ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Остаточный аустенит представляет собой аустенитную фазу, сохраняющуюся в стали после ее неполного превращения в мартенсит/бейнит/феррит. Присутствие остаточного аустенита в стали может вызывать положительные или отрицательные изменения в зависимости от его доли. Следовательно, в готовых изделиях должен быть соответствующий диапазон содержания остаточного аустенита. В процессе традиционной химико-термической обработки металлов цементацией остаточный аустенит является недопустимым дефектом процесса. В сфере поверхностной обработки металлов концентрированными источниками энергии этому вопросу посвящено очень мало работ. Цель работы – снижение остаточного аустенита в цементируемом слое после лазерного упрочнения с использованием дополнительной криогенной обработки Материалы и методы исследований. Лазерную цементацию стали 20 проводили волоконным лазером непрерывного действия на основе иттербия (LS-16, 1,5 кВт, IPG Photonics, Оксфорд, Массачусетс, США), излучающим на длине волны 1,07 мкм. Содержание углерода в заданном науглероженном слое определяли методом оптической эмиссионной спектрометрии тлеющего разряда (GD-Profiler 2™). Твердость измеряли с помощью полуавтоматического твердомера Виккерса с нагрузкой 500 г и шагом вдавливания 0,25 мм. Рентгенодифракционные спектры регистрировали с помощью прибора SmartLab 9KW с медной мишенью Cu-Kα и длиной волны рентгеновского излучения (λ) 1,5406 Å. Диапазон угла сканирования 2θ составлял от 40 до 100°, скорость сканирования – 2° в минуту. Количественный анализ объемной доли остаточного аустенита проводился в соответствии с рекомендациями, указанными в ASTM E975-13. Криогенную обработку осуществляли при температуре –196 °С. Результаты исследований. Различное содержание графита в составе паст для лазерной цементации приводит к формированию разных структур и фаз (цементита, ледебурита, мартенсита, остаточного аустенита) в поверхностном слое. Исследование микроструктурного состояния поверхностного слоя показало, что структура исходного материала стали 20 состоит из мягкого и пластичного феррита с твердым перлитом. Тепловой градиент на поверхности расплавленной углеродосодержащей смеси, создаваемый лазерным лучом, трансформировал исходную микроструктуру в мартенсит путем растворения углеродного состава смеси и затвердевания аустенитной фазы в мартенсит посредством быстрого охлаждения. При этом из-за быстрого охлаждения поверхностного слоя формируется остаточный аустенит. В работе показано, что лазерная цементация приводит к образованию модифицированного поверхностного слоя, состоящего из насыщенного углеродом мартенсита, остаточного аустенита и карбидов. Криогенная и отпускная обработка дополнительно преобразуют остаточный аустенит в цементированном слое в мартенсит, что повышает твердость цементированного слоя.

1. Филиппов М.А., Косицына И.И., Гервасьев М.А. Упрочнение и защита поверхности металлов. – Екатеринбург: УрО РАН, 2012. – 234 с.

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

3. The influence of carburization parameters on the mechanical behavior of mild steel: a review / M.J. Madu, O. Adedipe, S.A. Lawal, A.S. Abdulrahman // Journal of Engineering and Applied Science. – 2025. – Vol. 72 (1). – P. 193. – DOI: 10.1186/s44147-025-00776-9.

4. Effect of soaking time on paste carburizing of carburized low carbon steel / M.H. Jumadin, B. Abdullah, M.H. Ismail, S.K. Alias, S. Ahmad // Key Engineering Materials. – 2017. – Vol. 740. – P. 93–99. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.740.93.

5. Effect of carburizing process on high cycle fatigue behavior of 18CrNiMo7-6 steel / S. Qin, C. Zhang, B. Zhang, H. Ma, M. Zhao // Journal of Materials Research and Technology. – 2022. – Vol. 16. – P. 1136–1149. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.12.074.

6. Influence of the carburization time on the structural and mechanical properties of XC20 steel / S. Abdenour, A. Linda, C. Oualid, B. Ali, L.M. Salah, D. Hamid, C. Francisco // Materials Research Express. – 2021. – Vol. 8 (8). – P. 085604. – DOI: 10.1088/2053-1591/ac1ece.

7. A review – Effect of accelerating methods on gas nitriding: accelerating mechanism, nitriding behavior, and techno-economic analysis / Y.L. Zhou, F. Xia, A.J. Xie, H.P. Peng, J.H. Wang, Z.W. Li // Coatings. – 2023. – Vol. 13 (11). – P. 1846. – DOI: 10.3390/coatings13111846.

8. Song H., Tao F. Laser-assisted coating techniques and surface modifications // Coatings. – 2026. – Vol. 16 (4). – P. 430. – DOI: 10.3390/coatings16040430.

