Везде

ОХНММеталлы Russian Metallurgy

  • ISSN (Print) 0869-5733
  • ISSN (Online) 3034-5391

Струйная плазменно-электролитная нитроцементация вращающегося вала из низкоуглеродистой стали

Вы можете
Код статьи
S30345391S08695733250699111-1
DOI
10.7868/S30345391250699111
Тип публикации
Статья
Статус публикации
Опубликовано
Авторы
Кусманов С.А.
  • Должность: д.т.н., доцент, главный научный сотрудник; профессор
  • Аффилиация:
    ФГБОУ ВО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
    ФГБОУ ВО Костромской государственный университет
Голубева Т.М.
  • Должность: аспирант
  • Аффилиация: ФГБОУ ВО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
Тамбовский И.В.
  • Должность: к.т.н., ведущий научный сотрудник; доцент
  • Аффилиация:
    ФГБОУ ВО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
    ФГБОУ ВО Костромской государственный университет
Мухачева Т.Л.
  • Должность: д.т.н., доцент, доцент; ведущий научный сотрудник
  • Аффилиация:
    ФГБОУ ВО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
    ФГБОУ ВО Костромской государственный университет
Паленов И.Р.
  • Должность: аспирант
  • Аффилиация: ФГБОУ ВО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
Гапонов В.А.
  • Должность: аспирант
  • Аффилиация: ФГБОУ ВО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
Кусманова И.А.
  • Должность: к.п.н., доцент, старший научный сотрудник
  • Аффилиация: ФГБОУ ВО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
Григорьев С.Н.
  • Должность: д.т.н., профессор, заведующий кафедрой
  • Аффилиация: ФГБОУ ВО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
Том/ Выпуск
Том / Номер выпуска 6
Страницы
99-111
Аннотация
Предложен способ локальной плазменно-электролитной нитроцементации направленным воздействием струи электролита на боковую поверхность вращающегося вала. Исследованы изменения структурно-фазового состава поверхностного слоя, морфоструктуры поверхности и трибологических свойств в области контакта электролита с обрабатываемой поверхностью и смежных областях низкоуглеродистой стали. Показано формирование градиента структурно-фазовых изменений, который определяется изменением температуры и интенсивности диффузии углерода и азота, а также скорости охлаждения при закалке. Определено конкурирующее действие высокотемпературного окисления, интенсивность которого определяется распределением температуры по нагреваемой поверхности, и анодного растворения на морфоструктуру и шероховатость поверхности. Трибологические испытания показали возможность снижения массового износа в 18,4 раза и объемного износа в 5,4 раза при снижении площади фактического контакта трущихся поверхностей, которое наблюдается в центре области нагрева при наличии мартенситной подложки и повышенной шероховатости поверхности. Анализ микрогеометрии дорожек трения показал, что деформации в трибосопряжении являются не упругими, а пластическими и не переходят в режим микрорезания.
Ключевые слова
плазменно-электролитная обработка химико-термическая обработка локальная обработка струйная обработка микроструктура микротвердость коэффициент трения износостойкость
Дата публикации
01.06.2025
Год выхода
2025
Всего подписок
0
Всего просмотров
23

Библиография

  1. 1. Al-Asadi N.K.F., Ali M., Hassan A.K. Effect of carburising treatment parameters on low carbon steel properties for vehicle structures. Archives of Materials Science and Engineering. 2024;129:17–23. doi:10.5604/01.3001.0054.9063.
  2. 2. Edun B.M., Ajayi O.O., Babalola P.O., Joseph O.O. The impact of selected bio-based carburising agents on mechanical and tribocorrosion behaviour of medium carbon steel. Journal of Bio- and Tribo-Corrosion. 2024;10:83. doi:10.1007/s40735-024-00875-9.
  3. 3. Jurči P., Dlouhy I. Cryogenic treatment of martensitic steels: microstructural fundamentals and Implications for mechanical properties and wear and corrosion performance. Materials. 2024;17:548. doi:10.3390/ma17030548.
