Ученые повысили износостойкость и твердость изделий из нержавеющей стали

Ученые усовершенствовали метод электролитно-плазменной обработки, в рамках которого на поверхности образца из нержавеющей стали формировалась оксидная пленка. Они использовали растворы, содержащие соединения азота, бора и углерода, что привело к образованию соответствующего модифицированного слоя под оксидной пленкой. Так, азотирование повысило износостойкость материала на два порядка, а их твердость — в пять раз. Добавление углерода также увеличило износостойкость образцов на два порядка, а твердость — в 2,3 раза. Однако после добавления бора поверхность не стала прочнее. Полученные данные расширяют области применения нержавеющей стали. Результаты исследования опубликованы в журнале Metals.

Изделия из нержавеющей стали в большом количестве используются в пищевой и химической промышленности, теплоэнергетике. Такие материалы обладают высокой пластичностью, термической и коррозионной стойкостью, но имеют низкую прочность и твердость. Улучшить свойства нержавеющей стали можно с помощью электролитно-плазменного диффузионного насыщения. В рамках этого метода под действием электролизной плазмы на поверхности образца формируется модифицированный слой, повышающий твердость и износостойкость материала. Однако существующие методы обработки трудоемки и плохо регулируются, что значительно усложняет их промышленное использование.

Ученые из Костромского государственного университета (Кострома) и Санкт-Петербургского академического университета (Санкт-Петербург) исследовали новые варианты электролитно-плазменного диффузионного насыщения, чтобы повысить твердость и износостойкость поверхности нержавеющей стали. Авторы испытали насыщение азотом, бором и углеродом. В процессе обработки ученые использовали водные растворы, проводящие электрический ток и содержащие хлорид аммония (NH₄Cl) с добавлением аммиака (NH₃), борную кислоту (H₃BO₃) и глицерин (C₃H₅(OH)₃). Постепенно под действием электрического тока на поверхности материалов формировалась парогазовая оболочка. Образец покрывался оксидной пленкой, под которой образовывался модифицированный слой, содержащий соединения железа с азотом, бором или углеродом. Обработка проводилась при температурах от 650^oC до 950^oC.

Каждый тип диффузионного насыщения имел свои особенности. Так, при азотировании с повышением температуры поверхность образца стала более однородной, а шероховатость уменьшилась в 3,7 раз. При этом твердость азотированных слоев увеличилась почти в пять раз. Это повысило износостойкость материала на два порядка.

Борирование не повысило твердость поверхности, однако она стала менее шероховатой и более износостойкой. После науглероживания образцы стали в 2,3 раза тверже необработанных аналогов, при этом большое количество оксидов в наружной оболочке плотно связывали ее с лежащими ниже слоями. В результате износостойкость науглероженных образцов также повысилась на два порядка.

«Поверхностная обработка легированных сталей, как пример, нержавеющей стали, требует применение многопланового подхода. Необходимо не только улучшить одно или несколько свойств, но и не ухудшить другие характеристики материалов. Предложенный нами метод показал эффективность упрочнения изделий из нержавеющей стали без ухудшения остальных важных эксплуатационных параметров. Ожидаем внедрение технологии в производство в ближайшем будущем», — рассказывает доктор технических наук Сергей Кусманов, доцент, директор Института физико-математических и естественных наук Костромского государственного университета.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».