Abstract: The study focuses on modern surface treatment methods for steels aimed at improving their mechanical properties and corrosion resistance. It explores various strengthening techniques, such as quenching, nitriding, plasma treatment, carburization, and pulse electron beam processing, highlighting the latest advancements in this field. The study examines the advantages and disadvantages of each method, as well as their impact on surface hardness and roughness. It presents research findings that demonstrate a significant increase in corrosion resistance and mechanical properties after pulse electron beam treatment. The paper also discusses the possibilities of using high-energy beams to modify the structure and improve the properties of various steels, including stainless and tool steels. The work highlights the potential of electron beam processing as a modern and effective method for enhancing the performance of steels.
Keywords: steels, surface treatment, microhardness, corrosion resistance, pulsed electron beam processing, hardening, mechanical properties, stainless steels, tool steels, additive technologies.
Сплавы на основе стали занимают ведущие позиции среди наиболее распространенных материалов, используемых в автомобилестроении, биомедицине, машиностроении и в подшипниковых системах. Для обеспечения надежной и долговечной работы этих конструкций, материалы, из которых они изготовлены, должны демонстрировать отличные механические свойства и химическую стойкость, даже в условиях агрессивной среды. Поэтому современное научное сообщество активно ищет новые и передовые технологии обработки поверхности сталей для их более широкого применения в сложных промышленных условиях. В последние десятилетия наблюдается рост интереса к исследованиям в области модификации поверхности сталей.
Например, исследования, проведенные Y. Fu [1], сосредоточены на поверхностном упрочнении стали 30CrMnSiA с помощью непрерывного электронного пучка. В его работе отмечается, что микротвердость обработанной поверхности увеличивается с 209 до 520 HV при этом уровень шероховатости не подвергается изменениям. Эти результаты подчеркивают высокую эффективность данного метода. Однако для более глубокого понимания его преимуществ необходимо рассмотреть и другие способы упрочнения поверхности сталей, а также провести их сравнительный анализ.
Методы упрочнения поверхности:
Закалка
Это процесс включает нагрев стали до высоких температур с последующим её быстрым охлаждением. Закалка увеличивает твердость и прочность, однако, может привести к возникновению внутренних напряжений.
Микротвердость: Обычно достигает 600-800 HV для некоторых сталей.
Шероховатость поверхности: Может увеличиваться в результате термической обработки.
Нитрация
Процесс, в котором на поверхность стали вводят азот для формирования нитридной пленки. Это приводит к увеличению твердости и улучшению износостойкости.
Микротвердость: Может достигать 1000 HV в зависимости от режима обработки.
Шероховатость поверхности: Как правило, остаётся на уровне, схожем с изначальным, но зависит от технологии.
Плазменная обработка
Использует плазменные источники для нанесения защитных покрытий на поверхность стали. Плазменная обработка позволяет создать покрытия высокой прочности и устойчивости к корозии.
Микротвердость: Индексы твердости варьируются, но могут достигать до 1200 HV.
Шероховатость поверхности: Зависит от типа покрытия и условий нанесения, может быть улучшена или ухудшена.
Карбидизация
Процесс диффузии углерода в сталь, что приводит к образованию карбидов на поверхности. Этот метод значительно увеличивает износостойкость.
Микротвердость: Достигает 900-1100 HV в обработанных слоях.
Шероховатость поверхности: Опять же, зависит от условий обработки.
Импульсная электронно-пучковая обработка
Метод, при котором высокоэнергетический электронный пучок воздействует на поверхность материала, вызывая её быстрый нагрев и затем мгновенное охлаждение.
Микротвердость: Повышается с 208 HV до 520 HV, как показано в исследовании Y. Fu и соавт.
Шероховатость поверхности: Не изменяется, что является значительным преимуществом по сравнению с другими методами.
Сравнительный анализ характеристик методов упрочнения представлен в табл. 1.
Таблица 1.