  4. 4. Schramm A., Jafarpour S.M., Schimpf C., Biermann H., Dalke A. Effect of bias plasma on active screen nitrocarburising response of AISI 420 martensitic stainless steel. Vacuum. 2022;205:Art.111389. doi:10.1016/j.vacuum.2022.111389.
  5. 5. Dong Y., Cui X., Li J., Hu Y., Jin G., Li Q., Liu J., Fan P. Effect of carburizing nitriding compound treatment on microstructure evolution and properties of low carbon gear steel. Materials Chemistry and Physics. 2025;337:130489. doi:10.1016/j.matchemphys.2025.130489.
  6. 6. Wang H., Shen J., Zhang W., Xu Z., Zheng J., Luo Y. Synthesis of titanium carbide coating on Ti15Mo alloy and its tribological behavior. Biosurface and Biotribology. 2023;9:176–186. doi:10.1049/bsb2.12070.
  7. 7. Borowski T., Kulikowski K., Adamczyk-Cieślak B., Rożniatowski K., Spychalski M., Tarnowski M. Influence of nitrided and nitrocarburised layers on the functional properties of nitrogen-doped soft carbon-based coatings deposited on 316L steel under DC glow-discharge conditions. Surface and Coatings Technology. 2020;392:Art.125705. doi:10.1016/j.surfcoat.2020.125705.
  8. 8. Abdullah M., Hosain M.M., Hassan Parvez M.M., Haque Motayed M.S. Prospects and challenges of thin film coating materials and their applications. Inorganic Chemistry Communications. 2025;175:Art.114117. doi:10.1016/j.inoche.2025.114117.
  9. 9. Zhang W., Guo P., Yang Y., Li H., Yang W., Chen R., Xie B., Wang A. Carrier transport behavior and piezoresistive mechanism of Cr-DLC nanocomposite films. Applied Surface Science. 2025;691:Art.162663. doi:10.1016/j.apsusc.2025.162663.
  10. 10. Liu Y., Li X., Xu P., Zhang H., Liu L. Recent advances and challenges in tribology of diamond-like carbon films: A critical review. Diamond and Related Materials. 2025;154:Art.112206. doi:10.1016/j.diamond.2025.112206.
  11. 11. Fan M., Du P., Wen K., Zhang R., Yu S., Chen T. Tribological properties of laser-cladded NiCrBSi coatings undergoing friction with Ti6Al4V alloys. Coatings. 2024;14:813. doi:10.3390/coatings14070813.
  12. 12. Wang G., Liu J., Yang J., Liu S., Bu L., Chen J. Study of the performance of laser melting wear-resistant coatings on TC4 titanium alloy surfaces. Coatings. 2024;14:30. doi:10.3390/coatings14060730.
  13. 13. Zhao Q., Hu L., Wang T., Song J., Su Y., Hu L. Research on the preparation of zirconia coating on titanium alloy surface and its tribological properties. Lubricants. 2024;12:154. doi:10.3390/lubricants12050154.
  14. 14. He Q., Saciotto V., DePaiva J.M., Guimaraes M.C., Kohlscheen J., Martins M.M., Veldhuis S.C. Enhancing tool performance in high-speed end milling of Ti-6Al-4V alloy: the role of AlCrN PVD coatings and resistance to chipping wear. Journal of Manufacturing and Mateials Processing. 2024;8:68. doi:10.3390/jmmp8020068.
  15. 15. B. Men, S. Sun, C. Hu, Q. Zhang, B. Han. Microstructure and wear resistance of Si-TC4 composite coatings by high-speed wire-powder laser cladding. Materials. 2024;17:1126. doi:10.3390/ma17051126.
  16. 16. Y. Xu, Y. Jiang, J. Xie, Q. Xu, H. Fei, Y. Lu, J. Gong. Effect of temperature, vacuum condition and surface roughness on oxygen boost diffusion of Ti– 6Al–4V alloy. Coatings. 2024;14:314. doi:10.3390/coatings14030314.
