ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Углеродистые стали 20 и 45 обладают недостаточной износостойкостью в условиях возвратно-поступательного трения, что ограничивает ресурс деталей машин и механизмов. В работе исследована износостойкость поверхности после комбинированной обработки, включающей в себя электролитно-плазменное упрочнение (закалку или цементацию с последующей закалкой) с последующим нанесением гальванических покрытий хрома или сплава Co-W различной толщины. Методы. Образцы подвергали электролитно-плазменной цементации (850 °C, 3 мин) или закалке (900 °C) в водных электролитах, после чего на подготовленную поверхность наносили гальванические покрытия Cr (толщиной 1 и 10 мкм) или Co-W (1 и 10 мкм). Износостойкость оценивали методом возвратно-поступательного трения шариком из стали ШХ15 под нагрузкой 10 Н в среде минеральной смазки в течение 1…3 суток с измерением объема износа с помощью профилометрии. Результаты и обсуждение. Установлено, что комбинированная обработка значительно повышает износостойкость по сравнению с отдельными методами упрочнения. На необработанной стали тонкие гальванические покрытия подвергались проламыванию, что приводило к низкой общей износостойкости системы. Электролитно-плазменная закалка стали 45 позволяла улучшить показатели по сравнению с необработанным состоянием, однако наилучшие результаты достигнуты при использовании цементованной стали 20. Увеличение толщины покрытий хрома и Co-W с 1 до 10 мкм приводило к снижению износостойкости. Наиболее высокую износостойкость продемонстрировала система, состоящая из стали 20 после электролитно-плазменной цементации с последующей закалкой и тонкого (1 мкм) хромового покрытия. Полученные результаты могут быть использованы при разработке эффективных технологий упрочнения деталей (валы, направляющие, элементы гидроцилиндров), работающих в условиях трения со смазкой, с возможностью сохранения относительно мягкой сердцевины детали.

1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т. 2 / под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. – 5-е изд., испр. – М.: Машиностроение-1, 2003. – 944 с. – ISBN 5-217-03085-2.

2. The investigation of structural, mechanical and tribological properties of plasma nitrocarburized AISI 1020 steel / A. Çelik, M. Karakan, A. Alsaran, I. Efeoglu // Surface and Coatings Technology. – 2005. – Vol. 200 (5–6). – P. 1926–1932. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2005.08.028.

3. Improvement of wear resistance for C45 steel using plasma nitriding, nitrocarburizing and nitriding/manganese phosphating duplex treatment / T.V. Doan, D. Kusmic, M. Pospíchal, D. Dobrocký // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2017. – Vol. 179. – P. 012017. – DOI: 10.1088/1757-899X/179/1/012017.

4. The influence of carburization parameters on the mechanical behavior of mild steel: a review / M.J. Madu1, O. Adedipe, S.A. Lawal, A.S. Abdulrahman // Journal of Engineering and Applied Science. – 2025. – Vol. 72. – P. 193. – DOI: 10.1186/s44147-025-00776-9.

5. Improving the impact wear properties of medium carbon steel by adjusting microstructure under alternating quenching in water and air / F. Zhang, T. Zhang, H. Gou, S. Chen, D. Wu, H. Wei, X. Chong, Z. Li, X. Wu, Q. Shan // Wear. – 2023. – Vol. 512–513. – P. 204531. – DOI: 10.1016/j.wear.2022.204531.

6. Okonkwo B.O., Jeong C., Jang C. Advances on Cr and Ni electrodeposition for industrial applications: a review // Coatings. – 2022. – Vol. 12 (10). – P. 1555. – DOI: 10.3390/coatings12101555.

7. Experimental studies on the effect of chromium plating on the mechanical properties of SAE 4140 steel / M.N. Akhtar, A. Lohchab, D. Singh, R.R. Kumar, P. Gaur, B.K. Yadav // Materials Today: Proceedings. – 2023. – Vol. 72 (4). – P. 2488–2496. – DOI: 10.1016/j.matpr.2022.09.527.

