ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПРИРОДА УПРОЧНЕНИЯ ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ ПРИ МИКРОДУГОВОМ ВАНАДИРОВАНИИ СТАЛИ

Процессы традиционной химико-термической обработки стали имеют большую продолжительность, поэтому предлагаются новые методы интенсификации диффузионного насыщения с помощью высокоэнергетического воздействия на поверхность материала. При
микродуговом 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.

1. Ворошнин Л.Г., Менделеева О.Л., Сметкин В.А. Теория и технология химико-термической обработки: учеб. пособие. – М.: Новое знание; Минск: Новое знание, 2010. – 304 с.

2. Берлин Е.В., Коваль Н.Н., Сейдман Л.А. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей. – М.: Техносфера, 2012. – 464 c.

3. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2-х т. Т. 1 / И.В. Суминов, П.Н. Белкин, А.В. Эпельфельд‚ В.Б. Людин, Б.Л. Крит, А.М. Борисов; под. общ. ред. И.В. Суминова. – М.: Техносфера, 2011. – 464 с.

4. Тюрин Ю.Н., Жадкевич М.Л. Плазменные упрочняющие технологии. – Киев: Наукова думка, 2008. – 216 с.

5. Соснин Н.А., Ермаков С.А., Тополянский П.А. Плазменные технологии. Сварка, нанесение покрытий, упрочнение. – М.: Машиностроение, 2008. – 406 с.

6. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов / И.Н. Кидин, В.И. Андрюшечкин, В.А. Волков, А.С. Холин. – М.: Металлургия, 1978. – 320 с.

7. Спиридонов Н.В., Кобяков О.С., Куприянов И.Л. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин. – Минск: Вышэйшая школа, 1988. – 155 с.

8. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций. Т. 2 / В.Ф. Мазанко, А.В. Покоев, В.М. Миронов и др. – М.: Машиностроение, 2006. – 323 с.

9. Stepanov M.S., Dombrovskii Yu.M., Pustovoit V.N. Diffusion Saturation of Carbon Steel Under Microarc Heating // Metal Science and Heat Treatment. 2017. Vol. 59. No. 1-2. P. 55 – 59.

10. Stepanov M.S., Dombrovskii Yu.M., Pustovoit V.N. Micro-Arc Diffusion Impregnation of Steel with Carbon and Carbide-Forming Elements // Metal Science and Heat Treatment. 2017. Vol. 59. No. 5-6. P. 308 – 312.

11. Домбровский Ю.М., Степанов М.С. Формирование покрытия карбидного типа при микродуговом ванадировании стали // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 4. С. 262 – 267.

12. Stepanov M.S., Dombrovskii Yu.M. Thermodynamic Analysis of Carbide Layer Formation in Steel with Microarc Saturation by Molybdenum // Steel in Translation. 2016. Vol. 46. No. 2. pp. 79 – 82.

13. Oliver W.C., Pharr G.M.. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology // J. Mater. Res. 2004. Vol. 19. No. 1. P. 3 – 20.

14. Schuh С.А. Nanoindentation studies of materials // Materials Today. 2006. Vol. 9. No. 5. P. 32 – 40.

15. Fuqian Yang, James C.M.L. Micro and Nano Mechanical Testing of Materials and Devices. – New York: Springer, 2008. – 387 р.

16. ГОСТ Р 8.748 – 2011. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 1. Метод испытаний. Утв. и введен в действие приказом федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 декабря 2011 г. № 1071.

17. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. – М.: Металлургия, 1979. – 208 с.

18. Гольдштейн М.И., Литвинов В.С., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов. – М.: Металлургия, 1986. – 312 с.

19. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали: Учебник для вузов. – М.: МИСИС, 1999. – 408 с.

20. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990. – 688 с.