OBRABOTKAMETALLOV Vol. 28 No. 3 2026 287 MATERIAL SCIENCE ционные характеристики для работы в сложных условиях [1, 2]. Для решения этих проблем и расширения функциональности деталей машин и механизмов из низкоуглеродистой стали исследователи обратились к методам модификации поверхности, направленным на улучшение их механических свойств [1–10]. Одним из наиболее эффективных методов модификации поверхности является термообработка посредством процесса науглероживания поверхностного слоя металла низкоуглеродистых сталей. Науглероживание – широко распространенный термохимический процесс, который вводит диффундирующие элементы, такие как углерод, в поверхностный слой стали при повышенной температуре, после чего следует закалка и отпуск для повышения твердости и износостойкости [1–3]. Операции механической обработки низкоуглеродистых сталей, предназначенных для цементации, обычно выполняются до процесса цементации. На этом этапе сердцевина из низкоуглеродистой стали остается относительно мягкой и пластичной, что позволяет эффективно ее резать, строгать и сверлить с минимальным износом инструмента [3–5]. Низкоуглеродистая сталь обладает превосходной обрабатываемостью по сравнению с углеродистыми и легированными сталями, прежде всего благодаря высокому содержанию феррита, самой мягкой фазы стали. Упрочнение низкоуглеродистой стали с помощью процесса цементации значительно повышает ее характеристики во многих инженерных приложениях, где прочность поверхности имеет решающее значение. Традиционные методы цементации в твердой, жидкой и газовой среде ограничены длительным временем обработки, непостоянной атмосферой, межзеренным окислением и искажением размеров, особенно в деталях сложной формы или тонких деталях [1, 2]. Хотя низкотемпературная (вакуумная) цементация решает многие из этих проблем, предлагая более быстрые циклы науглероживания, минимальное окисление, улучшенную однородность и уменьшенную деформацию, но она также имеет свои недостатки, включая высокие первоначальные инвестиции, зависимость от точной дозировки газа и контроля потока, а также сложность добавления углеводородов, таких как ацетилен, без образования сажи или смолистых отложений, что ограничивает ее широкое применение [1-4]. Кроме того, традиционные процессы производят опасные побочные продукты, генерируют выбросы CO2 и создают проблемы с утилизацией отработанных цементирующих составов, что делает их экологически неустойчивыми [5, 6]. Более того, для многих инженерных решений существует компромисс между глубиной поверхностного слоя и пластичностью сердцевины, поскольку чрезмерное или глубокое образование науглероженного поверхностного слоя в тонких деталях может снизить общую прочность на растяжение за счет термического роста зерен и увеличения остаточного напряжения. Следовательно, при проектировании необходимо тщательно сбалансировать твердость поверхности и вязкость сердцевины. Эффективным решением проблемы сокращения времени цементации является поверхностное насыщение с использованием концентрированных источников нагрева. Существует множество методов поверхностного упрочнения высокоизносостойкими материалами. К ним относятся прежде всего лазерная [8–12], электронно-лучевая [13–17], плазменная [18–26] и электродуговая [27, 28] обработка. Поверхностные слои, содержащие ~1,57…2,55 % (масс.) углерода, были получены методом атмосферной электронно-лучевой наплавки низкоуглеродистых стальных пластин смесью порошков железа и графита [13–17]. Основным параметром процесса, определяющим толщину, структуру и механические свойства упрочненного слоя, был ток электронного пучка. При увеличении тока пучка от 20 до 26 мА толщина наплавленных слоев увеличивалась от 1,2 до 2,6 мм, а твердость снижалась от 5,7 до 4,5 ГПа. В испытаниях на трение с неподвижными абразивными частицами износостойкость наплавленных слоев была близка к износостойкости образцов, подвергнутых цементации в порошковой среде. Лазерная цементация [8–12], так же как и плазменная [18–28], осуществляется преимущественно с плавлением поверхностного слоя, на который предварительно нанесена углеродосодержащая порошковая смесь. Лазерное поверхностное легирование проводилось экспериментально для различных подложек и легирующих элементов [8–10, 29–34]. Большая часть опубликованных работ [8–12, 29–34],
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1