№ 4 (2021)

Перспективным методом повышения поверхностной прочности и износостойкости деталей и конструкций, выполненных из аустенитных нержавеющих сталей, является ионно-плазменное насыщение атомами внедрения (азотом или углеродом). В работе рассмотрено влияние метода и температуры ионно-плазменной обработки на фазовый состав, толщину и прочностные свойства (микротвердость) поверхностных слоев в образцах аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3. Стальные образцы с крупнозернистой структурой азотировали в плазме дугового и тлеющего разрядов при различных температурах (400, 550 и 700 °С). Независимо от температуры и метода обработки ионно-плазменное азотирование приводит к формированию упрочненных поверхностных слоев в стальных образцах. При этом толщина и фазовый состав упрочненного слоя зависят как от метода, так и от температуры обработки. Насыщение поверхности образцов азотом в тлеющем разряде при температуре 400 °С способствует формированию тонкого слоя S-фазы (пересыщенного азотом аустенита, толщина слоя 4 мкм). При той же температуре обработки в плазме дугового разряда происходит формирование гетерофазного (Fe-γ_N, Fe₄N, CrN и Fe-α) поверхностного слоя существенно большей толщины (40–45 мкм). Независимо от метода обработки насыщение поверхности стальных образцов при температурах 550 и 700 °С сопровождается формированием толстых гетерофазных упрочненных слоев (40–60 мкм). При этом режим обработки слабо влияет на фазовый состав таких слоев, но существенным образом воздействует на соотношение объемного содержания фаз. В образцах, подвергнутых ионно-плазменной обработке по разным режимам, профиль распределения микротвердости всегда имеет три характерные зоны: композиционный слой (или S-фаза при ионно-плазменной обработке в тлеющем разряде при Т_а=400 °С), диффузионная зона и матрица. С повышением температуры насыщения толщина переходной диффузионной зоны возрастает независимо от метода ионно-плазменной обработки.

Повышенные антикоррозионные, прочностные, трибологические и физические характеристики – особенности сталей с повышенным содержанием азота. Поиск путей упрочнения высокоазотистых сталей является перспективным направлением современного металловедения. Термические обработки – один из способов упрочнения азотистых сталей за счет дисперсионного твердения нитридными частицами. В работе исследовано влияние кратковременного высокотемпературного старения и больших пластических деформаций, реализуемых методом сдвига под давлением (СД) 8 ГПа на наковальнях Бриджмена (3 оборота наковален со скоростью вращения 0,3 об/мин) при комнатной температуре, на структурно-фазовые превращения и микромеханические свойства высокоазотистой стали 08Х22ГА1,24 со смешанной структурой металлической матрицы γ (аустенит) + a (феррит). Установлено, что старение (0,5 ч) при температуре 650 °С закаленной от 1180 °С стали приводит к формированию смешанной аустенитно-ферритной структуры металлической матрицы в пропорции 50 об. % g и 50 об. % α и выделению протяженных вторичных нитридов хрома Cr₂N, образующих совместно с прослойками феррита участки с перлитоподобной структурой. Данные участки обуславливают повышенную микротвердость стали с аустенитно-ферритной структурой матрицы (385±8 HV 0,025) по сравнению с микротвердостью стали, состаренной при температуре 550 °С (0,5 ч) и имеющей аустенитную структуру матрицы, упрочненной вторичными нитридами CrN (364±8 HV 0,025). Деформация СД состаренной при 650 °С (0,5 ч) стали с исходной g+a+Cr₂N структурой приводит к g→aʹ превращению и формированию сумбикро- и нанокристаллической структуры. Это вызывает эффективное повышение прочности стали (до 900±29 HV 0,025) и рост сопротивления упругопластическому деформированию по сравнению с состаренным при 550 °С (0,5 ч) состоянием.

