Зміцнення поверхні сталі Ст3 електроіскровим легуванням у комбінованих середовищах різного агрегатного стану
The article presents the results of the St3 steel surface zone study after electric-spark alloying (ESA) by chromium, titanium and zirconium in combined saturating environments. The peculiarity of such treatment is the combination of environments of different chemical composition and aggregate state...
Gespeichert in:
| Datum: | 2026 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Veröffentlicht: |
Physico- Technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine
2026
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://momjournal.org.ua/index.php/mom/article/view/2026-1-4 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Metal Science and Treatment of Metals |
Institution
Metal Science and Treatment of Metals| _version_ | 1862949217811562496 |
|---|---|
| author | Lobachova, H. H. Ivashchenko, Ye. V. |
| author_facet | Lobachova, H. H. Ivashchenko, Ye. V. |
| author_sort | Lobachova, H. H. |
| baseUrl_str | https://momjournal.org.ua/index.php/mom/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-04-19T17:21:29Z |
| description | The article presents the results of the St3 steel surface zone study after electric-spark alloying (ESA) by chromium, titanium and zirconium in combined saturating environments. The peculiarity of such treatment is the combination of environments of different chemical composition and aggregate state within the framework of one technological process. The treatment is carried out in two stages: ESA in liquid nitrogen and ESA in glycerin. The liquid nitrogen environment allows to rapidly reduce the temperature of the alloying electrode and cathode, which contributes to an increase in the penetration depth of anode metal atoms deep into the steel base. The glycerin environment acts as a source of carbon, which appears as a result of partial dissociation at the boiling temperature under the action of a spark discharge in local volumes of the liquid.
The choice of anode materials was determined by their ability to form carbides and nitrides. Extreme conditions of the ESA process, under which chromium, titanium and zirconium interact with elements of the environment (nitrogen and carbon), contribute to the formation of coatings enriched with different types of penetration phases.
Microstructural analysis revealed that by ESA with a change of environments in the sequence liquid nitrogen – glycerin, coatings with a thickness of 30 – 40 μm are formed. The surface alloyed layers composition on St3 steel is multiphase and depends on the material of the alloying electrode (Cr, Ti, Zr).
The microhardness of the studied coatings on St3 steel is 4.3 – 5.7 GPa due to the presence of carbides, nitrides of transition metals, as well as intermetallics and solid solutions with the base material. The distribution of microhardness deep into the steel base showed its increased values up to 70 μm, which may be caused by the complex effect of temperature and of the environment density. Temperature gradients during ESA in liquid nitrogen contribute to a rapid increase in the penetration depth of anode metal atoms deep into the samples. Further alloying in glycerin causes diffusion processes of saturation of coatings and the base with non-metallic inclusions from the liquid environment, which lead to the appearance of carbide particles on clusters of dislocations formed at the previous stage of processing. |
| first_indexed | 2026-04-20T01:00:21Z |
| format | Article |
| id | oai:oai.momjournal.org.ua:article-362 |
| institution | Metal Science and Treatment of Metals |
| keywords_txt_mv | keywords |
| last_indexed | 2026-04-20T01:00:21Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Physico- Technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:oai.momjournal.org.ua:article-3622026-04-19T17:21:29Z Surface strengthening of St3 steel by electrospark alloying in combined media of different aggregate states Зміцнення поверхні сталі Ст3 електроіскровим легуванням у комбінованих середовищах різного агрегатного стану Lobachova, H. H. Ivashchenko, Ye. V. Electric-spark alloying (ESA) coating environment liquid nitrogen glycerin chromium titanium zirconium електроіскрове легування (ЕІЛ) покриття середовище рідкий азот гліцерин хром титан цирконій The article presents the results of the St3 steel surface zone study after electric-spark alloying (ESA) by chromium, titanium and zirconium in combined saturating environments. The peculiarity of such treatment is the combination of environments of different chemical composition and aggregate state within the framework of one technological process. The treatment is carried out in two stages: ESA in liquid nitrogen and ESA in glycerin. The liquid nitrogen environment allows to rapidly reduce the temperature of the alloying electrode and cathode, which contributes to an increase in the penetration depth of anode metal atoms deep into the steel base. The glycerin environment acts as a source of carbon, which appears as a result of partial dissociation at the boiling temperature under the action of a spark discharge in local volumes of the liquid. The choice of anode materials was determined by their ability to form carbides and nitrides. Extreme conditions of the ESA process, under which chromium, titanium and zirconium interact with elements of the environment (nitrogen and carbon), contribute to the formation of coatings enriched with different types of penetration phases. Microstructural analysis revealed that by ESA with a change of environments in the sequence liquid