nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2025-3-5-13nuc-805Research ArticleСтатьиИЗУЧЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО УПРОЧНЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ 45, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЗУБЬЕВ БОРОНANALYSIS OF THE EFFECTS OF ELECTROLYTIC PLASMA HARDENING ON THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF STEEL 45 EMPLOYED IN THE PRODUCTION OF HARROW TEETHhttps://orcid.org/0009-0003-9014-4023ҚадырболатН. Е.KadyrbolatN. Ye.

Қадырболат Нұрлат Ерболұлы.

Семей

Semey

ersinnur44@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7161-2686СатбаеваЗ. А.SatbayevaZ. A.

Сатбаева Зарина Аскарбековна.

Семей

Science professor, PhD.

Semey

satbaeva.z@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0008-2209-6740КурмангалиевР. Х.KurmangalievR. Kh.

Курмангалиев Ринат Хамитулы - старший научный сотрудник.

Семей

Semey

rinat_real@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5166-4761КусаиновР. К.KusainovR. K.

Кусаинов Ринат Кенжеевич.

Семей

Semey

rinat.k.kus@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0009-2877-5178ШынарбекА. Б.ShynarbekA. B.

Шынарбек Айбек Бақытжанұлы.

Семей

Semey

aibeek-99@list.ruБақытЖ. Ә.BakhytZh. A.

Бақыт Жанел Әділжанқызы - младший научный сотрудник.

Семей

Semey

bakytzhanel@gmail.comНАО «Шәкәрім Университет»КазахстанNP JSC “Shakarim University”KazakhstanИнжиниринговый центр «Упрочняющие технологий и покрытия»КазахстанEngineering Center “Strengthening Technologies and Coatings”Kazakhstan20252210202503513Copyright © Қадырболат Н.Е., Сатбаева З.А., Курмангалиев Р.Х., Кусаинов Р.К., Шынарбек А.Б., Бақыт Ж.Ә., 20252025Қадырболат Н.Е., Сатбаева З.А., Курмангалиев Р.Х., Кусаинов Р.К., Шынарбек А.Б., Бақыт Ж.Ә.Kadyrbolat N.Y., Satbayeva Z.A., Kurmangaliev R.K., Kusainov R.K., Shynarbek A.B., Bakhyt Z.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/805

В работе исследуется влияние электролитно-плазменной обработки (ЭПО) на износостойкость зубьев борон из стали 45. Экспериментально установлено, что после ЭПО микротвёрдость увеличивается в 2–2,5 раза, а коэффициент износа уменьшается более чем на три порядка. Для оценки поведения зубьев борон в условиях эксплуатации выполнено численное моделирование в среде COMSOL Multiphysics. Применённая модель, основанная на законе Арчарда, позволила рассчитать контактные напряжения при взаимодействии зуба бороны с тяжёлым суглинком, а также спрогнозировать толщину и объём износа при различных режимах нагрузки. Вычисленные значения контактного напряжения (4,58·107 Н/м2 при движении по горизонтали и 5,31·108 Н/м2 при погружении в почву) использовались для расчётов износа. Расчёты показали, что упрочнённые зубья демонстрируют значительно меньший объём износа (≈11,7–11,8 мм3/км), тогда как для исходной стали 45 без ЭПУ этот показатель составляет ≈79 см3/км. Результаты исследования подтверждают, что электролитно-плазменное упрочнение эффективно снижает износ зубьев борон, увеличивает их эксплуатационный ресурс и позволяет прогнозировать срок службы без проведения натурных испытаний. Представленный метод упрочнения является перспективным для применения в сельскохозяйственной технике, так как он не только повышает долговечность рабочих органов, но и может способствовать снижению эксплуатационных затрат.