9. Effect of laser heat-treatment and laser nitriding on the microstructural evolutions and wear behaviors of AISI P21 mold steel / W.S. Shin, H.J. Yoo, J.H. Kim, J. Choi, E.J. Chun, C. Park, Y.J. Kim // Metals. – 2020. – Vol. 10 (11). – P. 1487. – DOI: 10.3390/met10111487.

10. Бровер Г.И., Бровер А.В., Дьяченко Л.Д. Структура и свойства инструментальных сталей после обработки различными источниками концентрированных потоков энергии // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2005. – № 12. – С. 27–31.

11. Чудина О.В. Комбинированные методы поверхностного упрочнения сталей с применением лазерного нагрева: теория и технология. – М.: МАДИ, 2003. – 248 с.

12. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: учебное пособие для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 664 с.

13. Losinskaya A.A., Lozhkina E.A., Bardin A.I. Structure and properties of steel case-hardened by non-vacuum electron-beam cladding of carbon fibers // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2017. – Vol. 286. – P. 012036. – DOI: 10.1088/1757-899X/286/1/012036.

14. Surface hardening of steels with carbon by non-vacuum electron-beam processing / I. Bataev, M. Golkovskii, A. Bataev, A. Losinskaya, R. Dostovalov, A. Popelyukh, E. Drobyaz // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 242. – P. 164–169. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.01.038.

15. Non-vacuum electron-beam carburizing and surface hardening of mild steel / I.A. Bataev, M.G. Golkovskii, A.A. Losinskaya, A.A. Bataev, A.I. Popelyukh, T. Hassel, D.D. Golovin // Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 322. – P. 6–14. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.09.137.

16. Влияние низкотемпературной цементации в плазме электронного пучка на упрочнение и шероховатость поверхности метастабильной аустенитной стали / П.А. Скорынина, А.В. Макаров, А.И. Меньшаков, А.Л. Осинцева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – С. 97–109. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-97-109.

17. Структура и свойства поверхностных слоев низкоуглеродистой стали, полученных методом наплавки углеродсодержащих порошковых смесей и последующей закалки / А.А. Лосинская, Е.А. Дробяз, В.А. Батаев, Н.В. Плотникова, М.Г. Голковский // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. – 2013. – № 4 (61). – С. 5–11.

18. Влияние фрикционной обработки и низкотемпературной плазменной цементации на структуру и фазовый состав метастабильной аустенитной стали / Р.А. Саврай, П.А. Скорынина, А.В. Макаров, А.И. Меньшаков, В.С. Гавико // Физика металлов и металловедение. – 2023. – Т. 124, № 5. – С. 409–416. – DOI: 10.31857/S0015323023600442.

19. Structure and surface properties of metastable austenitic steel subjected to liquid carburizing at a reduced temperature / R.A. Savrai, P.A. Skorynina, A.V. Makarov, A.L. Osinceva // Physics of Metals and Metallography. – 2020. – Vol. 121 (1). – P. 65–71. – DOI: 10.1134/S0031918X20010135.

20. Effect of liquid carburizing at lowered temperature on the micromechanical characteristics of metastable austenitic steel / R.A. Savrai, P.A. Skorynina, A.V. Makarov, A.L. Osinceva // Physics of Metals and Metallography. – 2020. – Vol. 121 (10). – P. 1015–1020. – DOI: 10.1134/S0031918X20100105.

21. Visualization of the reverse side of cathode and anode spots in a welding arc / Y.I. Karlina, A.E. Balanovskiy, G.E. Kurdyumov, V.A. Gladkikh, V.Y. Konyukhov, T.A. Oparina, R.V. Kononenko, V.V. Kondratiev // Applied Sciences. – 2026. – Vol. 16. – P. 3385. – DOI: 10.3390/app16073385.

22. Балановский А.Е., Ву Ван Гюи. Насыщение поверхности металла углеродом при плазменной поверхностной обработке // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2017. – Т. 13, № 9 (153). – С. 82–91.

23. Ву Ван Гюи, Балановский А.Е. Исследование износостойкости поверхности стали после плазменной цементации с использованием углеродосодержащей пасты // Вестник ИрГТУ. – 2017. – Т. 21, № 4. – С. 10–21.

24. Ву Ван Гюи, Балановский А.Е. Физические основы технологии плазменной поверхностной цементации деталей на примере втулки шпинтона пассажирского вагона // Вестник ИрГТУ. – 2017. – Т. 21, № 3. – С. 10–22.

25. Балановский А.Е., Ву Ван Гюи. Плазменная поверхностная цементация с использованием графитового покрытия // Письма о материалах. – 2017. – Т. 7, № 2. – С. 175–179. – DOI: 10.22226/2410-3535-2017-2-175-179.