Показана востребованность коррозионностойких материалов для химической промышленности, а также перспективность создания слоистых металлических материалов с внутренним протектором (СММ с ВП). Предложены архитектура и состав слоев СММ с ВП, обеспечивающие устойчивую работу в высокоагрессивных средах Установлена возможность повышения коррозионной стойкости в сравнении с высоколегированными нержавеющими сталями аустенитного класса в 10 и более раз. Указана эффективность применения сварки взрывом для получения СММ с ВП. Рассмотрен пример получения четырехслойного материала с одним внутренним протектором из низколегированной, низкоуглеродистой стали следующей архитектуры: слои 12Х18Н10Т + 09Г2С + 12Х18Н10Т по 2 мм каждый и основной слой 09Г2С – 10 мм. Разработаны технологические схемы выполнения стыкового сварного соединения такого материала, определены особенности формирования его микроструктуры и свойств. Применен энергодисперсионный микроанализ для получения карт распределения характерных химических элементов в слоях и межслойных границах. Исследованы особенности коррозионного поражения сварного шва и околошовной зоны. Показана необходимость применения облицовочного слоя в сварном шве. Полученные результаты подтверждены микроструктурными, рентгенотомографическими, гравиметрическими исследованиями. Для оценки качества сварного соединения были проведены коррозионные испытания сварного шва и околошовной зоны, выполнен визуально-измерительный контроль, рентгеновская томография. Коррозионные испытания производили с применением 10%-го водного раствора хлорида железа III. Представлены результаты испытаний сварного соединения на статический изгиб. Критерием оценки служило отсутствие излома, расслоений и трещин. Установлена возможность получать бездефектное сварное соединение СММ с ВП с высокой коррозионной стойкостью и повышенными механическими свойствами.

Фрикционная обработка является эффективным методом повышения прочности и износостойкости аустенитных хромоникелевых сталей. Ранее авторами было установлено, что высокий уровень механических свойств метастабильных аустенитных сталей достигается при интенсивном развитии деформационного γ→α′-превращения. Однако наличие мартенсита деформации в структуре аустенитной стали может отрицательно влиять на ее антикоррозионные свойства. Актуальным направлением исследований является поиск возможностей повысить прочностные характеристики стабильной аустенитной хромоникелевой стали с сохранением высокой стойкости к коррозионному разрушению. В настоящей работе для оценки механических характеристик стали 03Х16Н14М3Т в закаленном состоянии и после фрикционной обработки применяли метод измерения твердости по восстановленному отпечатку и метод инструментального микроиндентирования, позволяющий записывать диаграммы нагружения и разгружения индентора. Стойкость стали к коррозионному разрушению исследовали при испытаниях на общую коррозию. Проводили сравнение скорости коррозии аустенитной стали после шлифования, электрополирования и фрикционной обработки. С применением растровой электронной микроскопии и оптической профилометрии изучали поверхности стали, подвергнутые указанным обработкам, и определяли их шероховатость. Наноструктурирующая фрикционная обработка обеспечивает упрочнение поверхности стабильной аустенитной стали до 570 HV 0,025. Показана высокая эффективность применения фрикционной обработки для повышения характеристик прочности и сопротивления поверхностного слоя стали упругому и пластическому деформированию. Установлено, что аустенитная сталь характеризуется близкими величинами скорости коррозии k_m=(3,26–3,27)∙10⁵ г/(см²∙ч) после электролитического полирования (структура крупнокристаллического аустенита) и после фрикционной обработки (субмикро/нанокристаллическая структура аустенита), в то время как механическое шлифование приводит к двукратному росту скорости коррозии стали 03Х16Н14М3Т вследствие возникновения на шлифованной поверхности микротрещин и вырывов металла. Обоснована определяющая роль качества формируемой различными обработками поверхности (шероховатость, наличие дефектов сплошности) в обеспечении коррозионной стойкости нержавеющей стали.

Лазерная термообработка является одним из эффективных методов повышения эксплуатационных характеристик металлорежущего инструмента. В практике лазерного упрочнения существует несколько методов выбора режима обработки: экспериментальный, расчетный, по справочным данным. Перспективным для оценки параметров зоны обработки является применение метода конечных элементов, использование которого наиболее востребовано для расчета температурного поля сложнопрофильного инструмента. При организации процесса упрочнения наиболее сложными являются выбор и назначение режимов обработки вершины режущего клина. В связи с этим решение многофакторной задачи оптимизации схемы упрочнения области около вершины инструмента актуально при проектировании и автоматизации процесса лазерного упрочнения лезвийного инструмента. В работе методом конечных элементов в программе ANSYS Workbench на примере инструмента с углом заострения 60° проведены численные эксперименты по оптимизации схемы упрочняющей лазерной обработки вершины режущего клина инструмента. Рассмотрено три варианта схемы упрочнения. Первый из них заключается в реализации многократной обработки области, примыкающей к вершине инструмента. Второй состоит в попеременном перемещении пятна лазерной обработки вдоль режущих кромок в области вершины инструмента. Согласно третьему варианту пятна обработки последовательно располагались вдоль биссектрисы угла при вершине инструмента. Показано, что по критерию максимальной глубины оптимальной является схема упрочнения, заключающаяся в попеременном перемещении пятна лазерной обработки вдоль режущих кромок в области вершины инструмента. В этом случае обеспечиваются характеристики зоны упрочнения, превосходящие аналогичные величины, описывающие зону упрочнения для остальных вариантов лазерной обработки вершины режущего клина инструмента.