The paper investigates the impact of electrolytic plasma treatment (EPT) on the wear resistance of harrow teeth fabricated from grade 45 steel. Experimental results demonstrate that EPT leads to a 2–2.5 fold increase in microhardness and a more than three-order-of-magnitude reduction in the wear coefficient. Numerical modeling using COMSOL Multiphysics was employed to assess the behavior of harrow teeth under operational conditions. The model, based on Archard's law, enabled the calculation of contact stresses during the interaction of a harrow tooth with dense soil, as well as the prediction of wear thickness and volume under various load conditions. The computed contact stress values were utilized to estimate wear (4.58·107 N/m2 when moving horizontally and 5.31·108 N/m2 when immersed in soil). The calculations reveal that hardened teeth exhibit significantly lower wear volumes (≈11.7–11.8 mm3/km), while for the original steel 45 without EPT, this figure is approximately 79 cm3/km. The study findings confirm that electrolytic plasma hardening effectively reduces harrow tooth wear, extends their service life, and allows service life prediction without full-scale testing. This hardening method holds promise for agricultural machinery, as it enhances the durability of working components and can help lower operating costs.

электролитно-плазменная закалка (ЭПЗ)микротвердостьизноссталь 45контактные напряжениязубья боронelectrolytic plasma hardening (EPH)microhardnessweargrade 45 steelcontact pressureharrow teethThis research was supported by the Committee of Science of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan under the grant project No. BR24992870.ReferencesАкимбекова Г. У., Никитина Г. А. Приоритетные направления развития агропромышленного комплекса Казахстана //Проблемы агрорынка. – 2020. – №. 4. – С. 13–23Akimbekova G. U., Nikitina G. A. Priority areas for the development of the agro-industrial complex of Kazakhstan // Problems of the agro-market. - 2020. - No. 4. - P. 13–23Крупин А. Е., Маслов И. М., Маслов М. М. Анализ отказов и неисправностей рабочих органов зубовых борон и способы повышения их ресурса // Традиционная и инновационная наука: история, современное состояние, перспективы: Сборник статей. – 2018. – С. 55.Krupin A. E., Maslov I. M., Maslov M. M. Analysis of failures and malfunctions of the working bodies of tooth harrows and ways to increase their resource // Traditional and innovative science: history, current state, prospects: collection of articles. – 2018. – P. 55.Рахадилов Б. К. и др. Повышение трибологических свойств углеродистых сталей с помощью электролитно-плазменного упрочнения // Новые функциональные материалы, современные технологии и методы исследования. – 2018. – С. 77–79.Rakhadilov B. K. et al. Improving the tribological properties of carbon steels using electrolyte-plasma hardening // New functional materials, modern technologies and research methods. – 2018. – P. 77–79.Рахадилов Б. и др. Применение электролита на основе карбоната натрия для упрочнения электролитно-плазменной поверхности Стали 45 // Вестник Университета Шакарима. Серия технические науки. – 2024. – №. 3 (15). – С. 414–424.Rakhadilov B. et al. Application of sodium carbonate-based electrolyte for hardening of electrolyte-plasma surface of 45 steel // Bulletin of Shakarim University. Series of technical sciences. – 2024. – No. 3 (15). – P. 414–424.Кусаинов Р. К. и др. Применение электролитно-плазменного упрочнения для улучшения свойств деталей машины из Стали 45 // Вестник Университета Шакарима. Серия технические науки. – 2024. – №. 