  17. 17. Grigoriev S., Peretyagin N., Apelfeld A., Smirnov A., Morozov A., Torskaya E., Volosova M., Yanushevich O., Yarygin N., Krikheli N., Peretyagin N. Investigation of Tribological Characteristics of PEO Coatings Formed on Ti6Al4V Titanium Alloy in Electrolytes with Graphene Oxide Additives. Materials. 2023;16:3928. doi:10.3390/ma16113928.
  18. 18. Kajanek D., Pastorek F., Hadzima B., Bagherifard S., Jambor M., Belany P., Minarik P. Impact of shot peening on corrosion performance of AZ31 magnesium alloy coated by PEO: Comparison with conventional surface pre-treatments. Surface and Coatings Technology. 2022;446:128773. doi:10.1016/j.surfcoat.2022.128773.
  19. 19. Grigoriev S.N., Kondratsky I.O., Krit B.L., Ludin V.B., Medvetskova V.M., Morozova N.V., Suminov I.V., Apelfeld A.V., Wu R.Z. Protective and thermophysical characteristics of plasma-electrolytic coatings on the ultralight magnesium alloy. Journal of Engineering Materials and Technology. 2022;144:021006. doi:10.1115/1.4052718.
  20. 20. X. He, T. Feng, Y. Cheng, P. Hu, Z. Le, Z. Liu, Y. Cheng Fast formation of a black inner α-Al2O3 layer doped with CuO on Al–Cu–Li alloy by soft sparking PEO process. Journal of the American Ceramic Society. 2023;106(11):7019–7042. doi:10.1111/jace.19240.
  21. 21. Apelfeld A., Grigoriev S., Krit B., Ludin V., Suminov I., Chudinov D. Improving the stability of the coating properties for group plasma electrolytic oxidation. Manufacturing Letters. 2022;33:4–59. doi:10.1016/j.mfglet.2022.08.005.
  22. 22. Grigoriev S., Peretyagin N., Apelfeld A., Smirnov A., Rybkina A., Kameneva E., Zheltukhin A., Gerasimov M., Volosova M., Yanushevich O., Krikheli N., Peretyagin P. Investigation of the characteristics of MAO coatings formed on Ti6Al4V titanium alloy in electrolytes with graphene oxide additives. Journal of Composites Science. 2023;7:142. doi:10.3390/jcs7040142.
  23. 23. Duan H.-D., Sun H.-W., Ji G.-Q., Yang D.-L., Li S.-X. Evolution of chemical speciation and interfacial reaction of elements on the surface of stainless steel during electrolytic plasma polishing. Surface Technology. 2022;51(6):346–353. doi:10.16490/j.cnki.issn.10013660.2022.06.033.
  24. 24. Yang D., Sun H., Wang J., Ji G., Duan H., Xiang Y., Fan Y. The formation and stripping mechanism of oxide film on Ti6Al4V alloy surface during electrolytic plasma polishing. Surface and Coatings Technology. 2024;478:Art.130469. doi:10.1016/j.surfcoat.2024.130469.
  25. 25. Apelfeld A., Borisov A., Dyakov I., Grigoriev S., Krit B., Kusmanov S., Silkin S., Suminov I., Tambovskiy I. Enhancement of medium-carbon steel corrosion and wear resistance by plasma electrolytic nitriding and polishing. Metals. 2021;11:1599. doi:10.3390/met11101599.
  26. 26. Schorn L., Wilkat M., Lommen J., Borelli M., Muhammad S., Rana M. Plasma electrolytic polished patient-specific orbital implants in clinical use – a technical note. Journal of Personalized Medicine. 2023;13(1):148. doi:10.3390/jpm13010148.
  27. 27. Liang Z., Zhang M., Zhang X., Guo Y., Chang H., Sun Z., Zhou L., Alexandrov I.V. Effects of plasma electrolytic polishing on surface finish and mechanical properties of Ti6Al4V diamond lattices with a specific relative density. Surface and Coatings Technology. 2025;496:Art.131659. doi:10.1016/j.surfcoat.2024.131659.