nitrogen – glycerin, coatings with a thickness of 30 – 40 μm are formed. The surface alloyed layers composition on St3 steel is multiphase and depends on the material of the alloying electrode (Cr, Ti, Zr). The microhardness of the studied coatings on St3 steel is 4.3 – 5.7 GPa due to the presence of carbides, nitrides of transition metals, as well as intermetallics and solid solutions with the base material. The distribution of microhardness deep into the steel base showed its increased values up to 70 μm, which may be caused by the complex effect of temperature and of the environment density. Temperature gradients during ESA in liquid nitrogen contribute to a rapid increase in the penetration depth of anode metal atoms deep into the samples. Further alloying in glycerin causes diffusion processes of saturation of coatings and the base with non-metallic inclusions from the liquid environment, which lead to the appearance of carbide particles on clusters of dislocations formed at the previous stage of processing. В роботі представлені результати дослідження поверхневої зони сталі Ст3 після електроіскрового легування (ЕІЛ) хромом, титаном та цирконієм у комбінованих насичувальних середовищах. Особливість такого оброблення полягає у комбінуванні середовищ різного хімічного складу та агрегатного стану у межах одного технологічного процесу. Оброблення здійснюється у два етапи: ЕІЛ у рідкому азоті та ЕІЛ у гліцерині. Середовище рідкого азоту дозволяє стрімко знижувати температуру легувального електроду та катоду, чим сприяє зростанню глибини проникнення атомів металів анодів вглиб сталевої основи. Середовище гліцерину виступає джерелом вуглецю, який з’являється внаслідок часткової дисоціації за температури кипіння під дією іскрового розряду у локальних об’ємах рідини. Вибір матеріалів анодів обумовлювався їх здатністю до утворення карбідів та нітридів. Екстремальні умови процесу ЕІЛ, за яких відбувається взаємодія хрому, титану та цирконію з елементами середовищ (азотом та вуглецем), сприяють формуванню покриттів, збагачених фазами проникнення різного типу. Мікроструктурним аналізом виявлено, що шляхом ЕІЛ зі зміною середовищ у послідовності рідкий азот – гліцерин формуються покриття товщиною 30 – 40 мкм. Склад поверхневих легованих шарів на сталі Ст3 є багатофазним і залежить від матеріалу легувального електроду (Cr, Ti, Zr). Мікротвердість досліджуваних покриттів на сталі Ст3 складає 4,3 – 5,7 ГПа завдяки наявності карбідів, нітридів перехідних металів, а також інтерметалідів та твердих розчинів з матеріалом основи. Розподіл мікротвердості вглиб сталевої основи показав її підвищені значення до 70 мкм, що може спричинитися комплексним впливом температури та густини середовища. Градієнти температури під час ЕІЛ у рідкому азоті сприяють стрімкому зростанню глибини проникнення атомів металів анодів вглиб досліджуваних зразків. Подальше легування у гліцерині викликає дифузійні процеси насичення покриттів та основи неметалічними включеннями з рідинного середовища, які приводять до появи карбідних частинок на скупченнях дислокацій, що утворилися на попередньому етапі оброблення. Physico- Technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine 2026-03-31 Article Article https://momjournal.org.ua/index.php/mom/article/view/2026-1-4 Scientific Technical Journal; Vol. 32 No. 1 (2026): The Scientific Technical journal Metal Science and Treatment of Metals; 40-45 Науково-технічний журнал; Том 32 № 1 (2026): Науково-технічний журнал Металознавство та обробка металів; 40-45 2664-2441 2073-9583 Copyright (c) 2026 Scientific Technical Journal https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | електроіскрове легування (ЕІЛ) покриття середовище рідкий азот гліцерин хром титан цирконій Lobachova, H. H. Ivashchenko, Ye. V. Зміцнення поверхні сталі Ст3 електроіскровим легуванням у комбінованих середовищах різного агрегатного стану |
| title | Зміцнення поверхні сталі Ст3 електроіскровим легуванням у комбінованих середовищах різного агрегатного стану |
| title_alt | Surface strengthening of St3 steel by electrospark alloying in combined media of different aggregate states |
| title_full | Зміцнення поверхні сталі Ст3 електроіскровим легуванням у комбінованих середовищах різного агрегатного стану |
| title_fullStr | Зміцнення поверхні сталі Ст3 електроіскровим легуванням у комбінованих середовищах різного агрегатного стану |
| title_full_unstemmed | Зміцнення поверхні сталі Ст3 електроіскровим легуванням у комбінованих середовищах різного агрегатного стану |
| title_short | Зміцнення поверхні сталі Ст3 електроіскровим легуванням у комбінованих середовищах різного агрегатного стану |
| title_sort | зміцнення поверхні сталі ст3 електроіскровим легуванням у комбінованих середовищах різного агрегатного стану |
| topic | електроіскрове легування (ЕІЛ) покриття середовище рідкий азот гліцерин хром титан цирконій |
| topic_facet | Electric-spark alloying (ESA) coating environment liquid nitrogen glycerin chromium titanium zirconium електроіскрове легування (ЕІЛ) покриття середовище рідкий азот гліцерин хром титан цирконій |
| url | https://momjournal.org.ua/index.php/mom/article/view/2026-1-4 |
| work_keys_str_mv | AT lobachovahh surfacestrengtheningofst3steelbyelectrosparkalloyingincombinedmediaofdifferentaggregatestates AT ivashchenkoyev surfacestrengtheningofst3steelbyelectrosparkalloyingincombinedmediaofdifferentaggregatestates AT lobachovahh zmícnennâpoverhnístalíst3elektroískrovimleguvannâmukombínovanihseredoviŝahríznogoagregatnogostanu AT ivashchenkoyev zmícnennâpoverhnístalíst3elektroískrovimleguvannâmukombínovanihseredoviŝahríznogoagregatnogostanu |