Уральская школа молодых металловедов = Ural school for young metal scientists

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Ключевой центр превосходства 
«Материаловедение перспективных 
металлсодержащих материалов и технологий их обработки»

САЕ Инженерная школа новой индустрии /  
New Industry Engineering School

УРАЛЬСКАЯ ШКОЛА 
МОЛОДЫХ МЕТАЛЛОВЕДОВ

Сборник материалов
XIX Международной научно-технической
Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых

(Екатеринбург, 19–23 ноября 2018 г.)

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2018

УДК 669.017(06)
ББК 34.2я431
          У68
Рецензенты:
кафедра физики Уральского государственного горного университета (завкафедрой проф., д-р физ.-мат. наук И. Г. Коршунов);
проф., д-р физ.-мат. наук В. Г. Пушин, руководитель отдела электронной 
микроскопии, главный научный сотрудник лаборатории цветных сплавов 
(Институт физики металлов УрО РАН)

Редакционная коллегия:
проф., д-р техн. наук А. А. Попов (ответственный редактор); академик 
РАН В. М. Счастливцев (зам ответственного редактора); проф., д-р техн. 
наук М. Л. Лобанов; проф., канд. техн. наук С. Л. Демаков; доц., канд. хим. 
наук Н. Г. Россина; доц., канд. техн. наук А. Г. Илларионов; доц., канд. техн. 
наук С. В. Беликов; доц., канд. техн. наук О. Ю. Корниенко; доц., канд. 
техн. наук М. С. Карабаналов; доц., канд. техн. наук С. В. Гриб; доц., канд. 
техн. наук А. С. Юровских; доц., канд. техн. наук Ф. В. Водолазский; доц., 
канд. техн. наук С. И. Степанов; доц., доц., канд. техн. наук М. А. Жилякова; доц., канд. техн. наук Н. А. Попов, канд. техн. наук А. Ю. Жиляков; 
канд. техн. наук М. А. Зорина; аспирант К. И. Луговая; аспирант С. В. Данилов, аспирант Я. А. Кылосова, аспирант Н. А. Баранникова (ответственный за выпуск)

У68
    Уральская школа молодых металловедов : сборник материалов XIX Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых (Екатеринбург, 19–23 ноября 2018 г.). — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. — 560 с.

ISBN 978-5-7996-2532-0

Сборник содержит материалы и доклады о достижениях молодых ученых, аспирантов и студентов и освещает актуальные проблемы развития, 
обработки, создания и исследования новых металлических и композиционных материалов и покрытий.
Сборник предназначен для научных работников в сфере материаловедения, аспирантов и студентов, интересующихся данной тематикой.

УДК 669.017(06)
ББК 34.2я431

При финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-38-10059) и Программы повышения конкурентноспособности УрФУ (номер закупки 5.1.1.181.с3.з1-18)

ISBN  978-5-7996-2532-0                                                © Уральский федеральный 
                                                                                                    университет, 2018

ПОВЕРХНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ: 
СВОЙСТВА И СОВРЕМЕННЫЕ  
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

СЕКЦИЯ 1

УДК 621.785.539

Т. В. Емельянова1*, В. И. Грызунов2 1

 1 МК ОРМЕТО-ЮУМЗ, г. Орск
 2 Орский гуманитарно-технологический институт (филиал ФГБОУ ВО ОГУ), г. Орск
*tatyana.emelyanova.90@mail.ru,
Научный руководитель — проф., д-р хим. наук В. И. Грызунов

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОГО ЦИАНИРОВАНИЯ  
ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ

Исследовано влияние термоциклической обработки на структуру и свойства цианированного слоя. Установлено значительное повышение его микротвердости и износостойкости. Металлографическими методами определена глубина цианированного слоя, его структура.
Ключевые слова: штамповая сталь, цианирование, температура, слой, микротвердость, износостойкость, диффузия, термоциклирование.

T. V. Emelyanova, V. I. Gryzunov

APPLICATION OF THERMOCYCLIC CYANING  
FOR THE STRENGTHENING OF SURFACE STAINS OF STAMPS STEEL

The influence of thermocyclic treatment on the structure and properties of cyanated 
layer. A significant increase in microhardness and wear resistance. Metallographic methods 
defined by the depth of the cyanated layer.
Key words: die steel, cyanidation, temperature, layer, microhardness, wear resistance, 
diffusion, thermocyclic treatment.
Б
ольшинство традиционных технологий химико-термической 
обработки (ХТО) осуществляется при длительной изотермической выдержке, поэтому наиболее важной задачей поверхностного насыщения является интенсификация самой медленной стадии процесса — диффузионного насыщения. Не менее важной задачей является 
и обеспечение высокого комплекса механических и эксплуатационных свойств упрочняемого материала. Одним из способов решения подобных задач является химико-термоциклическая обработка (ХТЦО). 
Принципиальным отличием этого метода от традиционного изотермического является то, что в процессе диффузионного насыщения осу
1© Емельянова Т. В., Грызунов В. И., 2018