  28. 28. Kusmanov S.A., Tambovskiy I.V., Korableva S.S., Dyakov I.G., Burov S.V., Belkin P.N. Enhancement of wear and corrosion resistance in medium carbon steel by plasma electrolytic nitriding and polishing. Journal of Materials Engineering and Performance. 2019;28:5425–5432. doi:10.1007/s11665-019-043422.
  29. 29. Z. Lv, L. Wang, X. Hu, Z. Bu, Y. Li. Leveling mechanism of plasma electrolytic polishing of titanium alloy with aqueous fluoride-type solution. International Journal of Electrochemical Science. 2024;19(9):Art.100749. doi:10.1016/j.ijoes.2024.100749.
  30. 30. Colin C., Levallois P., Botsos-Margerit U., Clement F., Zigah D., Arbault S. Easy cleaning plus stable activation of glassy carbon electrode surface by oxygen plasma. Bioelectrochemistry. 2023;154:Art.108551. doi:10.1016/j.bioelechem.2023.108551.
  31. 31. Bayatanova L., Rakhadilov B., Kurbanbekov S., Skakov D., Popova N. Fine structure of low-carbon steel after electrolytic plasma treatment. Materials Testing. 2021;63:842–847. doi:10.1515/mt-2020-0119.
  32. 32. Jiang Y.F., Bao Y.F., Yang K. Effect of C/N concentration fluctuation on formation of plasma electrolytic carbonitriding coating on Q235. Journal of Iron and Steel Research International. 2012;19:39–45. doi:10.1016/S1006-706X(13)60018-7.
  33. 33. Tambovskiy I., Mukhacheva T., Gorokhov I., Suminov I., Silkin S., Dyakov I., Kusmanov S., Grigoriev S. Features of cathodic plasma electrolytic nitrocarburizing of low-carbon steel in an aqueous electrolyte of ammonium nitrate and glycerin. Metals. 2022;12:1773. doi:10.3390/met12101773.
  34. 34. Shen D.J., Wang Y.L., Nash P., Xing G.Z. A novel method of surface modification for steel by plasma electrolysis carbonitriding. Materials Science and Engineering: A. 2007;458:240–243. doi:10.1016/j.msea.2006.12.067.
  35. 35. Mukhacheva T., Kusmanov S., Suminov I., Podrabinnik P., Khmyrov R., Grigoriev S. Increasing wear resistance of low-carbon steel by anodic plasma electrolytic sulfiding. Metals. 2022;12:1641. doi:10.3390/met12101641.
  36. 36. Rastkar A.R., Shokri B. Surface modification and wear test of carbon steel by plasma electrolytic nitrocarburizing. Surface and Interface Analysis. 2012;44:342–351. doi:10.1002/sia.3808.
  37. 37. Mukhacheva T.L., Belkin P.N., Dyakov I.G., Kusmanov S.A. Wear mechanism of medium carbon steel after its plasma electrolytic nitrocarburizing. Wear. 2020;462– 463:Art.203516. doi:10.1016/j.wear.2020.203516.
  38. 38. Shadrin S.Yu., Belkin P.N., Tambovskiy I.V., Kusmanov S.A. Physical features of anodic plasma electrolytic carburising of low-carbon steels. Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2020;40:549–570. doi:10.1007/s11090-020-10062-6.
  39. 39. Chongyang N., Tianlin Z., Yue X.,. Lixia Y., Guixiang W. Study on preparation and friction characteristics of steel 1045 modified layer based on plasma electrolytic carbonitriding. Materials. Today Communications. 2022;33:Art.104518. doi:10.1016/j.mtcomm.2022.104518.
