния черного................................................................................................................. 108 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Исследование процесса поверхностного обезуглероживания стали 20 после цементации и термической обработки.............................................................................................. 122 Ковалевская Ж.Г., Лю Ю. Влияние термической обработки на строение и свойства высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................... 137 Сирота В.В., Прохоренков Д.С., Чуриков А.С., Подгорный Д.С., Алфимова Н.И., Коннов А.В. Коррозионные свойства покрытий из самофлюсующихся порошков, полученных методом детонационного напыления........ 151 Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю., Семенчук Н.А. Влияние структурного состояния на механические и трибологические свойства бронзы системы Cu-Al-Si-Mn.......................................................................... 166 Вахеед Ф., Каюм А., Ширази М.Ф. Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности............................................................... 183 Долгова С.В., Маликов А.Г., Голышев А.А., Никулина А.А. Особенности строения градиентных слоев «сталь – Inconel – сталь», полученных методом прямого лазерного выращивания..................................................... 205 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Влияние гранулометрии порошка карбида вольфрама на характеристики металлокерамических покрытий WC/Fe-Ni-Al............................................................................... 221 Патил С., Чинчаникар С. Исследование механических свойств нанокомпозитов на основе сплава Al7075-T6, полученных методом механического замешивания частиц в расплав, с микроструктурным и фрактографическим анализом поверхности........................................................................................................................................................ 236 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 252 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 263 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 08.09.2025. Выход в свет 15.09.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 33,0. Уч.-изд. л. 61,38. Изд. № 121. Заказ 199. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 3 2025 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 27 No. 3 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kondratiev V.V., Gozbenko V.E., Kononenko R.V., Konstantinova M.V., Guseva E.A. Determination of the main parameters of resistance spot welding of Al-5 Mg aluminum alloy..................................................................................... 6 Gvindjiliya V.E., Fominov E.V., Marchenko A.A., Lavrenova T.V., Debeeva S.A. Infl uence of cutting speed on pulse changes in the temperature of the front cutter surface during turning of heat-resistant steel 0.17 C-Cr-Ni-0.6 Mo-V................................................................................................................................................................ 23 Karelin R.D., Komarov V.S., Cherkasov V.V., OsokinA.A., Sergienko K.V., Yusupov V.S., Andreev V.A. Production of rods and sheets from TiNiHf alloy with high-temperature shape memory eff ect by longitudinal rolling and rotary forging methods.................................................................................................................................................................... 37 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of vibroacoustic emission in diagnostic systems for cutting tool wear................................................................................................................................................ 50 Zhukov A.S., Ardashev D.V., Batuev V.V., Kulygin V.L., Schuleshko E.I. Modal analysis of various grinding wheel types for the evaluation of their integral elastic parameters...................................................................................... 71 Nishandar S.V., Pise A.T., Bagade P.M. Numerical and experimental investigation of heat transfer augmentation in roughened pipes................................................................................................................................................................ 87 Nosenko V.A., Rivas Perez D.E., Alexandrov A.A., Sarazov A.V. The eff ect of the grinding method on the grain shape coeffi cient of black silicon carbide....................................................................................................................................... 108 MATERIAL SCIENCE Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Investigation of the process of surface decarburization of steel 20 after cementation and heat treatment.................................................................................................................................. 