Сравнительный анализ характеристик методов упрочнения
| Метод упрочнения | Микротвердость (HV) | Шероховатость поверхности | Преимущества | Недостатки |
| Закалка | 600−800 | Может увеличиваться | Относительная простота обработки | Внутренние напряжения |
| Нитрация | ~1000 | Сохранение уровня | Высокая твердость и износостойкость | Длительность процесса |
| Плазменная обработка | До 1200 | Зависит от технологии | Высокая прочность покрытия | Высокая стоимость оборудования |
| Карбидизация | 900−1100 | Зависит от условий | Устойчивость к износу | Изменение свойств основного материала |
| Импульсная электронно-пучковая обработка | 500-900 | Улучшение уровня | Минимальное изменение геометрии, глубокое упрочнение, отсутствие термических деформаций,
применимость к различным материалам, быстрота процесса, экологичность |
Стоимость оборудования |
Импульсная электронно-пучковая обработка выделяется среди других методов обработки стали благодаря своей способности значительно увеличивать микротвердость при минимальных изменениях шероховатости поверхности. В то время как традиционные методы, такие как закалка, нитрация и карбидизация, успешно повышают твердость и износостойкость, они часто приводят к увеличению шероховатости, что может негативно сказаться на эксплуатационных характеристиках изделий.
Метод импульсной электронно-пучковой обработки обеспечивает эффект быстрого нагрева и последующего охлаждения, что позволяет минимизировать возникновение внутренних напряжений и сохранять высокое качество гладкости поверхности. Это делает данный метод особенно привлекательным для применения в условиях высокой нагрузки, где критически важны как твердость, так и чистота поверхности.
Таким образом, можно заключить, что импульсная электронно-пучковая обработка является наиболее оптимальным и эффективным методом для улучшения свойств стали, позволяя достичь высокого уровня твердости без ущерба для качества поверхности.
References
1. Surface hardening of 30CrMnSiA steel using continuous electron beam / Y. Fu, J. Hu, X. Shen [et al.]. – DOI 10.1016/j.nimb.2017.08.014 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2017. – Vol. 410. – P. 207–214. – URL: https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.08.014 .2. Kim, J. Corrosion inhibition and surface hardening of KP1 and KP4 mold steels using pulsed electron beam treatment / J. Kim, S. S. Park, H. W. Park. – 10.1016/j.corsci.2014.08.018 // Corrosion Science. – 2014. – Vol. 89. – P. 179–188. – URL: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2014.08.018 .
3. Chao, Q. On the enhanced corrosion resistance of a selective laser melted austenitic stainless steel / Q. Chao, V. Cruz, S. Thomas [et al.]. – DOI 10.1016/j.scriptamat.2017.07.037 // Scripta Materialia. – 2017. – Vol. 141. – P. 94–98. – URL: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.07.037 .
4. Исследование свойств системы цирконий (плёнка)/сталь 12Х18Н10Т (подложка), подвергнутой импульсному электронно-пучковому воздействию / А. Д. Тересов, В. В. Шугуров, Ю. Ф. Иванов [и др.] // Известия вузов. Физика. – 2015. – Т. 58, № 9-3. – С. 145–149. – URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=25225128 .
5. Структура и трибологические свойства поверхностного слоя, наплавленного на мартенситную сталь и модифицированного электроннопучковой обработкой / В. Е. Громов, В. Е. Кормышев, С. В. Коновалов [и др.] // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2017. – Т. 14, № 1. – С. 28–33. – URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=28790847 .
6. Surface microstructure and property modifications in a duplex stainless steel induced by high current pulsed electron beam treatments / K. Zhang, J. Ma, J. Zou, Y. Liu. – DOI 10.1016/j.jallcom.2017.01.003 // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 707. – P. 178–183. – URL: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.01.003 .
7. Improving corrosion and wear resistance of FV520B steel by high current pulsed electron beam surface treatment / S. Hao, L. Zhao, Y. Zhang, H. Wang. – DOI 10.1016/j.nimb.2015.04.046 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2015. – Vol. 356–357. – P. 12–16. – URL: https://doi.org/10.1016/j.nimb.2015.04.046 .