  40. 40. Kusmanov S.A., Tambovskii I.V., Korableva S.S., Silkin S.A., Smirnov A.A., Kusmanova I.A., Gorohov I.S. Increase in hardness and corrosion resistance of a medium-carbon steel surface using cathodic plasma electrolytic nitriding. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2022;58:323–329. doi:10.3103/S106837552204010X.
  41. 41. Kazerooni N.A., Bahrololoom M.E., Shariat M.H., Mahzoon F., Jozaghi T. Effect of ringer’s solution on wear and friction of stainless steel 316L after plasma electrolytic nitrocarburising at low voltages. Journal Materials Science and Technology. 2011;27:906–912. doi:10.1016/S1005-0302(11)60163-1.
  42. 42. Kusmanov S., Mukhacheva T., Tambovskiy I., Naumov A., Belov R., Sokova E., Kusmanova I. Increasing hardness and wear resistance of austenitic stainless steel surface by anodic plasma electrolytic treatment. Metals. 2023;13:872. doi:10.3390/met13050872.
  43. 43. Zarchi M.K., Shariat M.H., Dehghan S.A., Solhjoo S. Characterization of nitrocarburized surface layer on AISI 1020 steel by electrolytic plasma processing in an urea electrolyte. Journal of Materials Research and Technology. 2013;2:213–220. doi:10.1016/j.jmrt.2013.02.011.
  44. 44. Jiang Y., Bao Y., Wang M. Kinetic analysis of additive on plasma electrolytic boriding. Coatings. 2017;7:61. doi:10.3390/coatings7050061.
  45. 45. Perez H., Vargas G., Magdaleno C., Silva R. Oxynitriding AISI 304 stainless steel by plasma electrolytic surface saturation to increase wear resistance. Metals.2023;13(2):309. doi:10.3390/met13020309.
  46. 46. Belkin P.N., Borisov A.M., Kusmanov S.A. Plasma electrolytic saturation of iitanium and its alloys with light elements. Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2016;10:516–535. doi:10.1134/S1027451016030058.
  47. 47. Aliofkhazraei M., Taheri P., Sabour Rouhaghdam A., Dehghanian C. Study of nanocrystalline plasma electrolytic carbonitriding for CP-Ti. Journal of Materials Science. 2007;43:791–799. doi:10.1007/s11003-008-9055-5.
  48. 48. Qin Y., Xiong D., Li J., Tyagi R. Corrosion and biotribological properties of Ti(CN)x hard coating on titanium alloy by the pulsed plasma electrolytic carbonitriding process. Tribology International. 2015;82:543–550. doi:10.1016/j.triboint.2014.07.023.
  49. 49. Kusmanov S.A., Tambovskii I.V., Korableva S.S., Mukhacheva T.L., D’yakonova A.D., Nikiforov R.V., Naumov A.R. Wear resistance increase in Ti6Al4V titanium alloy using a cathodic plasma electrolytic nitriding. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2022;58(5):451–455. doi:10.3103/S1068375522050088.
  50. 50. Aliev M.Kh., Sabour A., Taheri P. Corrosion protection study of nanocrystalline plasma-electrolytic carbonitriding process for CP-Ti. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2008;44:618–623. doi:10.1134/S0033173208060155.
  51. 51. Aliofkhazraei M., Sabour Rouhaghdam A., Saboun M. Effect of frequency and duty cycle on corrosion behavior of pulsed nanocrystalline plasma electrolytic carbonitrided CP-Ti. Journal of Materials Science. 2008;43:1624–1629. doi:10.1007/s10853-007-2323-1.
  52. 52. Y.-X. Dong, Y.-S. Chen, Q. Chen, B. Liu, Z.-X. Song. Characterization and blood compatibility of TiCxN1−x hard coating prepared by plasma electrolytic carbonitriding. Surface and Coatings Technology. 2007;201:8789–8795. doi:10.1016/j.surfcoat.2007.05.097.
  53. 53. Belkin P.N. Kusmanov S.A. Plasma electrolytic boriding of steels and titanium alloys. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2019;55:1–30. doi:10.3103/S106837551901006X.
