сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
аспирант
Брянск, Брянская область, Россия
сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
сотрудник
Челябинск, Челябинская область, Россия
сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 621.785.52 Цементация (поверхностное насыщение углеродом)
УДК 621.791.754.6 Сварка вольфрамовым электродом в инертном газе (способ WIG)
ББК 342 Металловедение
В статье предложен новый способ поверхностного упрочнения стальных изделий с использованием аргонодуговой наплавки и науглероживающих паст на основе сварочного флюса и графитового порошка. Исследованы различные составы паст, варьируя соотношение компонентов с целью оптимизации структуры и свойств (твердости) поверхностного слоя. Проведен анализ микроструктур, химического состава и твердости наплавленного слоя. Установлено, что оптимальные составы паст обеспечивают формирование в поверхностном слое карбидных структур, что существенно повышает твердость. Наибольшая эффективность достигнута при использовании паст с повышенным содержанием графита, где образуется мелкодисперсная структура с равномерным распределением упрочняющих карбидных фаз. Твердость поверхностного слоя достигает 49 HRC, что делает предложенную технологию перспективной для применения в машиностроении. Разработанный способ превосходит традиционные способы упрочнения, такие как химико-термическая обработка (ХТО), в частности, цементация, за счет более быстрого формирования упрочняющих высокоуглеродистых фаз. На разработанный состав пасты для нового способа науглероживания был получен патент РФ. Предложенный способ науглероживания поверхности может быть использован для упрочнения деталей, подверженных высоким нагрузкам и износу, что способствует повышению их эксплуатационных характеристик и срока службы деталей. Цель исследования: разработать новый способ науглероживания поверхности стальных изделий посредством аргонодуговой наплавки с использованием науглероживающих паст и оптимизировать состав разрабатываемой пасты для обеспечения оптимальной структуры поверхностного слоя. Задача: разработка нового способа науглероживания поверхности стальных изделий методом аргонодуговой наплавки с использованием специальных науглероживающих паст для повышения твердости и эксплуатационных свойств поверхностного слоя стальных деталей. Методы исследования: 1) Подготовка паст из сварочного флюса и графита; 2) Аргонодуговая наплавка на стальные образцы; 3) Анализ микроструктуры, твердости и химического состава; 4) Контроль качества упрочненного слоя. Новизна работы: 1) Новый способ упрочнения с использованием аргонодуговой наплавки и специальных паст. 2) Оптимизированные составы паст обеспечивают науглероживание поверхности при аргонодуговой наплавке и как следствие высокую твердость. 3) Технология быстрее и эффективнее традиционных методов цементации, которые можно представить как альтернативу предлагаемому способу. Результаты исследования: 1) Науглероживающие пасты составов №3–№5, представленные в статье, обеспечивают получение карбидных структур с высокой твердостью; 2) Наибольшая твердость (49 HRC) достигнута с пастой №5, содержащей графитовый порошок и сварочный флюс в соотношении 80/20 %; 3) Отсутствие дефектов в виде различных несплошностей в наплавленном слое. Вывод: Разработанный способ аргонодуговой наплавки для науглероживания поверхностности стальных деталей с использованием специальных паст эффективен для упрочнения стальных изделий, его применение обеспечивает высокую твердость поверхностного слоя деталей.
поверхность, химико-термическая обработка, цементация, сталь, наплавка, паста, состав, микроструктура, твердость
1. Wołowiec-Korecka, E. Carburising and Nitriding of Iron Alloys / Emilia Wołowiec-Korecka. – Switzerland AG: Springer, 2024. 185 p. – doi.org/10.1007/978-3-031-59862-3.
2. Интенсификация процессов химико-термической обработки сталей : [монография] / Л.Г. Петрова, В.А. Александров, П.Е. Демин, А.С. Сергеева; под ред. Л.Г. Петровой. М.: МАДИ, 2019. 160 с.
