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].
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1