ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

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 химико-термической обработки изделий, к которым предъявляются высокие требования по поверхностной твердости.

1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1983. – 359 с.

2. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 256 с.

3. Choi S., Zwaag S.V.D. Prediction of decarburized ferrite depth of hypoeutectoid steel with simultaneous oxidation // ISIJ International. – 2012. – Vol. 52 (4). – P. 549–558. – DOI: 10.2355/isijinternational.52.549.

4. Surface decarburization behavior and its adverse effects of air-cooled forging steel C70S6 for fracture splitting connecting rod / C.L. Zhang, L.Y. Xie, G.L. Liu, L. Chen, Y.Z. Liu, J. Li // Metals and Materials International. – 2016. – Vol. 22 (5). – P. 836–841. – DOI: 10.1007/s12540-016-5657-x.

5. Carroll R.I., Beynon J.H. Decarburisation and rolling contact fatigue of a rail steel // Wear. – 2006. – Vol. 260 (4–5). – P. 523–537. – DOI: 10.1016/j.wear.2005.03.005.

6. Enhanced bending fatigue resistance of a 50CrMnMoVNb spring steel with decarburized layer by surface spinning strengthening / C.X. Ren, D.Q.Q. Wang, Q. Wang, Y.S. Guo, Z.J. Zhang, C.W. Shao, H.J. Yang, Z.F. Zhang // International Journal of Fatigue. – 2019. – Vol. 124. – P. 277–287. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.03.014.

7. Effects of decarburization on the wear resistance and damage mechanisms of rail steels subject to contact fatigue / X.J. Zhao, J. Guo, H.Y. Wang, Z.F. Wen, Q.Y. Liu, G.T. Zhao, W.J. Wang // Wear. – 2016. – Vol. 364–365. – P. 130–143. – DOI: 10.1016/j.wear.2016.07.013.

8. Phase transformation behaviors of medium carbon steels produced by twin roll casting and compact strip production processes / S. Li, H. Feng, S. Wang, J. Gao, H. Zhao, H. Wu, S. Xu, Q. Feng, H. Li, X. Liu, G. Wu // Materials. – 2023. – Vol. 16 (5). – P. 1980. – DOI: 10.3390/ma16051980.

9. Hot tensile and fracture behavior of 35CrMo steel at elevated temperature and strain rate / Z. Xiao, Y. Huang, H. Liu, S. Wang // Metals. – 2016. – Vol. 6 (9). – P. 210. – DOI: 10.3390/met6090210.

10. Protective bauxite-based coatings and their anti-decarburization performance in spring steel at high temperatures / X. Wang, W. Lianqi, X. Zhou, X. Zhang, Y. Shufeng, Y. Chen // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2013. – Vol. 22. – P. 753–758. – DOI: 10.1007/s11665-012-0309-x.

11. Chen Y.R., Zhang F., Liu Y. Decarburization of 60Si2MnA in 20 Pct H₂O-N₂ at 700 °C to 900 °C // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2020. – Vol. 51. – P. 1808–1821.

12. Chen Y.R., Zhang F. New development in decarburization research and its application to spring steels // High Temperature Corrosion of Mater. – 2023. – Vol. 100. – P. 109–143. – DOI: 10.1007/s11085-023-10181-3.

13. Gildersleeve M.J. Relationship between decarburisation and fatigue strength of through hardened and carburising steels // Materials Science and Technology. – 1991. – Vol. 7 (4). – P. 307–310.

14. ГОСТ Р 54566–2011. Стандартные методы испытаний для оценки глубины обезуглероженного слоя. – М.: Стандартинформ, 2014. – 15 с.

15. Surface decarburization of the hypo-eutectoid carbon steel C45 during annealing in steady air at temperatures T > A_C1 / M. Zorc, A. Nagode, J. Burja, B. Kosec, B. Zorc // Metals. – 2018. – Vol. 8 (6). – P. 425. – DOI:  10.3390/met8060425.

16. Степанкин И.Н., Поздняков Е.П. К вопросу изготовления мелкоразмерного штампового инструмента из экономно легированных сталей с диффузионным упрочнением поверхностного слоя // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. – 2015. – № 9. – C. 25–32.

17. Çalik A. Effect of cooling rate on hardness and microstructure of AISI 1020, AISI 1040 and AISI 1060 Steels // International Journal of Physical Sciences. – 2009. – Vol. 4 (9). – P. 514–518.