3. Parrish, G. Carburizing: Microstructures and Properties / Geoffrey Parrish. – Ohio, Materials Park: ASM International, 1999. 247 p. – DOI:https://doi.org/10.1361/cmap1999p001.
4. Определение углеродного потенциала и коэффициента массопереноса углерода при вакуумной цементации сталей / Ю.С. Семёнов, А.Е. Смирнов, Л.П. Фомина, С.Н-у. Абсаттаров // Металловедение и термическая обработка металлов. 2024. № 1. С. 8-13. – doi.org/10.30906/mitom.2024.1.8-13.
5. Hosmani, S.S. An Introduction to Surface Alloying of Metals / Santosh S. Hosmani, P. Kuppusami, Rajendra Kumar Goyal. – New Delhi: Springer, 2014. 133 p.
6. Плазменно-¬электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2-¬х т. Т. I. / И.В. Суминов, П.Н. Белкин, А.В. Эпельфельд, В.Б. Людин, Б.Л. Крит, A.M. Борисов // Под общей редакцией И.В. Суминова. М.: Техносфера, 2011. 464 c.
7. Берлин, Е.В. Упрочнение стальных деталей плазмохимической обработкой : справоч. пособ. / Е.В. Берлин, Н.Н. Коваль, Л.А. Сейдман. М. ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. 468 с.
8. Влияние фрикционной обработки и низкотемпературной плазменной цементации на микротвердость и электромагнитные характеристики метастабильной аустенитной стали / Р.А. Саврай, П.А. Скорынина, А.В. Макаров, Л.Х. Коган, А.И. Меньшаков // Физика металлов и металловедение. 2023. № 8. С. 748-755. – DOI:https://doi.org/10.31857/S0015323023600697.
9. Davis, J.R. Surface Hardening of Steels / Ed. by J.R. Davis. – Ohio, Materials Park: ASM International, 2002. 319 p. – DOI:https://doi.org/10.1361/shos2002p001.
10. Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques / Ed. By Yves Pauleau // School of Electrochemical and Electrometallurgical Engineering National Polytechnic Institute of Grenoble, Grenoble, France. – Oxford: Elsevier, 2006. 722 p.
11. Упрочнение металлических поверхностей электрической дугой / А. Е. Михеев, А. В. Гири, С. С. Ивасев, Р. В. Карпов // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева, 2005. № 5. С. 220-223.
12. Домбровский, Ю.М. Влияние параметров микродуговой цементации и борирования стали на строение диффузионного слоя / Ю.М. Домбровский, М.С. Степанов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2020. № 11 – 12, т. 63. С. 929-934.
13. Рябцев, И.А. Теория и практика наплавочных работ / И.А. Рябцев, И.К. Сенченков. К.: «Екотехнологiя», 2013. 400 с.
14. Красиков, П.П. Исследование формирования корневых швов при сварке в защитных газах с применением флюсовых паст: дис. … канд. техн. наук 2.5.8 Сварка, родственные процессы и технологии (технические науки) / Волгоградский государственный технический университет. Волгоград, 2022. 169 с.
15. Кипер, Р.А. Свойства веществ : Справочник по химии / Р. А. Кипер. Хабаровск, 2013. 1016 с.
16. Украинцев, А.Л. Разработка состава активирующего флюса на базе традиционных оксидных элементов для технологии A-TIG / А.Л. Украинцев, К. В. Макаренко // Новые горизонты: сборник материалов и докладов Ⅹ научно-практической конференции с международным участием, Брянск, 14 апреля 2023 года. – Брянск: Брянский государственный технический университет, 2023. С. 321-324.
17. Исследование энергоэффективности процесса А-ТИГ сварки нержавеющих сталей с использованием индивидуальных флюсов-оксидов / Р.М. Саидов, М. Куш, П. Майр, К. Хоефер, Й. Хуанг, Д. Р. Комилова // Comp. nanotechnol., 2017. № 3. С. 36-44.
