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-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1