122 Kovalevskaya Z.G., Liu Y. Eff ect of heat treatment on the structure and properties of high-entropy alloy AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................. 137 Sirota V.V., Prokhorenkov D.S., Churikov A.S., Podgorny D.S., Alfi mova N.I., Konnov A.V. Corrosion properties of coatings produced from self-fl uxing powders by the detonation spraying method............................................................ 151 Filippov A.V., Shamarin N.N., Tarasov S.Yu., Semenchyuk N.A. The infl uence of structural state on the mechanical and tribological properties of Cu-Al-Si-Mn bronze............................................................................................................. 166 Waheed F., Qayoom A., Shirazi M.F. Fabrication, characterization and performance evaluation of zinc oxide doped nanographite material as a humidity sensor......................................................................................................................... 183 Dolgova S.V., Malikov A.G., Golyshev A.A., Nikulina A.A. Features of the structure of gradient layers «steel - Inconel - steel», obtained by laser direct metal deposition.................................................................................................. 205 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. The infl uence of tungsten carbide particle size on the characteristics of metalloceramic WC/Fe-Ni-Al coatings.................................................................................................... 221 Patil S., Chinchanikar S. Investigation on the mechanical properties of stir-cast Al7075-T6-based nanocomposites with microstructural and fractographic surface analysis...................................................................................................... 236 EDITORIALMATERIALS 252 FOUNDERS MATERIALS 263 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 122 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Исследование процесса поверхностного обезуглероживания стали 20 после цементации и термической обработки Юлия Карлина 1, a, *, Владимир Конюхов 2, 3, b, Татьяна Опарина 2, c 1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, 26, г. Москва, 129337, Россия 2 Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск, 664074, Россия 3 Череповецкий государственный университет, ул. Луначарского, 5, г. Череповец, 162600, Россия a https://orcid.org/0000-0001-6519-561X, jul.karlina@gmail.com; b https://orcid.org/0000-0001-9137-9404, konyukhov_vyu@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0002-9062-6554, martusina2@yandex.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 3 с. 122–136 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-122-136 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.785.52 История статьи: Поступила: 28 февраля 2025 Рецензирование: 13 марта 2025 Принята к печати: 14 мая 2025 Доступно онлайн: 15 сентября 2025 Ключевые слова: Углерод Феррит Мартенсит Нагрев Цементация Закалка Температура Охлаждение Выдержка Длительность Обезуглероживание Твердость АННОТАЦИЯ Введение. В промышленности используют метод цементации с твердым карбюризатором для насыщения поверхностного слоя углеродом. На практике необходимо максимально предотвратить или уменьшить обезуглероживание поверхностного слоя стали – либо применять защитную атмосферу, либо производить нагрев в условиях, при которых процесс окисления поверхностного слоя металла происходит быстрее, чем процесс обезуглероживания. В процессе обезуглероживания в поверхностном слое формируется структура феррита, при контактных нагрузках она снижает сопротивление зарождению трещин в поверхностном слое и повышает вероятность усталостного разрушения изделия в целом. Цель работы: оценить влияние температуры нагрева под цементацию и последующую закалку, а также влияние длительности выдержки на глубину обезуглероженного слоя в процессе химико-термической обработки низкоуглеродистой стали. Методы исследования. Определение химического состава стали в состоянии поставки. Анализы были выполнены с использованием оптического эмиссионного спектрометра модели LAVFA18B Spectrolab. Для целей исследования была выбрана нелегированная доэвтектоидная сталь Ст20 с исходной микроструктурой феррит-перлит. Образцы имели прямоугольную форму со средними размерами 50×10×10 мм. Насыщение углеродом проводили с одной стороны (со стороны насыпанного карбюризатора, обратную поверхность образцов защищали слоем глины). Образцы помещали в металлический контейнер и засыпали карбюризатором слоем 25…30 мм, закрывали крышкой и герметизировали. Насыщение углеродом проводили при 900 °C в течение 4…8 часов. После ящик с