Износостойкость конструкционных сталей 40Х и 40ХН с азотированным слоем при модифицирующей обработке

В статье рассмотрены результаты исследований износостойкости конструкционных сталей, применяемых для производства валов роторных насосов объёмного действия. Особенностью насосов данного вида является чрезвычайно малые зазоры между его рабочими органами, составляющие около 10—25 мкм и зависящие от величины износа валов в местах сопряжения с подшипниками скольжения. Азотирование в тлеющем разряде является наиболее эффективным методом обеспечения высокой износостойкости деталей.
Показано, что одним из негативных явлений при изнашивании азотированного слоя является образование в результате выкрашивания абразивных частиц, которые способствуют шаржированию поверхности втулки и, как следствие, интенсифицируют процесс изнашивания. Цель работы — исследование износостойкости стали, азотированной в тлеющем разряде с использованием предварительной обработки методами поверхностной пластической деформации, имплантации ионами средних энергий, магнитно-импульсной обработки, а также комбинированными методами активации.
Применяли следующие режимы активации поверхностного слоя перед ионным азотированием: дробеструйная обработка стальными микрошариками диаметром 50—100 мкм при скорости 30—70 м/с; имплантируемые ионы — азот; доза — 1,3·1017 ион/см2 ; скорость набора дозы облучения — 1·1015 ион/с; энергия ионной имплантации: 25 кэВ. Магнитно-импульсная обработка (МИО) при мощности импульса от 2 кДж до 8 кДж, его длительности от 5 мкс до 40 мкс и количестве импульсов от 2 МИО до 5 МИО.
Показано, что наиболее эффективным методом предварительной, перед процессом активации материала поверхностного слоя стали является среднеэнергетическая ионная имплантация, позволяющая повысить износостойкость азотированного слоя стали 40Х в 5,7 раз, а стали 40ХН в 4,5 раз, по сравнению с обычным ионным азотированием.

1. Зайцев А.А. Развитие технологий роторного двигателестроения в интересах повышения эксплуатационных характеристик транспортных средств // Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация. — 2025, № 1, 55—69. EDN: GAKJVE

2. Григорьев А.В., Нестеренко Г.А., Корнеев С.А., Овчаренко С.М. Анализ влияния конструктивных и режимных параметров на работу прямозубого роторного насоса // Омский научный вестник. — 2012, № 1(107), 86—88. EDN: QBVELV

3. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. — М.: Машиностроение. — 1976

4. Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Гаврилюк В.С. Триботехника: Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки «Автоматизированные технологии и производства», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств». — 2-е издание, стереотипное. — Москва: Компания КноРус. — 2017. ISBN: 978-5-406-05748-3. EDN: XXFRLP

5. Горячева И.Г. Моделирование влияния свойств промежуточной среды на контактные характеристики и изнашивание деформируемых тел в условиях трения качения // Труды XV Международной научно-технической конференции «Трибология — машиностроению», Москва, 12–13 ноября 2024 года. — Москва: Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. — 2024, 61—63. EDN: KBOEGD

6. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.М. Химико-термическая обработка. — М.: Металлургия. — 1985

7. Герасимов С.А., Куксенова Л.И., Алексеева М.С., Бахирев М.А. Азотирование конструкционных сталей триботехнического назначения и комплексная оценка качества обработки // Металловедение и термическая обработка металлов. — 2020, № 2(776), 18—25. EDN: WAXMVC

8. Вафин Р.К., Асылбаев А.В., Мамонтов Д.В. [и др.] Влияние поверхностной пластической деформации инструментальной стали на ионноплазменное азотирование в тлеющем разряде // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2024 (20), № 3(231), 134—139. DOI: 10.36652/1813-1336-2024-20-3-134-139. EDN: VFIHNT

9. Сарафанов Г.Ф. Зарождение микротрещин при пластической деформации // Вестник ТГУ. — 2013 (18), № 4, 1583—1584

10. Криони Н.К., Рамазанов К.Н., Мингажева А.А., Мингажев А.Д. Влияние ионно-имплантационной активации поверхности конструкционных сталей 40Х и 40ХН на структуру и свойства азотированного слоя // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2025 (21), № 3(243), 120—123

11. Алифанов А.В. [и др.] Исследование влияния режимов магнитно-импульсной обработки на температуру и структурные преобразования в поверхностных слоях образцов из быстрорежущей стали // Вестн. Полоц. гос. ун-та. Сер. В. Промышленность. Прикладные науки. — 2021, № 3, 11—14

12. Воробьев Р.А., Дубинский В.Н. Исследование распада мартенсита в стали 65Г при импульсно_магнитой обработке // ФММ. — 2010 (109), № 3, 284—287

13. Способ азотирования детали из легированной стали: патент РФ № 2795620. — 2023 / Н.К. Криони, А.Д. Мингажев, А.А. Мингажева и др