8. Formation of diffusion layers by anode plasma electrolytic nitrocarburizing of low-carbon steel / S.A. Kusmanov, Yu.V. Kusmanova, A.R. Naumov, P.N. Belkin // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2015. – Vol. 24. – P. 3187–3193. – DOI: 10.1007/s11665-015-1578-y.

9. Belkin P.N., Kusmanov S.A. Plasma electrolytic hardening of steels: Review // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. – 2016. – Vol. 52 (6). – P. 531–546. – DOI: 10.3103/S106837551606003X.

10. Effect of current density on mechanical and tribological properties of wear-resistant Cr coatings / M. Hagarová, G. Baranová, A. Mašlejová, P. Hornak, D. Csík, M. Vojtko, M. Truchlý // Crystals. – 2025. – Vol. 15 (11). – P. 936. – DOI: 10.3390/cryst15110936.

11. Beyragh M.R.S., Khameneh Asl Sh., Norouzi S. A comparative research on corrosion behavior of a standard, crack-free and duplex hard chromium coatings // Surface and Coatings Technology. – 2010. – Vol. 205 (7). – P. 2032–2037. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2010.10.009.

12. Almotairi A., Warkentin A., Farhat Z. Mechanical damage of hard chromium coatings on 416 stainless steel // Engineering Failure Analysis. – 2016. – Vol. 66. – P. 130–140. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2016.04.011.

13. Kir H., Apay S. Effect of hard chrome plating parameters on the wear resistance of low carbon steel // Materials Testing. – 2019. – Vol. 61 (11). – P. 1082–1086. – DOI: 10.3139/120.111423.

14. Effect of current density on the texture, residual stress, microhardness and corrosion resistance of electrodeposited chromium coating / J. Yang, P. Ji, J. Zhang, W. Xu, J. Jiao, Y. Lian, L. Jiang, B. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 471. – P. 129868. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2023.129868.

15. Capel H., Shipway P.H., Harris S.J. Sliding wear behaviour of electrodeposited cobalt–tungsten and cobalt–tungsten–iron alloys // Wear. – 2003. – Vol. 255 (7–12). – P. 917–923. – DOI: 10.1016/S0043-1648(03)00241-2.

16. European Parliament and Council of the European Union. Regulation (EC) No  1907/2006 concerning the Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals (REACH) // Official Journal of the European Union. – 2006. – L 396. – P. 1–849. – URL: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:32006R1907 (accessed: 19.08.2026).

17. McCarty E. Anti-wear improvement of stamping die materials through duplex chroming // Great Designs in Steel (GDIS) 2018. – Southfield, MI: Auto/Steel Partnership, 2018. – 26 p. – URL: https://www.steel.org/wp-content/uploads/2023/01/Track-3-McCarty.pdf (accessed: 07.04.2026).

18. Possibilities of using the duplex system plasma nitriding + CrN coating as a replacement for hard chrome plating / D. Dobrocky, P. Pokorny, Z. Studeny, I. Barenyi, V. Hruby // Coatings. – 2022. – Vol. 12 (12). – P. 1953. – DOI: 10.3390/coatings12121953.

19. Microstructure of electroplated hard chromium coatings after plasma nitrocarburizing / L. Wanga, D.S. Kim, K.S. Nam, M. Kim, S.C. Kwon // Surface and Coatings Technology. – 2005. – Vol. 190 (2–3). – P. 151–154. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.08.213.

20. A review of wear-resistant coatings for steel substrates / Y. Wang, C. Feng, T. Lin, R. Zhu, J. Zhang, H. Yang, S. Yi, J. He, M. Tu, G. Wei // Metals. – 2025. – Vol. 15 (11). – P. 1231. – DOI: 10.3390/met15111231.