  54. 54. Шаталов В.К., Штокал А.О., Блатов А.А. Микродуговое оксидирование поверхностей изделий вне ванны. Машиностроение и компьютерные технологии. 2015;(3):1. doi:10.7463/0315.0760651.
  55. 55. Shatalov V.K., Shtokal A.O., Blatov A.A. Microarc oxidation of product surfaces outside the bath. Mechanical engineering and computer technology. 2015;(3):1. doi:10.7463/0315.0760651. (In Russ.)
  56. 56. Руднев В.С., Недозоров П.М., Яровая Т.П., Мансуров Ю.Н. Локальное плазменно-электрохимическое оксидирование на примере сплава АМг5. Цветные металлы. 2017;(1):59. doi:10.17580/tsm.2017.01.10.
  57. 57. Rudnev V.S., Nedozorov P.M., Yarovaya T.P., Mansurov Yu.N. Local plasma and electrochemical oxygenating on the example of AMg5 (AMr5) alloy. Tsvetnye Metally. 2017;(1):59. doi:10.17580/tsm.2017.01.10. (In Russ.)
  58. 58. Попов А.И., Попова А.И., Попова Д.А. Технологические аспекты струйной электролитно-плазменной обработки. Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019;25(4):54. doi:10.18721/JEST.25405.
  59. 59. Popov A.I., Popova A.I., Popova D.A. Technological aspects of jet electrolytic-plasma processing. SPbPU Scientific and Technical Bulletin. Natural and Engineering Sciences. 2019;25(4):54. doi:10.18721/JEST.25405. (In Russ.)
  60. 60. Popov A.I., Novikov V.I., Radkevich M.M. Characteristics of the development of electric discharge between the jet electrolyte cathode and the metal anode at atmospheric pressure. High temperature. 2019;57(4):483.
  61. 61. Popov A.I., Popova A.I., Zakharov S.V., Novoselov M.V., Teplukhin V.G., Fumin A.S., Radkevich M.M. Processes of contact interaction of an electrolyte plasma jet with a surface. In book: Advances in Mechanical Engineering. 2022;January:176–184. doi:10.1007/978-3-03091553-7_19.
  62. 62. Ушомирская Л.А., Герасимов А.С. Технологические возможности применения струйного течения электролита при электролитно-плазменном полировании. Металлообработка. 2015;4(88):25.
  63. 63. Ushomirskaya L.A., Gerasimov A.S. Technological possibilities of using a jet flow of electrolyte in plasma electrolytic polishing. Metalloobrabotka. 2015;4(88):25. (In Russ.)
  64. 64. Ушомирская Л.А., Новиков В.И. Полирование легированных сталей в нетоксичных электролитах при высоком напряжении. Металлообработка. 2008;1(43):22.
  65. 65. Ushomirskaya L.A., Novikov V.I. Polishing of alloy steels in non-toxic electrolytes at high voltage. Metalloobrabotka. 2008;1(43):22. (In Russ.)
  66. 66. Попов А.И. Атомно-дислокационная модель удаления поверхностных слоев струйным электролитно-плазменным полированием. Воронежский научно-технический вестник. 2024;1(47):31. doi:10.34220/23118873-2024-31-51.
  67. 67. Popov A.I. Atomic-dislocation model of surface layer removal by jet plasma electrolytic polishing. Voronezh Scientific and Technical Bulletin. 2024;1(47):31. doi:10.34220/2311-8873-2024-31-51. (In Russ.)
  68. 68. Demkin N.B., Izmailov V.V. Surface topography and properties frictional contacts. Tribology International. 1991;24:21–24. doi:10.1016/0301-679X(91)90058-H. 63. Kragelsky I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Friction and wear calculation methods. Oxford: Pergamon Press; 1982:62. https://books.google.ru/books?id=QLcgBQAAQBAJ&hl=ru0
QR
Перевести

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Высшая аттестационная комиссия

При Министерстве образования и науки Российской Федерации

Scopus

Научная электронная библиотека