8. Effect of the continuous electron beam process treatment in the surface modification of T10 steel / R. Wang, H. Cui, J. Huang, H. Jiang. – DOI 10.1016/j.nimb.2018.09.004 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2020. – Vol. 436. – P. 29–34. – URL: https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.09.004
9. College, D. A. Alleviating surface tensile stress in e-beam treated tool steels by cryogenic treatment / D. A. College, Y. Zhu. – DOI 10.1016/j.msea.2018.03.036 // Materials Science and Engineering: A. – 2018. –Vol. 722. – P. 167–172. – URL: https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.03.036 .
11. Ormanova, M. Electron beam surface treatment of tool steels / M. Ormanova, P. Petrov, D. Kovacheva. – DOI 10.1016/j.vacuum.2016.10.022 // Vacuum. – 2017. – Vol. 135. – P. 7–12. – URL: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.10.022 .
12. Surface microstructures and improved mechanical property of 40CrMn steel induced by continuous scanning electron beam process / R. Wang, J. Yu, D. Wei, C. Meng. – DOI 10.1016/j.nimb.2019.08.020 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2019. – Vol. 436. – P. 130–136. – URL: https://doi.org/10.1016/j.nimb.2019.08.020 .
13. Surface modification of 5CrMnMo steel with continuous scanning electron beam process / D. Wei, X. Wang, R. Wang, H. Cui – DOI 10.1016/j.vacuum.2017.12.032 // Vacuum. – 2018. – Vol. 149. – P. 118–123. –URL: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.12.032 .
14. Enhancement of the surface properties of selective laser melted maraging steel by large pulsed electron-beam irradiation / T. S .N. Sankara Narayanan, J. Kim, H. E. Jeong, H. W. Park. – DOI 10.1016/j.addma.2020.101125 // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 33. – P. 101125. – URL: https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101125 .
15. Дашеев, Д. Э. Математическое моделирование и особенности электронно-лучевого борирования низкоуглеродистых сталей в вакууме / Д. Э. Дашеев, А. П. Семенов, Н. Н. Смирнягина // Химическая физика и мезоскопия. – 2012. – Т. 14, № 3. – С. 417–421.
16. Электронно-пучковая модификация боридных диффузионных слоев на поверхности штамповой стали 5ХНМ / С. А. Лысых, У. Л. Мишигдоржийн, Ю. П. Хараев [и др.]. – DOI 10.25712/ASTU.2072-8921.2023.02.028 // Ползуновский вестник. – 2023. – № 2. – С. 217–224. –URL: https://ojs.altstu.ru/index.php/PolzVest/article/view/529 .
17. Patent № 053407, DE, МПК B33Y 10/00, B33Y 30/00, B33Y 40/00,H01J 37/30, H01J 37/304. Method for smoothing a component surface region : № PCT/EP2019/074525 : register 13.09.2019 : publication 19.03.2020 / B. Graffel, F. Winckler, S. Fritzsche [et al.] ; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV. – 6 p. // Google.com: patents. – URL: https://patents.google.com/patent/US20210197307A1/en .
18. Patent № US10577684, МПК C22F 1/16, C22F 1/18, B23K 15/00, B33Y 10/00, C22C 14/00. Method for producing ultrafine-grained crystalline materials via electronbeam : № 15810895 : register 13.11.2017 : publication 03.03.2020 / R. D. Reeves, T. M. Lasko, J. J. Hill ; Mainstream Engineering Corp. – 13 p. // Google.com: patents. – URL: https://patents.google.com/patent/US10577684B1/en .
19. Патент № 2704051 Российская Федерация, МПК C21D 9/04. Способ и установка для поверхностного упрочнения головок стальных рельсов действующих путей : № 2018137161 : заявл. 23.10.2018 : опубл. 23.10.2019 / В. В. Кошлаков, Р. Н. Ризаханов ; заявитель Исследовательский центр имени М.В. Келдыша. – 14 с. // Yandex.ru: патенты. – URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2704051C1_20191023 .