к.т.н., доцент кафедры «Управление качеством»
344010, Россия, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Cand. Sci. (Eng), Assist. Professor of the Chair “Quality Management”
Rostov-on-Don, Russia
д.т.н., профессор кафедры «Физическое и прикладное материаловедение»
344010, Россия, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Dr Sci. (Eng), Professor of the Chair “Physical and Applied Material Science”
Rostov-on-Don, Russia
аспирант кафедры «Физическое и прикладное материаловедение»
344010, Россия, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Postgraduate of the Chair “Physical and Applied Material Science”
Rostov-on-Don, Russia
Процессы традиционной химико-термической обработки стали имеют большую продолжительность, поэтому предлагаются новые методы интенсификации диффузионного насыщения с помощью высокоэнергетического воздействия на поверхность материала. Примикродуговом легировании стальное изделие погружают в контейнер, заполняемый порошком каменного угля, и нагревают его путем пропускания электрического тока. В порошковой среде образуются микроразряды, которые концентрируются вокруг изделия и создают область газового разряда с образованием углеродсодержащей газовой среды; эта среда дает возможность осуществлять цементацию стали. Нанесение обмазки, содержащей диффузант, позволяет формировать покрытия карбидного типа за счет одновременной диффузии углерода и легирующих элементов. Изучено влияние микродугового поверхностного легирования стали ванадием на механические свойства диффузионного покрытия, а также выявлен ведущий механизм упрочнения стали при микродуговом легировании. Использовали цилиндрические образцы из стали 20, источником диффузанта являлся порошок феррованадия. Плотность тока на поверхности образцов состав-ляла 0,3 А/см2, общая продолжительность процесса 3 мин. Механические свойства покрытий оценивали методом индентирования с использованием пирамидального индентора при нагрузках 2,5, 20 и 100 мН. Диффузионный слой толщиной 170 – 180 мкм состоит из основы микротвердостью 8 – 9 ГПа, в которой расположены слаботравящиеся включения размером до 5 мкм микротвердостью 21 – 25 ГПа. Основа слоя представляет собой α-твердый раствор ванадия в железе, а включения являются карбидами типа VC0,863 . Методом атомно-силовой микроскопии установлено, что рельеф поверхности определяется как отдельными относительно крупными карбидными частицами размером до 3 мкм, так и множественными наноразмерными карбидными включениями, которые выполняют роль упрочняющей фазы, обеспечивающей высокую микротвердость покрытия. Методом индентирования поперечного сечения упрочненного слоя с использованием различных нагрузок доказано упрочняющее влияние карбидных частиц. Расчетная оценка возможных механизмов упрочнения показала, что наибольший вклад в упрочнение диффузионного слоя вносит дисперсионная составляющая, которая существенно повышает предел текучести α-твердого раствора железа по сравнению с исходным состоянием и в 38 раз превосходит вклад твердорастворного упрочнения.
Traditional processes of thermochemical treatment of steel have a longer duration, so there are proposed the new methods of intensification of diffusion saturation with high-energy impacts on the material surface. In the process of micro-arc alloying the steel product is immersed in a container filled with powder of coal, and is heated by passing electric current. In a powder environment, microdischarges are formed, which are concentrated around the product and create an area of gas discharge with the formation of a carbonaceous gas environment, which enables carburizing of steel. The application of coating containing diffusant allows forming coating of a carbide type due to simultaneous carbon diffusion into alloying elements. The influence of micro-arc surface alloying of steel with vanadium on mechanical properties of diffusion coatings is studied, and the primary mechanism of steel hardening at microarc alloying is revealed. Cylindrical samples of 20 steel were used; the source diffusant was a powder of ferrovanadium. Current density on the sample surface was 0.3 A/cm2, total duration of the process was 3 min. The mechanical properties of coatings were evaluated by means of indentation using pyramidal indenter, at loads of 2.5 mN, 20 mN and 100mN. The diffusion layer with thickness of 170 – 180 μm consists of a base with hardness of 8 – 9 GPa, containing mild etching inclusions of up to 5 μm with microhardness of 21 – 25 GPa. The base of the layer represents an α-solid solution of vanadium in iron, and inclusions are carbides of VC0.863 type. By atomic force microscopy it was established, that the surface relief is defined by single, relatively large carbide particles with a size of up to 3 μm, and by plural nano-sized carbide particles, which act as the strengthening phase, providing high microhardness of the coating. By method of indentation of the hardened layer cross section using different loads hardening effect of the carbide particles is proven. Estimation of possible mechanisms of hardening have shown that the greatest contribution to diffusion layer hardening is made by dispersion component significantly increasing the yield stress of α-solid solution of iron in comparison with the initial state, which is 38 times greater than the contribution of solid-solution hardening.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.