26. New plasma carburizing method / A.E. Balanovskii, M.V. Grechneva, Vu Van Huy, D.A. Zhuravlev // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87. – P. 092003. – DOI: 10.1088/1755-1315/87/9/092003.

27. Surface saturation with carbon using plasma arc and graphite coating / V.H. Vu, A.E. Balanovskiy, V.T. Doan, V.T. Nguyen // Tribology in Industry. – 2021. – Vol. 43 (2). – P. 211–221. – DOI: 10.24874/ti.951.08.20.12.

28. Balanovskiy A.E. Digital visualisation of the process of heating and melting of metal in arc discharge with a non-consumable electrode // Welding International. – 2017. – Vol. 31 (6). – P. 467–476. – DOI: 10.1080/09507116.2016.1268765.

29. Höche D., Kaspar J., Schaaf P. 2 – Laser nitriding and carburization of materials // Laser surface engineering: processes and applications / ed. by J. Lawrence and D.G. Waugh. – Elsevier, 2015. – P. 33–58. – (Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials; no. 65). – DOI: 10.1016/B978-1-78242-074-3.00002-7.

30. Katsamas A.I., Haidemenopoulos G.N. Laser-beam carburizing of low-alloy steels // Surface and Coatings Technology. – 2001. – Vol. 139 (2–3). – P. 183–191. – DOI: 10.1016/S0257-8972(00)01061-6.

31. Maharjan N., Zhou W., Wu N. Direct laser hardening of AISI 1020 steel under controlled gas atmosphere // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 385. – P. 125399. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125399.

32. The effect of laser energy density on the microstructure, residual stress and phase composition of H13 steel treated by laser surface melting / J. Zhang, M. Yu, Z. Li, Y. Liu, Q. Zhang, R. Jiang, S. Sun // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 856. – P. 158168. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.158168.

33. Laser surface hardening of carburized steels: a review of process parameters and application in gear manufacturing / J. Kluczynski, K. Jasik, J. Luszczek, J. Pokropek // Materials. – 2025. – Vol. 18 (15). – P. 3623. – DOI: 10.3390/ma18153623.

34. Поздняков Е.П., Степанкин И.Н. Влияние длительности цементации на структуру и свойства конструкционных среднеуглеродистых сталей 40Х, 35ХГСА и 42CrMoS4 // Литье и металлургия. – 2024. – № 1. – С. 69–77. – DOI: 10.21122/1683-6065-2024-1-69-77.

35. Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Исследование процесса поверхностного обезуглероживания стали 20 после цементации и термической обработки // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 3. – С. 122–136. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-122-136.

36. Wong A. Modelling the stability and transformation kinetics of retained austenite in steels // Materials Science and Technology. – 2022. – Vol. 38 (11). – P. 676–688. – DOI: 10.1080/02670836.2022.2063539.

37. The effect of morphology on the stability of retained austenite in a quenched and partitioned steel / X.C. Xiong, B. Chen, M.X. Huang, J.F. Wang, L. Wang // Scripta Materialia. – 2013. – Vol. 68 (5). – P. 321–324. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2012.11.003.

38. Advantages and shortcomings of retained austenite in bearing steels: a review / C. Sidoroff, M. Perez, P. Dierickx, D. Girodin // Bearing Steel Technologies: 10th Volume, Advances in Steel Technologies for Rolling Bearings. – ASTM International, 2014. – P. 1–37. – DOI: 10.1520/STP158020140081.

39. Effect of retained austenite – Compressive residual stresses on rolling contact fatigue life of carburized AISI 8620 steel / Y. Shen, S.M. Moghadam, F. Sadeghi, K. Paulson, R.W. Trice // International Journal of Fatigue. – 2012. – Vol. 75. – P. 135–144. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.02.017.

40. Evans M.H. An updated review: white etching cracks (WECs) and axial cracks in wind turbine gearbox bearings // Materials Science and Technology. – 2016. – Vol. 32 (11). – P. 1133–1169. – DOI: 10.1080/02670836.2015.1133022.

41. Kumar S., Singh S.B. Quantification of retained austenite in low-carbon steels // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2023. – Vol. 54 (11). – P. 4283–4294. – DOI: 10.1007/s11661-023-07162-1.

42. Evaluation of retained austenite in carburized bearing steel using magneto-inductive method / L.G. Ionescu, M.V. Pantawane, C. Tanase, R.V. Sichim, C.A. Dascalu, B. Ghiban // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (8). – P. 1173. – DOI: 10.3390/cryst13081173.

43. Zhu Z., Liang Y. Prediction of residual stress of carburized steel based on machine learning // Applied Sciences. – 2020. – Vol. 10 (21). – P. 7759. – DOI: 10.3390/app10217759.