ществляется циклическое изменение температуры материала, то есть 
термоциклирование сталей в интервале температур полных или частичных фазовых превращений или без фазовых превращений в зависимости от способа ХТО.
Периодическое изменение температуры процесса ХТЦО сопровождается изменением растворимости углерода, азота и легирующих элементов в аустените, что приводит к появлению диффузионных потоков в системе. Происходит выделение избыточных фаз при охлаждении 
в виде карбонитридов, которые обедняют аустенит углеродом, азотом 
и увеличивают поступление углерода и азота из атмосферы в металл при 
последующем нагреве. Изменение удельного объема системы из-за образования новых фаз приводит к повышению концентрации дефектов 
кристаллического строения, в результате чего активизируются процессы диффузионного переноса углерода и азота в стали. Происходит изменение общей концентрации диффундирующих элементов, усложнение диффузионных потоков, что приводит к значительным структурным 
и фазовым изменениям, возникновению напряжений и их частичной 
релаксации, генерации и стоков дислокаций и повышению плотности 
неравновесных вакансий, возрастанию внутренней энергии системы, 
измельчению зерна аустенита и мартенситных кристаллов, увеличению 
межзеренного объема и включению электронной подсистемы в процесс 
структурообразования [1–3].

Таблица 1

Режимы ХТЦО при максимальной температуре в цикле 850 °C  
и общем времени процесса 6 ч

Номер опыта
Минимальная
температура в цикле
Число циклов

1
620
3
2
600
3
3
580
3
4
560
3
5
540
3
6
620
5
7
600
5
8
580
5
9
560
5
10
540
5

Целью настоящей работы явилось изучение влияние циклического 
теплового воздействия на формирование диффузионного слоя в про

цессе одновременного насыщения штамповой стали углеродом и азотом — цианирования.
В качестве твердого карбюризатора выступала смесь, состоящая 
из следующих компонентов: древесный уголь (50 %) + желтая кровяная соль K₄[Fe(CN)₆] (40 %) + кальцинированная сода Na₂CO₃ (10 %).
Для исследования влияния различных параметров низкотемпературного цианирования на структуру и свойства штамповой стали 
4Х5 МФС была проведена серия экспериментов (табл. 1).
Результаты проведенных экспериментов отображены в табл. 2. Данные получены по результатам не менее пяти замеров толщины слоя и его 
микротвердости на трех образцах в каждом режиме. Испытанию на износ подвергались также три образца в каждом режиме.

Таблица 2

Влияние термоциклирования при цианировании на глубину диффузионного 
слоя, его микротвердость и износостойкость

Номер 
опыта

Средняя глубина упрочненного 
слоя, мкм

Средняя микротвердость упрочненного 
слоя, МПа

Средний  
износ 
по массе, мг

Средний линейный износ, 
мкм
1
308
5527
0,408
0,41
2
289
5527
0,415
0,57
3
278
5451
0,430
0,61
4
265
6487
0,435
0,68
5
262
6280
0,465
0,71
6
326
5527
0,402
0,38
7
311
6487
0,410
0,41
8
305
6280
0,418
0,55
9
294
5451
0,430
0,63
10
282
5451
0,445
0,65

При определении глубины слоя (табл. 2) было выявлено, что глубина упрочненного слоя равномерно возрастает с увеличением количества циклов и минимальной температуры насыщения в цикле. При 
традиционном цианировании с температурой насыщения 850 оС и выдержкой 6 ч глубина упрочненного слоя составляла лишь 203 мкм.
Исследование показало, что процесс цианирования, совмещенный с термоциклической обработкой, позволяет получить упрочненный слой глубиной приблизительно в 1,5 раза больше, чем без термоциклирования.
Результаты определения микротвердости свидетельствуют о том, 
что на поверхности образцов возникла упрочненная зона с твердостью, 

превышающей твердость основного металла практически в два раза. 
В месте образования слоя карбонитридных фаз твердость максимальна, а под слоем соединений в приповерхностной зоне значения твердости несколько ниже.
Для оценки результатов проведения различных режимов термоциклического цианирования и предварительной термической обработки, образцы подвергались испытанию на износостойкость. Из табл. 2 
видно, что износ образцов, подверженных цианированию, значительно меньше износа образцов в исходном состоянии. Кроме того, с увеличением числа циклов и минимальной температуры в цикле линейный износ и износ по массе равномерно уменьшается.

