Структура и свойства поверхностного слоя стали 40Х, подвергнутой электромеханической обработке с динамическим силовым воздействием

Приведены результаты комплексных исследований специфических особенностей структуры, микротвердости и глубины упрочненного поверхностного слоя стали 40Х, сформированного в результате электромеханической обработки с динамическим приложением деформирующего усилия (ЭМО с ударом). Исследования проведены методами оптической микроскопии, рентгеноструктурного анализа, определена микротвердость. Способ электромеханической обработки с динамическим силовым воздействием заключался в одновременном пропускании через зону контакта инструмента с деталью импульсов электрического тока и деформирующего усилия. В результате ударно-термического воздействия и тока плотностью 100, 300 и 600 А/мм2 на поверхности стали в поперечном сечении формируются сегменты закаленного слоя разных размеров и с разным составом структур. Анализ структурных и фазовых превращений в поверхностном слое стали 40Х, подвергнутой динамической электромеханической обработке, свидетельствует о формировании специфической структуры белого слоя. Структура и свойства этого слоя близки к аморфному состоянию металла с максимальной твердостью HV 8,0 – 8,5 ГПа. По мере удаления от поверхности (за белым слоем) формируется переходная зона со структурой, не имеющей характерного для мартенсита игольчатого строения. Установлено, что с повышением плотности тока в ходе ударной электромеханической обработки увеличивается глубина упрочнения в 4 – 5 раз и одновременно повышается неоднородность прочностных свойств, микронапряжения увеличиваются на 25 %. Электромеханическое упрочнение с динамическим (ударным) приложением деформирующего усилия вызывает более глубокие превращения в структуре стали по сравнению с традиционной статической электромеханической обработкой с динамическим приложением деформирующего усилия. При электромеханической обработке с ударом увеличивается интенсивность температурно-силового воздействия на поверхностный слой стали, что позволяет управлять процессом формирования структуры и фазовых состояний стали 40Х.

1. Babei Yu.I. Physical Foundations of Pulsed Hardening of Steel and Cast Iron. Kiev: Naukova dumka, 1988, 238 p. (In Russ.).

2. Grigor’yants A.G. Fundamentals of Materials Laser Processing. Moscow: Mashinostroenie, 1989, 301 p. (In Russ.).

3. Gnanamuthu D.S. Laser surface treatment // Optical Engineering. 1980. Vol. 19. No. 5. P. 783–792. http://doi.org/10.1117/12.7972604

4. Askinazi B.M. Hardening and Restoration of Machine Parts by Electromechanical Processing. Moscow: Mashinostroenie, 1989, 200 p. (In Russ.).

5. Bagmutov V.P., Parshev S.N., Dudkina N.G., Zakharov I.N. Electromechanical Processing: Technological and Physical Foundations, Properties, Implementation. Novosibirsk: Nauka, 2003, 318 p. (In Russ.).

6. Bathula S., Anandani R.C., Dhar A., Srivastava A.K. Microstructural features and mechanical properties of Al 5083/SiCp metal matrix nanocomposites produced by high energy ball milling and spark plasma sintering // Material Science and Engineering: A. 2012. Vol. 545. P. 97–102. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.02.095

7. Janicki D. Microstructural evolution during laser surface alloying of ductile cast iron with titanium // Archives of Metallurgy and Materials. 2017. Vol. 62. No. 4. P. 2425–2431. https://doi.org/10.1515/amm-2017-0357

8. Lesyk D.A., Martinez S., Mordyuk B.N., Dzhemelinskyi V.V., Lamikiz A., Prokopenko G.I. Effects of laser heat treatment combined with ultrasonic impact treatment on the surface topography and hardness of carbon steel AISI 1045 // Optics and Laser Technology. 2019. Vol. 111. P. 424–438. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.09.030

9. Brover A.V., Brover G.I. Influence of constant magnetic field on structure formation in steels at high-speed laser processing. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018, vol. 61, no. 8, pp. 638–643. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-8-638-643

10. Ivannikov A.Yu., Kalita V.I., Komlev D.I., Radyuk A.A, Bagmutov V.P., Zakharov I.N., Parshev S.N. The effect of electromechanical treatment on structure and properties of plasma sprayed Ni-20Cr coating // Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 655. P. 11–20. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.09.125

11. Gill A.S., Telang A., Ye C., Mannava S.R., Qian D., Vasudevan V.K. Localized plastic deformation and hardening in laser shock peened Inconel alloy 718 SPF // Materials Characterization. 2018. Vol. 142. P. 15–26. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.05.010

12. Fogagnolo J.B., Rodrigues A.V., Sallica-Leva E., Lima M.S.-L., Caram R. Surface stiffness gradient in Ti parts obtained by laser surface alloying with Cu and Nb // Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 297. P. 34–42. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.04.025

13. Biswas A., Li L., Chatterjee U.K., Manna I., Pabi S.K., Majumdar J.D. Mechanical and electrochemical properties of laser surface nitrided Ti–6Al–4V // Scripta Materialia. 2008. Vol. 59. No. 2. P. 239–242. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2008.03.020

14. Guo W., Dong S., Guo W., Francis J.A., Li L. Microstructure and mechanical characteristics of a laser welded joint in SA508 nuclear pressure vessel steel // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 625. P. 65–80. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.11.056

15. Zou J.X., Zhang K.M., Hao S.Z., Dong C., Grosdidier T. Mechanisms of hardening, wear and corrosion improvement of 316 L stainless steel by low energy high current pulsed electron beam surface treatment // Thin Solid Films. 2010. Vol. 519. No. 4. P. 1404–1415. http://dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2010.09.022

16. Dudkina N.G., Fedorov A.V., Svitachev S.Yu. The method of parts processing by surface plastic deformation. Patent RF no. 2168552. Byulleten’ izobretenii. 2001, no. 16. (In Russ.).

17. Edigarov V.R., Litau E.V., Malyi V.V. Combined electromechanical processing with dynamic impact. Omskii nauchnyi vestnik. 2015, no. 1 (137), pp. 69–73. (In Russ.).

18. Matlin M.M., Dudkina N.G., Dudkin A.D. Hardened layer formation during electromechanical processing with dynamic impact. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2007, no. 6 (30), pp. 39–40. (In Russ.).

19. Dudkina N.G. Surface layer of U10 steel after electromechanical processing with dynamic force impact. Izvestiya VolgGTU. 2017, no. 6 (201), pp. 148–153. (In Russ.).

20. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N. X-ray and Electron Optical Analysis. Moscow: MISIS, 2002, 360 p. (In Russ.).