44. Experimental study on vacuum carburizing process for low-carbon alloy steel / S. Wei, G. Wang, X. Zhao, X. Zhang, Y. Rong // Journal of materials engineering and performance. – 2014. – Vol. 23 (2). – P. 545–550. – DOI: 10.1007/s11665-013-0762-1.

45. Effectiveness of machine-learning and deep-learning strategies for the classification of heat treatments applied to low-carbon steels based on microstructural analysis / J. Muñoz-Rodenas, F. García-Sevilla, J. Coello-Sobrino, A. Martínez-Martínez, V. Miguel-Eguía // Applied Sciences. – 2023. – Vol. 13. – P. 3479. – DOI: 10.3390/app13063479.

46. Jovicevic-Klug P., Podgornik B. Review on the effect of deep cryogenic treatment of metallic materials in automotive applications // Metals. – 2020. – Vol. 10 (4). – P. 434. – DOI: 10.3390/met10040434.

47. Effect of cryogenic treatment on microstructure, mechanical properties and distortion of carburized gear steels / Y. Yan, K. Liu, Z. Luo, M. Wang, X. Wang // Metals. – 2021. – Vol. 11. – P. 1940. – DOI: 10.3390/met11121940.

48. Changes in microstructure of ledeburitic tool steel due to vacuum austenitizing and quenching, sub-zero treatments at – 140°C and tempering / J. Durica, J. Ptacinová, M. Dománková, L. Caplovic, M. Caplovicová, L. Hrušovská, V. Malovcová, P. Jurci // Vacuum. – 2019. – Vol. 170. – P. 108977. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2019.10897.

49. ASTM E975-13. Standard Practice for X-Ray Determination of Retained Austenite in Steel with Near Random Crystallographic Orientation. – West Conshohocken, PA, USA: ASTM International, 2013.

50. Effects of nucleation site and morphology of carbide-free bainite on microstructures and properties of bainite/martensite multi-phase steels / J. Zhao, X. Zhao, X. Zhao, C. Dong, S. Kang // Materials Science and Engineering: A. – 2019. – Vol. 744. – P. 86–93. – DOI: 10.1016/j.msea.2018.11.060.

51. Wingens T. Techniques for determining retained austenite // AM&P Technical Articles. – 2022. – Vol. 180. – P. 60–64. – DOI: 10.31399/asm.amp.2022-05.p060.

52. Koistinen D., Marburger R. A general equation prescribing the extent of the austenite-martensite transformation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steels // Acta Metallurgica. – 1959. – Vol. 7. – P. 59–60. – DOI: 10.1016/0001-6160(59)90170-1.

53. Возможности метода дифракции обратно-рассеянных электронов для анализа структуры деформированных материалов / В.Н. Варюхин, Е.Г. Пашинская, А.В. Завдовеев, В.В. Бурховецкий. – Киев: Наукова думка, 2014. – 102 с. – DOI: 10.13140/2.1.5016.6720.

54. Advancements in EBSD techniques: a comprehensive review on characterization of composites and metals, sample preparation, and operational parameters / S. Doddapaneni, S. Kumar, S. Sharma, G. Shankar, M. Shettar, N. Kumar, G. Aroor, S.M. Ahmad // Journal of Composites Science. – 2025. – Vol. 9 (3). – P. 132. – DOI: 10.3390/jcs9030132.

55. Kalsi N.S., Sehgal R., Sharma V.S. Cryogenic treatment of tool materials: a review // Materials and Manufacturing Processes. – 2010. – Vol. 25 (10). – P. 1077–1100. – DOI: 10.1080/10426911003720862.

56. Singla A.K., Vishal J., Sharma V.S. Processing of materials at cryogenic temperature and its implications in manufacturing: a review // Materials and Manufacturing Processes. – 2018. – Vol. 33 (15). – P. 1603–1640. – DOI: 10.1080/10426914.2018.1424908.

57. Reitz W., Pendray J. Cryoprocessing of materials: a review of current status // Materials and Manufacturing Processes. – 2001. – Vol. 16 (6). – P. 829–840. – DOI: 10.1081/AMP-100108702.

58. Jurci P., Dlouhý I. Cryogenic treatment of martensitic steels: microstructural fundamentals and implications for mechanical properties and wear and corrosion performance // Materials. – 2024. – Vol. 17. – P. 548. – DOI: 10.3390/ma1703054.

59. Senthilkumar D., Rajendran I. A research review on deep cryogenic treatment of steels // International Journal of Materials and Structural Integrity. – 2014. – Vol. 8. – P. 169–184. – DOI: 10.1504/IJMSI.2014.064784.