образцами доставали из печи, он охлаждался на воздухе. Закалку проводили в печи на воздухе (влажность не измерялась) при температурах нагрева печи 780, 850 и 950 °C и времени выдержки 4 и 6 часов в лабораторной электропечи сопротивления с объемом камеры 22 дм3. Проводили металлографическое исследование и измерение микротвердости. Результаты и обсуждение. В ходе экспериментов отмечено, что температура нагрева под цементацию и закалку играет важную роль в oбезуглероживании. При температуре 700 °C явление обезуглероживания не наблюдалось, это указывает на то, что реакция обезуглероживания не происходила в образцах при температуре ниже 700 °C. Когда температура составляет бoлее 750 °C, образец имеет очевидное обезуглероживание, ферритная структура столбчатая, перпендикулярная поверхности обезуглероживания. Частично обезуглероженный слой появляется в образце при температуре 850 °C, а толщина полностью обезуглероженного слоя уменьшается. После 900 °C образец в основном представляет собой частично обезуглероженный слой, потому что при этой температуре структура стали полностью аустенитная. После 1000 °C толщина слоя увеличивается быстро, показывая экспоненциальный рост. Проведённые эксперименты показали влияние времени нагрева и выдержки на глубину обезуглероженного слоя. Представленные результаты будут востребованы при проведении химикотермической обработки изделий, к которым предъявляются высокие требования по поверхностной твердости. Для цитирования: Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Исследование процесса поверхностного обезуглероживания стали 20 после цементации и термической обработки // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 3. – С. 122–136. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-122-136. ______ *Адрес для переписки Карлина Юлия Игоревна, к.т.н., научный сотрудник Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, 26, 129337, г. Москва, Россия Тел.: +7 914 879-85-05, e-mail: jul.karlina@gmail.com Введение В настоящее время стали являются одними из наиболее широко используемых материалов в различных промышленных видах деятельности, поскольку они легко доступны, обрабатываемы и свариваемы [1]. Поверхности деталей машин, инструментов и крепёжных изделий воспринимают воздействие внешних сил и должны обладать повышенной прочностью и износостойкостью. Как правило, улучшенные механические свойства поверхности сталей могут быть достигнуты путем изменения микроструктуры и химического состава. Обычно это контролируется использованием высокоуглеродистых легированных сталей и различных термических или термохимических обработок [1, 2].
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 123 MATERIAL SCIENCE Полезность применения термической обработки к углеродистым сталям (C% < 0,25) остается ограниченной, поскольку этот тип обработки не улучшает в достаточной степени свойства поверхности (твердость, износостойкость, ударопрочность, усталость и др.) для удовлетворения жестким требованиям к поверхности контактирующих деталей [1–10]. Среди способов химико-термической обработки науглероживание (с использованием твердой, газовой, жидкой насыщающей смеси) является одним из наиболее эффективных методов обработки, который направлен на поверхностное обогащение поверхности углеродом в атомарном состоянии (от 0,7 до 0,9 масс. %) путем его диффузии в аустенитной фазе (от 870 до 980 °C в зависимости от процесса) с последующей закалкой и отпуском для улучшения механических свойств поверхности в соответствии с уменьшающимся градиентом углерода на очень ограниченной глубине, не достигающей сердцевины [1–5]. С учётом этого факта появляется возможность снизить стоимость конечного изделия за счет использования углеродистых сталей (C% < 0,25) вместо дорогих высокоуглеродистых легированных сталей. С другой стороны, присутствие углерода ограничит измельчение зерна на поверхности стали, что подавляет подвижность пластической деформации во время взаимодействия твердого тела с твердым телом [5–8]. В последнее время различные исследователи активно занимаются разработкой поверхности слоя металла с образованием градиентных твердых фаз, используя различные технологические способы поверхностного легирования углеродом, азотом, бором и др. [6, 7]. В работах [7–13] провели исследование влияния легирующих элементов, таких как Si, Ni, Cr и Mo, на характеристики науглероживания сталей. Показано значительное влияние этих легирующих элементов на поведение науглероживания сталей AISI 1018, 4820, 5120 и 8620. Авторы считают, что обезуглероживание является обратным процессом науглероживания, и делают вывод, что легирующие элементы также будут сильно влиять на обезуглероживание стали. Экспериментальные результаты показали, что Si способствует обезуглероживанию феррита, в то время как Cr препятствует этому в высокоуглеродистых сталях. В