3 (15). – С. 62–70.Kusainov R. K. et al. Application of electrolyte-plasma hardening to improve the properties of machine parts made of 45 steel // Bulletin of Shakarim University. Series of technical sciences. – 2024. – No. 3 (15). – P. 62–70.Rakhadilov B. et al. The impact of technological parameters of electrolytic-plasma treatment on the changes in the mechano-tribological properties of steel 45 // AIMS Materials Science. – 2024. – Т. 11. – No. 4.Rakhadilov B. et al. The impact of technological parameters of electrolytic-plasma treatment on the changes in the mechano-tribological properties of steel 45 // AIMS Materials Science. – 2024. – T. 11. – No. 4.Archard, J.F. Contact and Rubbing of Flat Surfaces. Journal of Applied Physics. – 1953. – Vol. 24. – P. 981–988. https://doi.org/10.1063/1.1721448.Archard, J.F. (1953) Contact and Rubbing of Flat Surfaces. Journal of Applied Physics. – 1953. – Vol. 24. – P. 981–988. https://doi.org/10.1063/1.1721448Suebsuk J., Horpibulsuk S., Liu M. D. Modified Structured Cam Clay: A generalised critical state model for destructured, naturally structured and artificially structured clays // Computers and Geotechnics. – 2010. – Т. 37. – No. 7–8. – P. 956–968.Suebsuk J., Horpibulsuk S., Liu M. D. Modified Structured Cam Clay: A generalized critical state model for destructured, naturally structured and artificially structured clays // Computers and Geotechnics. – 2010. – T. 37. – No. 7–8. –P. 956–968.Морозов А. В. и др. Исследование изменения структуры и трибологических свойств поверхности протекторных резин в процессе трения // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2018. – № 11. – С. 59–69 .Morozov A. V. et al. Study of changes in the structure and tribological properties of the tread rubber surface during friction // Surface. X-ray, synchrotron and neutron studies. – 2018. – No. 11. – P. 59–69Rakhadilov B. et al. Electrolyte-plasma surface hardening of hollow steel applicator needles for point injection of liquid mineral fertilizers // AIMS Materials Science. – 2024. – T. 11. – No. 2.Rakhadilov B. et al. Electrolyte-plasma surface hardening of hollow steel applicator needles for point injection of liquid mineral fertilizers // AIMS Materials Science. – 2024. – Vol. 11. – No. 2.Рахадилов Б. К., Кожанова Р. С., Курметжанова Ж. К. Изменение трибологических свойств стали 30ХГСА при термической обработке // Актуальные научные исследования. – 2022. – P. 214–217.Rakhadilov B. K., Kozhanova R. S., Kurmetzhanova Zh. K. Change in tribological properties of 30KhGSA steel during heat treatment // Topical scientific research. – 2022. – P. 214–217.Satbayeva Z. et al. Electrolytic Plasma Nitriding of Medium-Carbon Steel 45 for Performance Enhancement // Crystals. – 2024. – Т. 14. – No. 10. – P. 895.Satbayeva Z. et al. Electrolytic Plasma Nitriding of Medium-Carbon Steel 45 for Performance Enhancement // Crystals. – 2024. – Vol. 14. – No. 10. – P. 895.Федоров А. Д., Тимофеев М. Н., Пичхидзе С. Я. К вопросу последовательного титанирования и цементации стали 45 // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2022. – №. 3 (94). – С. 92–102.Fedorov A. D., Timofeev M. N., Pichkhidze S. Ya. On the issue of sequential titanizing and carburizing of steel 45 // Bulletin of the Saratov State Technical University. – 2022. – No. 3 (94). – P. 92–102.Rakhadilov B. et al. Electrolyte-plasma surface hardening of hollow steel applicator needles for point injection of liquid mineral fertilizers // AIMS Materials Science. – 2024. – Т. 11. – No. 2. – P. 295–308.Rakhadilov B. et al. Electrolyte-plasma surface hardening of hollow steel applicator needles for point injection of liquid mineral fertilizers //AIMS Materials Science. – 2024. – V. 11. – No. 2. – P. 295–308.Лужнов Ю. М. и др. Анализ видов изнашивания рабочих поверхностей деталей: учебно-методическое пособие // М.: Изд-во МАДИ. – 2018.Luzhnov Yu. M. et al. Analysis of types of wear of working surfaces of parts: a teaching aid // Moscow: MADI Publishing House. – 2018.Преснов О. М. и др. Soil Mechanics, Bases and Foundations. – 2016.Presnov O. M. et al. Soil Mechanics, Bases and Foundations. – 2016.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.