18. Потапьевский, А.Г. Сварка сталей в защитных газах плавящимся электродом. Техника и технология будущего: монография / А.Г. Потапьевский, Ю.Н. Сараев, Д.А. Чинахов. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. 208 с.
19. Влияние цементации на структуру и коррозионную стойкость низкоуглеродистой стали С22 / Ф. З. Бенлахреджхе, Э. Ноуиджер, Л. Яхиа, А. Ноуиджер // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2022. № 4. С. 41-44. – doi.org/10.30906/mitom.2022.4.41-44.
20. Влияние химико-термической и поверхностных механических обработок на микроструктуру, свойства и сопротивление усталости стали 20Х / В. П. Кузнецов, А. В. Корелин, В. В. Воропаев, А. С. Юровских, А. С. Скоробогатов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2025. № 1. С. 28-39. – doi.org/10.30906/mitom.2025.1.28-39.
21. Савицкий, Я. Влияние стадий вакуумной цементации на деформации в шлицевых соединениях из сталей 16MnCr5, AMS6265 и 17CrNiMo7-6 // Я. Савицкий, К. Дубовский, П. Згорняк // Металловедение и термическая обработка металлов. 2020. № 9. С. 31-35. – doi.org/10.30906/mitom.2020.9.31-35.
22. Смирнов, А.Е. Управление фазовым составом комплексно-легированных теплостойких сталей при вакуумной цементации и закалке / А. Е. Смирнов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2020. № 9. С. 45-52. – doi.org/10.30906/mitom.2020.9.45-52.
23. Исследование равномерности микротвердости образцов стали 40Х после цементации / Д.О. Щуркин, А.С. Ахмедова, В.А. Кошуро, А.А. Фомин // Закономерности развития современного естествознания, техники и технологий. Белгород, 30 января 2018 г. Сборник науч. тр. по материалам Международной науч.-прак. конфер. Под общей редакцией Е.П. Ткачевой, 2018. С. 203-206.
24. Трибологическое поведение стали 20 после локальной цементации при струйном электролитно-плазменном нагреве / Е.В. Сокова, И.М. Наумов, М.А. Носова, Л.М. Маркина, Р.Д. Белов, В.А. Гапонов // Кайбышевские чтения. Уфа, 16–20 октября 2023 г. Сборник материалов Третьей Международной школы-конфер. молодых ученых. Уфа, 2023. С. 127-128.
25. Илюшин, В.В. Термическая обработка крупногабаритных поковок из стали 12ХН3А, подвергающихся глубокой цементации / В.В. Илюшин, Н.А. Данилова // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2008. № 4. С. 137-142.
26. Тельдеков, В.А. Оптимизация технологии цементации втулок звена гусениц в атмосфере газовоздушной смеси / В.А. Тельдеков, Л.М. Гуревич // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2020. № 10 (245). С. 82-87. – DOI:https://doi.org/10.35211/1990-5297-2020-10-245-82-87.
27. Краткая энциклопедия по структуре материалов / Под ред. Д.В. Мартина. М.: Техносфера, 2011. 608 с.
28. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ в примерах практического применения / М.М. Криштал, И.С. Ясников, В.И. Полунин, А.М. Филатов, А.Г. Ульяненков. Под общ. ред. М.М. Криштала. М.: Техносфера, 2009. 208 с.
29. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов / Ю.Р. Колобов, Р.З. Валиев, Г.П. Грабовецкая и др. – Новосибирск: Наука, 2001. 232 с.
30. Сильман, Г.И. Проявление аустенитно-карбидного расслоения в жидком чугуне / Г.И. Сильман, К.В. Макаренко // Металловедение и термическая обработка металлов. 2012. № 9. С. 24-26.
31. Патент RU 2755912 C1 Российская Федерация. Науглероживающая паста для наплавки : № заявки 2021103164 : заявл. 09.02.2021: опубл. 22.09.2021 / Макаренко К.В., Савинов Д.Н., Вдовин А.В. 6 с.