18. Examination of minimum quantity lubrication performance in the hard turning of AISI/SAE 1060 high-carbon steel / B. Ramesh, S.R. Vempati, C. Manjunath, A.H. Elsheikh // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – Vol. 34 (13). – P. 136861–13696. – DOI: 10.1007/s11665-024-10070-z.

19. Performance analysis of heat treated AISI 1020 steel samples on the basis of various destructive mechanical testing and microstructural behavior / S. Dewangan, N. Mainwal, M. Khandelwal, P.S. Jadhav // Australian Journal of Mechanical Engineering. – 2022. – Vol. 20 (1). – P. 74–87. – DOI: 10.1080/14484846.2019.1664212.

20. Chen R.Y., Yeun W.Y.D. Review of the high-temperature oxidation of iron and carbon steels in air or oxygen // Oxidation of Metals. – 2003. – Vol. 59 (5). – P. 433–468. – DOI: 10.1023/A:1023685905159.

21. Voort G.F.V. Understanding and measuring decarburization // AM&P Technical Articles. – 2015. – Vol. 173 (2). – P. 22–27.

22. Application of plasma surface quenching to reduce rail side wear / M.V. Konstantinova, A.E. Balanovskiy, V.E. Gozbenko, S.K. Kargapoltsev, A.I. Karlina, M.G. Shtayger, E.A. Guseva, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012146. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012146.

23. Change in the properties of rail steels during operation and reutilization of rails / K. Yelemessov, D. Baskanbayeva, N.V. Martyushev, V.Y. Skeeba, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 1043. – DOI: 10.3390/met13061043.

24. Investigation of macro and micro structures of compounds of high-strength rails implemented by contact butt welding using burning-off / M.G. Shtayger, A.E. Balanovskiy, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012190. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012190.

25. Surface hardening of structural steel by cathode spot of welding arc / A.E. Balanovskiy, M.G. Shtayger, A.I. Karlina, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012138. – DOI: 10.1088/1757-899X/560/1/012138.

26. Hybrid processing: the impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126 (1). – P. 012016. – DOI: 10.1088/1757-899x/126/1/012016.

27. Research on the possibility of lowering the manufacturing accuracy of cycloid transmission wheels with intermediate rolling elements and a free cage / E.A. Efremenkov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, M.V. Grechneva, A.V. Olisov, A.D. Ens // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 5. – DOI: 10.3390/app12010005.

28. Martyushev N.V., Skeeba V.Yu. The method of quantitative automatic metallographic analysis // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 803 (1). – P. 012094. – DOI: 10.1088/1742-6596/803/1/012094.

29. Skeeba V.Yu., Ivancivsky V.V. Reliability of quality forecast for hybrid metal-working machinery // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194 (2). – P. 022037. – DOI: 10.1088/1755-1315/194/2/022037.

30. Defining efficient modes range for plasma spraying coatings / E.A. Zverev, V.Y. Skeeba, P.Y. Skeeba, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87 (8). – P. 082061. – DOI: 10.1088/1755-1315/87/8/082061.

31. Скиба В.Ю. Гибридное технологическое оборудование: повышение эффективности ранних стадий проектирования комплексированных металлообрабатывающих станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – C. 62–83. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-62-83.

32. Исследование процесса автоматического управления сменой полярности тока в условиях гибридной технологии электрохимической обработки коррозионностойких сталей / М.А. Борисов, Д.В. Лобанов, А.С. Янюшкин, В.Ю. Скиба // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 1. – С. 6–15. – DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.1-6-15.

33. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Y. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – DOI: 10.1007/s11015-022-01271-9.

34. Plasma-arc surface modification of metals in a liquid medium / A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, V.V. Kondrat'ev, V. Van Huy, A.I. Karlina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 411 (1). – P. 012013. – DOI: 10.1088/1757-899X/411/1/012013.

35. Karlina A.I., Karlina Y.I., Gladkikh V.A. Studying the microstructure, phase composition, and wear resistance of alloyed layers after laser surface melting of low-carbon steel 20 // Metallurgist. – 2024. – Vol. 68 (5). – P. 757–766. – DOI: 10.1007/s11015-024-01782-7.

36. Study of wear of an alloyed layer with chromium carbide particles after plasma melting / A.I. Karlina, Y.I. Karlina, V.V. Kondratiev, R.V. Kononenko, A.D. Breki // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (12). – P. 1696. – DOI: 10.3390/cryst13121696.