21. Белкин П.Н., Кусманов С.А. Электролитно-плазменная цементация металлов и сплавов // Электронная обработка материалов. – 2020. – Т. 56, № 5. – С. 40–74. – DOI: 10.5281/zenodo.4045823.

22. Wear and corrosion studies of duplex surface-treated AISI-304 steel by a combination of cathodic cage plasma nitriding and PVD-TiN coating / M. Naeem, S. Awan, M. Shafiq, H.A. Raza, J. Iqbal, J.C. Díaz-Guillén, R.R.M. Sousa, M. Jelani, M. Abrar // Ceramics International. – 2022. – Vol. 48 (15). – P. 21473–21482. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.04.115.

23. Sliding wear behavior of duplex coatings with different plasma nitride layers and a Cr-Al-Ti-B-N coating / T. Weinhold, A. Dalke, A. Schramm, H. Biermann // Engineering Reports. – 2022. – Vol. 4. –P. e12377. – DOI: 10.1002/eng2.12377.

24. Effect of carburizing and nitriding duplex treatment on the friction and wear properties of 20CrNi2Mo steel / J. Chen, S. Li, Y. Liang, X. Tian, J. Gu // Materials Research Express. – 2023. – Vol. 10 (3). – P. 036507. – DOI: 10.1088/2053-1591/acc00f.

25. Повышение износостойкости поверхности стали 20 электролитно-плазменным упрочнением и электроосаждением упрочняющих Co–W покрытий / С.А. Силкин, С.А. Кусманов, А.С. Перков, О.Л. Алтухова // Известия ТулГУ. Технические науки. – 2023. – № 11. – С. 416–420. – DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-416-417.

26. Солодкова Л.Н., Кудрявцев В.Н. Электролитическое хромирование. – Москва: Глобус, 2007. – 191 с. – (Приложение к журналу «Гальванотехника и обработка поверхности»). – ISBN 5-8155-0209-X.

27. Белевский С.С., Цынцару Н.И., Дикусар А.И. Электроосаждение нанокристаллических Co-W покрытий из цитратных электролитов в контролируемых гидродинамических условиях. II. Скорость электроосаждения и состав покрытий // Электронная обработка материалов. – 2010. – № 2 (262). – С. 9–18. – EDNЖ QYXLMD.

28. Modern trends in tungsten alloys electrodeposition with iron group metals / N. Tsyntsaru, H. Cesiulis, M. Donten, J. Sort, E. Pellicer, E.J. Podlaha-Murphy // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. – 2012. – Vol. 48 (6). – P. 491–520. – DOI: 10.3103/S1068375512060038.

29. Friction and sliding wear behaviour of electrodeposited cobalt and cobalt–tungsten alloy coatings used as overlays for copper conductors / D.P. Weston, P.H. Shipway, S.J. Harris, M.K. Cheng // Wear. – 2009. – Vol. 267 (5–8). – P. 934–943. – DOI: 10.1016/j.wear.2009.01.006.

30. Crack density and tribological performance of hard-chrome coatings / B. Podgornik, O. Massler, F. Kafexhiu, M. Sedlacek // Tribology International. – 2018. – Vol. 121. – P. 333–340. – DOI: 10.1016/j.triboint.2018.01.055.

31. A comparison of microstructural, mechanical and tribological properties of WC-10Co4Cr – HVOF coating and hard chrome to use in hydraulic cylinders / R. de Medeiros Castro, A. da Silva Rocha, E.I. Mercado Curi, F. Peruch // American Journal of Materials Science. – 2018. – Vol. 8 (1). – P. 15–26. – DOI: 10.5923/j.materials.20180801.03.

32. The impact of surface cracks and surface roughness in the performance of hard chromium coatings in cold rolling applications / Z. Ranjbar-Nouri, D. Matthews, H. Bolt, M. de Rooij // Applied Surface Science Advances. – 2025. – Vol. 27. – P. 100788. – DOI: 10.1016/j.apsadv.2025.100788.