OBRABOTKAMETALLOV Vol. 28 No. 1 2026 277 MATERIAL SCIENCE металла можно наносить (внедрять) различные комбинации легирующих элементов с необходимым количеством углерода [6–8, 14, 15]. На первом этапе поверхностной обработки концентрированными источниками энергии (лазером, электронным лучом, плазменной дугой) насыщение поверхности легирующим элементом может быть достигнуто двумя различными механизмами: (a) поверхностным легированием, которое включает в себя плавление поверхностного слоя, в то время как базовый легирующий элемент и углерод переходит в жидкую фазу; (б) твердотельной диффузией углерода, активируемой нагревом. Поверхностное легирование методом плавления было экспериментально проведено для различных подложек и легирующих элементов. Большая часть результатов опубликованных работ, касающихся поверхностной цементации [20–22], борирования [23–25], алитирования [26–28] и азотирования сталей [25, 29–31], была достигнута с помощью этого механизма. Хотя каждый из приведенных выше процессов поверхностного легирования имеет свои преимущества и недостатки, необходимо выбрать наиболее подходящий процесс нанесения покрытия исходя из требований к упрочняющему покрытию и области применения. Выбор технологического процесса с использованием концентрированных источников нагрева для нанесения упрочняющего покрытия зависит от различных факторов, таких как скорость нанесения покрытия, стоимость наплавки, остаточные напряжения и деформации, а также требования к термической обработке самой подложки. К другим важным факторам относятся размер наплавляемого валика и требования к разбавлению с основой, тип расходных материалов, размер и форма наплавляемого компонента, требования к автоматизации, портативность сварочного оборудования и требования к финишной обработке поверхности. Последнее требование очень актуально, так как получаемая в процессе наплавки или легирования поверхность деталей машин и инструментов обладает высокой твердостью, что существенно затрудняет финишную механическую обработку. Известно, что сплавы системы легирования железо-хром-углерод, как правило, имеют высокое начальное содержание углерода, что приводит к высокому содержанию первичных карбидов (Fe,Cr)7C3 и высокой износостойкости [11, 12]. Экспериментальные исследования показали, что с увеличением содержания Ti первичные карбиды M7C3 измельчаются, а диспергирование твердой фазы TiC улучшает износостойкость [6– 12]. В процессе поверхностной цементации количество углерода, введенное с помощью механизма плавления, иногда настолько велико, что были получены даже гиперевтектические составы (более 4,3 масс. % C) науглероженных слоев [32–34]. Однако повторное затвердевание подложки приводит к образованию трещин. Этот существенный недостаток процесса объясняется изначально хрупкой природой полученных микроструктур, чему способствуют чрезвычайно высокие скорости охлаждения и затвердевания. Другим недостатком процесса является образование газовой пористости в затвердевших поверхностных слоях. В большинстве работ, посвященных наплавке проволоками сплошного сечения и порошковыми, отмечается, что для ускорения полноты протекания металлургических реакций в расплавленной сварочной ванне, состоящей из системы «Fe-C + легирующий элемент», необходимо увеличить теплосодержание сварочной дуги, что достигается использованием смеси молекулярных газов [35–38]. Аналогичные рекомендации дают авторы работ по плазменной и аргонодуговой цементации сталей с применением паст и обмазок, наносимых на поверхность изделия [14, 18, 19]. В дополнение к этому факту необходимо понимать, что диффузия растворенных элементов, особенно карбидообразующих элементов, во время затвердевания является одним из важнейших факторов, влияющих на сегрегацию и выделение карбидов. В работах по моделированию [39–41] на основе диаграмм состояния железоуглерод и железо-хром-углерод отмечена роль скорости затвердевания растворенного вещества в процессе легирования. Плотность энергии и тепловложение играет важную роль и в процессах лазерного легирования стали и сплавов [38–42]. Из работ [39–44] известно, что высокая твердость матрицы также необходима для обеспечения высокой износостойкости наплавки. Для достижения высокой износостойкости твер-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1