работе [15] изучали влияние некоторых легирующих элементов на обезуглероживание стали TRIP (пластичность, вызванная трансформацией). Экспериментальные результаты показали, что увеличение содержания Si и P ускоряет обезуглероживание. По сути, обезуглероживание представляет собой процесс, при котором атомы углерода внутри материала диффундируют наружу и реагируют с печным газом. Поэтому влияние легирующих элементов на обезуглероживание стали в первую очередь сказывается на диффузии атомов углерода. Многие авторы [1–8] исследовали термодинамику и коэффициенты активности углерода в гранецентрированных кубических (ГЦК) тройных сплавах Fe-Mn-C, Fe-Si-C, Fe-Ni-C и др. Экспериментальные результаты показали, что Mn снижает коэффициент активности углерода в аустените, что в свою очередь снижает коэффициент диффузии углерода. С другой стороны, влияние Si на коэффициент диффузии C в аустените противоположно влиянию Mn. Хотя экспериментальные методы могут раскрыть влияние легирующих элементов на диффузию атомов C, выяснение лежащего в основе механизма на атомном уровне остается сложной практической задачей. В практике многих предприятий легко реализуемым, простым и недорогим способом науглероживания деталей машин и механизмов из низкоуглеродистых сталей является метод с использованием твердого карбюризатора. В промышленности [1, 2] традиционно применяется схема двухстадийного процесса: первая стадия – насыщение деталей углеродом с использованием твердого карбюризатора и охлаждением на воздухе; вторая стадия – закалка с отпуском. Для сокращения времени цементации назначают температуру нагрева и выдержки в диапазоне 900…1150 °С [10, 11]. Обязательным требованием к деталям, поступающим на такую обработку, является задание припуска 1…3 мм на последующую механическую обработку с целью удаления обезуглероженного слоя. Добавление в эти стали большого количества углерода и других легирующих элементов приводит к серьезной сегрегации состава и поверхностному обезуглероживанию изделий. Сообщалось, что сегрегация состава и обезуглероживание отрицательно сказываются на
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 124 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ударной вязкости, усталостной долговечности, износостойкости и других свойствах, которые имеют решающее значение для эксплуатационных характеристик среднеуглеродистых сталей [4–7]. Обезуглероживание снижает поверхностную твердость и усталостную прочность стали и сокращает срок ее службы [1, 2, 8–13]. Обезуглероживание поверхности стали приводит к недостаточной твердости в области поверхности из-за снижения углерода, что значительно сокращает усталостную долговечность. Очевидно, что, когда сталь нагревается до высоких температур без защитной атмосферы, поверхностный слой будет реагировать с кислородом, углекислым газом или паром в атмосфере печи, вызывая окисление и обезуглероживание одновременно [1, 2]. Обезуглероживание является классическим явлением поверхностной деградации при термической обработке сталей [14]. Для предотвращения обезуглероживания были предприняты большие усилия по разработке антиобезуглероживающих покрытий [6–10]. Обезуглероживание стали подвергается влиянию многих факторов, включая температуру и продолжительность нагрева [1, 2], атмосферу [12, 13], легирующие элементы [2, 7, 9], характеристики слоя окалины [1], электрическое поле [2] и др. Среди них температура нагрева и продолжительность нагрева были предложены в качестве двух наиболее важных управляющих переменных согласно практическому опыту работы [1, 2, 15, 16–22]. Цель работы: оценить влияние температуры нагрева под цементацию и закалку, а также влияние длительности выдержки на глубину обезуглероженного слоя в процессе закалки. Материалы и методы исследований Химический состав стали в состоянии поставки определяли с использованием оптического эмиссионного спектрометра модели LAVFA18B Spectrolab. Для целей исследования была выбрана нелегированная доэвтектоидная сталь Ст20, соответствующая ГОСТ 1050–2013, с исходной микроструктурой феррит-перлит. Для исследований из прокатного листа стали 20 вырезали образцы прямоугольной формы со средними размерами 50×10×10 мм. Провели механическую зачистку и шлифовку образцов, поверхности не имели следов оксидов. В качестве цементируемой смеси использовали карбюризатор, который представляет собой зерна древесного угля размером 3,6…10 мм, покрытые пленкой углекислого бария по ГОСТ 2407–83. Насыщение углеродом проводили с одной стороны (со стороны насыпанного карбюризатора, обратная поверхность образцов защищалась слоем глины). Образцы помещали в металлический контейнер, засыпали карбюризатором слоем 25…30 мм, закрывали крышкой и герметизировали. Рабочую температуру процесса насыщения поверхности образцов углеродом установили 900 °C, время насыщения – 4…8 часов [1, 