ЛИТЕРАТУРА
1 Расчет коэффициентов диффузии при термоциклической нитроцементации 
стали / Л. М. Семенова [и др.] // Известия Волгоградского государственного 
технического университета, 2011. Т. 5. № 5. С. 149–151.
2 Шапочкин В. И., Семенова Л. М., Бахрачева Ю. С. Нитроцементация в условиях периодического изменения состава атмосферы // Материаловедение, 
2010. № 8. С. 52–58.
3 Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. М. : Металлургия, 
1986. 480 с.

УДК 621.774.3

А. Г. Орлов*, Г. А. Орлов 1
Уральский федеральный университет  
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург
*alor110@mail.ru

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ

В работе рассмотрены комплексные показатели качества горячекатаных труб. 
Проведено сравнение средневзвешенных арифметических, геометрических комплексных показателей и полученных с использованием вероятностей попадания показателей в допускаемые интервалы на примере труб нефтяного сортамента. Показано, 
что все показатели имеют близкие значения. Проведена комплексная оценка свойств 
труб, полученных по действующей и усовершенствованной технологии, оценено влияние улучшения отдельных показателей на качество проката в целом.
Ключевые слова: горячекатаные трубы, комплексная оценка качества, показатели качества, вероятностный подход к оценке качества.

А. G. Оrlov, G. А. Оrlov

EVALUATION OF THE QUALITY OF HOT-ROLLED TUBES

The evaluation quality rating of hot-rolled pipes using complex quality indicators is 
considered. The weighted average of arithmetic and geometric complex indicators as well 
as with probabilistic indicators of access to allowable intervals on the example of pipes are 
compared. It is shown that all the indicators have similar values. A complex rating of the 
properties of pipes manufactured by current and improved technologies was conducted. 
The impact of individual indicators on the quality of pipes as a whole was estimated
Key words: hot-rolled pipes, complex quality rating, quality indicators, probabilistic 
approach to quality rating.
В 
последние десятилетия получил развитие комплексный подход 
к оценке качества металлопродукции, основанный на принципах квалиметрии [1]. Комплексная оценка качества металлопродукции 
проведена, например, в работах [2–5] и многих других. Для комплексной оценки качества применяется чаще всего два подхода: первый предусматривает нормирование показателей качества в интервале 0–1, соответствующем разбросу допускаемых значений свойств [2–4]; второй 
использует вероятностный характер распределения данного свойства 

1© Орлов А. Г., Орлов Г. А., 2018

в допускаемом интервале, а показатели качества как случайные величины оцениваются по вероятности попадания значений свойств в заданный интервал [5]. Данная статья посвящена сравнению этих двух 
подходов на примере оценки качества горячекатаных труб (наружный 
диаметр 73 мм; толщина стенки 5,5 мм; марка стали 20).
В соответствии с методологией комплексной оценки качества [1] 
построили иерархическую структуру показателей качества («дерево 
свойств») и определили 16 единичных показателей качества.
Для большинства выбранных единичных показателей качества, 
ГОСТами определены минимальные xmin и максимальные xmax предельные значения; относительно них определили эталонные xэ и браковочные xбр значения свойств в натуральном выражении. Эталонные значения свойств соответствуют более высокой категории качества труб либо 
по рекомендации [2] принимаются на 20–30 % лучшие, чем предельные значения, допускаемые ГОСТом. Браковочные значения выбирались на 2–3 % хуже по сравнению с допускаемыми ГОСТами значений.
Нормирование показателей качества провели по следующим формулам.
· Если увеличение значения свойства х приводит к повышению 
качества (например, механические свойства), хэ > хбр:

 
k
x
x

x
x
=
бр

э
бр

. 
(1)

 
При расчете по формуле (1) выполняются предельные условия:
 
при x = хбр k = 0 (брак); при x = хэ k = 1 (отличное качество).
· При расчете показателей точности по величине допускаемых 
отклонений можно принять хэ = 0,и формулу (1) использовать 
в виде

 
k
x
x
= 1

бр

.

· Если увеличение значения свойства приводит к понижению качества (например, содержание вредных примесей в сплаве), хэ < хбр:

 
k
x
x

x
x
=
бр

бр
э
. 
(2)

Формула (2) дает те же предельные условия, что и формула (1).
Далее для вычисления комплексного показателя качества определили коэффициенты значимости (важности) единичных свойств экспертным методом по опросу 12 экспертов — специалистов в данной об