STRUCTURE, PHASE COMPOSITION AND WEAR RESISTANCE OF 20Cr13 STEEL AFTER MICROARC CARBURIZING
Authors: Домбровский Ю.М. , Степанов М.С. 
Published: October 2023

Цель работы – изучение структуры, фазового состава и износостойкости поверхностного слоя стали 20Х13 после микродуговой цементации. Эксперименты проводили при поверхностной плотности тока 0,45, 0,49 и 0,53 А/см2. Электрический ток в цепи: 2,5, 2,75 и 3,0 А. Температура насыщаемой поверхности: 930, 1100 и 1250 °С соответственно. Продолжительность микродугового насыщения изменяли в интервале от 2 до 8 мин с шагом 2 мин. При микродуговой цементации стали 20Х13 формируется слаботравящийся поверхностный слой карбидного типа микротвердостью 10,5–12,5 ГПа. Наибольшая толщина слоя (18–20 мкм) достигается при плотности тока 0,53 А/см2 и продолжительности процесса насыщения более 6 мин. Далее расположена зона с высокодисперсной эвтектоидной структурой повышенной травимости толщиной около 300 мкм микротвердостью 6,0–6,5 ГПа, и далее – исходная структура микротвердостью 5,3–5,8 ГПа. Полученный результат объясняется тем, что при термическом разложении угольного порошка, в который погружено обрабатываемое изделие, образуется монооксид углерода, при контакте которого с поверхностью образца образуется атомарный углерод, который адсорбируется и диффундирует в насыщаемую поверхность. Часть атомов углерода под действием микродуговых разрядов подвергается ионизации, и образующиеся ионы также способны диффундировать в поверхность стали. Это значительно ускоряет процесс диффузии по сравнению с традиционными методами цементации. Одновременно протекает встречная диффузия атомарного хрома из состава стали к поверхности. Поэтому на поверхности насыщаемого изделия начинается интенсивное образование карбидов хрома. Процесс карбидообразования завершается формированием поверхностной зоны, состоящей из карбидов хрома и железа. Далее расположена продолжительная зона высокодисперсной эвтектоидной смеси повышенной травимости, образовавшаяся в результате снижения содержания хрома в подслое. Проведены испытаний на износостойкость. Износ образцов из стали 20Х13 после микродуговой цементации при плотности тока 0,53 А/см2 в течение 6 мин с последующей стандартной термической обработкой в 1,34 раза меньше по сравнению с износом образцов из этой стали после аналогичной термической обработки без цементации.

The aim of the work is to study the structure, phase composition and wear resistance of the surface layer of 20Cr13 steel after microarc carburizing. The experiments were carried out at a surface current density of 0.45, 0.49 and 0.53 A/cm2. Electric current in the circuit: 2.5, 2.75 and 3.0 A. The temperature of the saturated surface: 930, 1100 and 1250 °C, respectively. The duration of microarc saturation was changed in the range from 2 to 8 minutes in increments of 2 minutes. During microarc carburizing of 20Cr13 steel, a weakly etching surface layer of carbide type with a microhardness of 10.5–12.5 GPa is formed. The greatest layer thickness (18–20 microns) is achieved at a current density of 0.53 A/cm2 and the duration of the saturation process is more than 6 minutes. Next is a zone with a highly dispersed eutectoid structure of increased etchability with a thickness of about 300 microns with a microhardness of 6.0–6.5 GPa, and then the initial structure with a microhardness of 5.3–5.8 GPa. The result obtained is explained by the fact that during the thermal decomposition of the carbon powder in which the processed product is immersed, carbon monoxide is formed, upon contact with the surface of the sample, atomic carbon is formed, which is adsorbed and diffuses into the saturated surface. A part of carbon atoms under the action of microarc discharges undergoes ionization, and the resulting ions are also able to diffuse into the surface of steel. This significantly accelerates the diffusion process compared to traditional carburizing methods. At the same time, there is a counter diffusion of atomic chromium from the steel composition to the surface. Therefore, intensive formation of chromium carbides begins on the surface of the saturated product. The process of carbide formation ends with the formation of a surface zone consisting of chromium and iron carbides. Further on, there is a long zone of a highly dispersed eutectoid mixture of increased etchability, formed as a result of a decrease in the chromium content in the sublayer. Wear resistance tests were carried out. The wear of samples made of 20Cr13 steel after microarc carburizing at a current density of 0.53 A/cm2 for 6 minutes followed by standard heat treatment is 1.34 times less than the wear of samples made of this steel after a similar heat treatment without carburizing.