2]. После этого ящик с образцами доставали из печи, он охлаждался на воздухе. Образцы очищали от окалины с использованием шлифовальной машины. Влияние поверхностных оксидов на кинетику обезуглероживания было устранено за счет операции шлифовании образцов перед закалкой, поскольку оксиды, присутствующие на поверхности, увеличивают видимое обезуглероживание [1, 2]. Закалку проводили в печи на воздухе (влажность не измерялась) при температурах нагрева печи T, равных 780, 850 и 950 °C, и времени выдержки 4 и 6 часов в лабораторной электропечи сопротивления с объемом камеры V = 22 дм3. Каждый образец помещался в одно и то же место в предварительно разогретой печи – на огнеупорный кирпич в середине камеры. Это обеспечивало одинаковые условия и максимально быстрый нагрев каждого образца до температуры закалки. Температуры нагрева контролировались с помощью сертифицированной контактной термопары, которая во время нагрева касалась боковой поверхности образца (она вводилась в печь через небольшое отверстие в дверке печи). Время нагрева отсчитывалось от момента достижения температуры на контрольном термометре в печи. Колебание температуры во время нагрева составляло Ta − 1 °C ≤ T ≤ Ta + 3 °C, где Ta – температура окружающей среды. После выдержки в печи проводили закалку в воде. Глубина обезуглероживания [1, 2, 14] исследовалась с помощью оптической микроскопии двумя способами: традиционно – с использованием оптического микроскопа, оснащенного сеткой, а также с по-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 125 MATERIAL SCIENCE мощью компьютерного – по изображению на экране. Металлографические образцы были подготовлены с применением влажной шлифовальной бумаги SiC грануляцией до 4000, полировки алмазной пастой 1/4 мкм и травления 3%-м раствором HNO3 в этаноле. Обезуглероживание различных поверхностей (верхней и боковых поверхностей, контактирующих с атмосферой; нижней поверхности, контактирующей с огнеупорным кирпичом; кромок; углов) неодинаково из-за разной степени окисления этих поверхностей. Обезуглероживание, как правило, всегда больше на поверхностях, которые имеют меньшую способность к окислению. Поэтому нижние поверхности обычно обезуглероживаются сильнее [13, 15]. Наше исследование было сосредоточено только на плоских поверхностях, находящихся в контакте с атмосферой. Обезуглероживание измерялось на трех сечениях, перпендикулярных длинной стороне образца, на верхней и обеих боковых поверхностях образца. Результаты исследований Анализ содержания углерода Поверхностный слой низколегированной стали изначально имел относительно низкое содержание углерода, приблизительно α = (0,21 ± ± 0,06) масс. % до науглероживания, что соответствовало исходному количеству углерода низколегированных сталей, как показано в таблице. Однако после науглероживания различной продолжительности содержание углерода в поверхностном слое постепенно увеличивалось. Так, после 4 ч науглероживания содержание углерода составило α = (0,53 ± 0,016) масс. %, через 6 ч оно достигло α = (0,68 ± 0,012) масс. %. Были проведены эксперименты и с большим временем насыщения. Результаты экспериментов представлены на рис. 1–3. Установлено, что увеличение времени насыщения образцов углеродом до 8 ч повышает содержание углерода в поверхностном слое стали. Более того, при насыщении в течение 8 ч и более образцы полностью имеют перлитную структуру с содержанием углерода 0,8 %. На основании этих экспериментов в дальнейшем было принято решение снизить время насыщения до 2 ч с целью минимизации экспериментов. Микроструктурный анализ После цементации наблюдалось существенное увеличение толщины поверхностного слоя – более чем на 41 % по мере увеличения времени выдержки (рис. 1 и 2). Толщина слоя возросла примерно с 1100 мкм до более чем 1500 мкм, как показано на рис. 3. По мере увеличения выдержки в печи при нагреве под закалку появляется обезуглероженный слой. Это видно по результатам измерения микротвердости на рис. 4 и металлографическом анализе поверхности на рис. 5. Влияние температуры нагрева под закалку показано на рис. 6. В ходе наших экспериментов отмечено, что температура играет важную роль в обезуглероживании. При температуре 700 °C явление обезуглероживания не наблюдалось, это указывает Влияние времени цементации на содержание углерода в стали 20 Eff ect of carburization period on carbon content in Steel 20 Химические элементы, % / Chemical elements, % C Si Mn S P Ni Cr ГОСТ 1050–2013 / GOST 1050–2013 0,17…0,24 0,17…0,37 0,35…0,65 до 0,035 до 0,030 до 0,30 до 0,25 Факт / Fact 0,21 0,27 0,36 до 0,035 до 0,030 до 0,30 до 0,25 4 часа цементации / Cementation period: 4 hours 0,53 0,27 0,36 до 0,035 до 0,030 до 0,30 до 0,25 6 часов цементации / Cementation period: 6 hours 0,68 0,27 0,36 до 0,035 до 0,030 до 0,30 до 0,25
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1