Содержание и дисперсность ферросплавов в обмазке при микродуговом легировании стали

Введение. Основным недостатком традиционных процессов диффузионного поверхностного упрочнения стальных изделий является большая продолжительность, поэтому проблема интенсификации таких процессов является актуальной. Для ее решения предложено применение высокоэнергетического воздействия на материал, позволяющего получить упрочненный поверхностный слой из обмазки, в состав которой входят порошки ферросплавов, содержащие легирующие элементы. В литературе отсутствуют данные о необходимом содержании и дисперсности таких порошков в составе обмазки. Цель исследования — выбор размера частиц ферросплавов и их концентрации в обмазке для достижения максимально эффективного упрочнения обрабатываемого изделия.

Материалы и методы. Для экспериментальных исследований использовали цилиндрические образцы из стали 20 диаметром 12 мм и длиной 35 мм, на поверхность которых наносили легирующую обмазку, содержащую порошки ферросплавов и электропроводный гель в качестве связующего. После этого образцы погружали вертикально на половину длины в металлический контейнер, который далее заполняли угольным порошком с размером частиц 0,4–0,6 мм. Затем пропускали электрический ток величиной от 2,5 до 3,0 А в цепи источник питания — контейнер — угольный порошок — образец. Продолжительность процесса составляла 2–8 мин.

Результаты исследования. Выполнена расчетная оценка электрической проводимости угольного порошка, рассчитаны теплофизические параметры микродугового нагрева стали: мощность, выделяемая электрическим током на поверхности стального изделия, плотность теплового потока, энергия единичного микродугового разряда. Получены выражения для расчета размера частиц порошка ферросплавов, а также экспериментальные зависимости толщины диффузионного слоя от размера частиц ферросплавов и их содержания в обмазке.

Обсуждение и заключение. Результаты исследования позволили определить диапазон размеров частиц ферросплавов и их содержание в обмазке, позволяющие обеспечить наиболее эффективное легирование поверхности обрабатываемых изделий. Полученные данные будут использованы при разработке технологических процессов поверхностного упрочнения стальных изделий.

1. Mittemeijer E.J., Somers M.A.J. (eds.). Thermochemical surface engineering of steels. Woodhead Publishing; 2015. 827 p.

2. Czerwinski F. Thermochemical treatment of metals. INTECH Open Access Publisher; 2012. 418 p. http://doi.org/10.5772/51566

3. Берлин Е.В., Коваль Н.Н., Сейдман Л.А. Плазменная химико-термическая обработка стальных деталей. Москва: Техносфера; 2012. 464 с.

4. Капуткин Д.Е., Дураджи В.Н., Капуткина Н.А. Ускоренное диффузионное насыщение поверхности металлов при электро-химико-термической обработке. Физика и химия обработки материалов. 2020;(2):48–57. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2020-2-48-57

5. Александров В.А., Петрова Л.Г., Сергеева А.С., Александров В.Д., Ахметжанова Э.У. Комбинированные плазменные способы химико-термической обработки для создания модифицированных покрытий на инструменте. СТИН. 2019;(3):13–16.

6. Liexin Wu, Li Meng, Yueyue Wang, Shuhuan Zhang, Wuxia Bai, Taoyuan Ouyang, et al. Effects of laser surface modification on the adhesion strength and fracture mechanism of electroless-plated coatings. Surface and Coatings Technology. 2022;429:127927. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127927

7. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Борисов А.М., Крит Б.Л. Микродуговое оксидирование (обзор). Приборы. 2001;(9):13–23.

8. Belkin P.N., Kusmanov S.A. Plasma electrolytic carburising of metals and alloys Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2021;57(1):19–50. https://doi.org/10.3103/S1068375521010038

9. Степанов М.С., Домбровский Ю.М., Давидян Л.В. Оценка механических свойств и природа упрочнения диффузионного слоя при микродуговом ванадировании стали. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2018;61(8):625–630. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-8-625-630

10. Степанов М.С., Домбровский Ю.М. Создание покрытий карбидного типа при микродуговом термодиффузионном вольфрамировании стали. Материаловедение. 2018;(1):20–25.

11. Гюльмалиев А.М., Головин Г.С., Гладун Т.Г. Теоретические основы химии угля. Монография. Москва: Московский государственный горный университет; 2003. 550 с.

12. Еремеева Ж.В., Волкогон Г.М., Ледовской Д.А. Современные процессы порошковой металлургии. Москва: Инфра-Инженерия; 2020. 207 с.