Известно, что азот повышает прочностные характеристики

ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Закутаев, В. А. Взаимодействие формовочных смесей с модельно-технологической оснасткой / В. А. Закутаев, H. A. Кидалов, H. A. Осипова // Литейщик России. –
2009. – № 6. – С. 44–46.
2. Гуляев, Б. Б. Взаимодействие между модельной оснасткой и формовочной смесью / Б. Б. Гуляев, Ю. П. Кондратьев // Технологические свойства формовочных смесей. Труды 12-го совещания по теории литейных процессов. – М.: Наука, 1968. – 320 с.
3. Закутаев, В. А. Исследование влияния состава формовочных песчано-глинистых смесей на прилипаемость к
модельно-технологической оснастке и способы ее снижения / В. А. Закутаев, H. A. Осипова // Материалы XI региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области. – Волгоград: ВолгГТУ, 2006. – С. 162–163.
4. Валисовский, И. В. Технологические испытания
формовочных материалов / И. В. Валисовский, Я. И. Медведев. – М.: Машгиз, 1963. – 213 с.
5. Зимон, А. Д. Коллоидная химия / А. Д. Зимон. – М.:
АГАР, 2003. – 320 с.
6. Закутаев, В. А. Использование ресурсосберегающих
материалов в составах песчано-глинистых смесей / В. А. Закутаев, H. A. Кидалов, H. A. Осипова // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы V всероссийской конференции, Камышин, 4–6 декабря 2008. В 3 т. Т. 2 /
КТИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. – Камышин, 2008. – С. 34–36.
169
7. Закутаев, В. А. Повышение предела прочности, текучести и снижение прилипаемости песчано-глинистых
смесей с помощью органоминеральной добавки / В. А. Закутаев, H. A. Кидалов, H. A. Осипова // Машиностроение:
тезисы докл. VI Международной молодежной научнотехнической конференции «Будущее технической науки». –
Нижний Новгород: НГТУ, 2009. – С. 118–119.
8. Закутаев, В. А. Ресурсосберегающая добавка для
песчано-глинистых смесей / В. А. Закутаев, H. A. Кидалов, H. A. Осипова // Материалы XII региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области.
– Волгоград: ВолгГТУ, 2007. – С. 147–148.
9. Кидалов, Н. А. Комплексная методика оценки адгезионного взаимодействия компонентов формовочных песчано-глинистых смесей с поверхностью материала модельно-технологической оснастки / Н. А. Кидалов, Н. А. Осипова, В. А. Закутаев, Ю. М. Ковязина // Труды Нижегородского государственного технического университета
им. Р. Е. Алексеева. – 2008. – № 1 (86). – С. 210–215.
10. Облицовочная смесь для литейных форм: пат.
№ 2397839 Российская Федерация, МПК C1 В22С 1/02 /
Н. А. Кидалов, Н. А. Осипова, В. А. Закутаев; заявитель и
патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет». –
№ 2009101697/02; заявл. 20.01.2009; опубл. 27.08.2010,
Бюл. № 24.
УДК. 621.785.533
С. А. Пегишева, К. Д. Релмасира
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАСЫЩЕНИЯ УГЛЕРОДОМ И АЗОТОМ
ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ С ФАЗОВОЙ
ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ НА СТРУКТУРУ И ПРОФИЛЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ В МЕТАЛЛЕ
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: tecmat@vstu.ru)
Предложена новая технология совместного насыщения углеродом и азотом для тяжелонагруженных
шестерен с использованием схемы цементации при 930 оC. Исследование проведено на разных стадиях процесса (цементация при 930 оC , подстуживание и повторный нагрев под закалку). Получено, что профиль
концентрации углерода при высокотемпературной нитроцементации глубже, что позволило сократить время
насыщения и повысить производительность на 20 %.
Ключевые слова: нитроцементация, цементация, азот, углерод, профиль концентраций.
The new technology of co-saturation of carbon and nitrogen requirements in return for a deep layer of gears for
heavy load at high-temperature carbonitriding 930 oC. Research conducting at various stages (cementation at
930 oC, cooling down to 500 oC and zone reheat). We obtain that the concentration profile of carbonitriding deeper,
reduction the saturation time and increase productivity by 20 %.
Keywords : carbonitriding, cementation, nitrogen, carbon, concentration profile.
Известно, что азот повышает прочностные
характеристики упрочненного слоя [1–3],
а также насыщение углеродом в присутствии
азота ускоряется. Однако технические решения
по созданию нового, порой малопроизводительного, оборудования дороги. В основном
изучено влияние совместного насыщения при
изотермическом режиме. Использование неравновесных условий при подстуживании в
обычной схеме цементации для формирования
структуры и концентрационного профиля углерода и азота в металле является актуальной задачей исследования. Исследование проводилось на стали 20ХНР, упрочненной по разным
режимам.
В результате проведенных исследований
установлено, что при совместном насыщении
углеродом и азотом в изотермических условиях
170
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
высокотемпературной нитроцементации при
930 оС в металле получаются более глубокие
концентрационные профили углерода в металле
по сравнению с процессом цементации (рис. 1).
При цементации с добавлением аммиака эффективная толщина слоя составляет 1,5 мм (замерена до концентрации углерода 0,4 %) по
сравнению с серийной цементацией (1,3 мм),
то есть увеличилась в 1,2 раза (рис.1). Однако
получить концентрацию азота в поверхностном
слое выше 0,1 % на этой стадии не удалось
вследствие высокой степени диссоциации аммиака при температуре 930 оС.
Рис. 1. Распределение концентрации углерода в стали 20ХНР при цементации (а)
и цементации с добавлением аммиака (б)
При математическом моделировании процесса высокотемпературной нитроцементации
(при 930 оС) в граничных условиях I рода получено, что рассчитанные концентрационные
профили углерода по сравнению с реально полученными профилями в металле не совпадают.
Применив методы оптимизации коэффициента
диффузии углерода в присутствии азота, получили совпадение данных профилей концентрации (рис. 2), для этого был повышен коэффициент диффузии углерода при тех же граничных
условиях (см. таблицу). Таким образом, мате-
матическое моделирование показало, что массоперенос углерода в присутствии азота в металле (то есть коэффициент диффузии углерода) ускоряется.
Сравнение коэффициента диффузии углерода
при цементации с добавлением аммиака
при моделировании с оптимизацией
Температура,
о
С
930
Коэффициент диффузии углерода, м2/с
До оптимизации
1,002·10
После оптимизации
-12
Рис. 2. Распределение концентрации углерода при цементации с добавлением аммиака
при оптимизации коэффициента диффузии углерода в стали 20ХНР
2,441·10-11
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Для увеличения содержания в слое азота,
повышающего прочность изделий, был использован неравновесный процесс фазовой перекристаллизации, позволяющий получить высокие концентрации азота (до 8 %) на небольшой
глубине. При этом была получена на стадии
подстуживания ниже Ar1 до температуры 500 оС
максимальная толщина никатрированного слоя,
состоящего из высокоазотистой ε-фазы толщиной 24 мкм, подслоя – до 36 мкм, диффузионной зоны – до 0,4 мм (рис. 3).
171
стенитное зерно. Такая структура при эксплуатации шестерен недопустима, так как приведет
к скалыванию упрочненного слоя.
Рис. 4. Образец из стали 20ХНР после глубокого травления
(режим 3) с четко выраженной границей между «белой» зоной и протравленной структурой аустенитных зерен (×400)
Рис. 3. Микроструктура упрочненного слоя образцов
из стали 20ХНР (×400)
ε-фаза при повторном нагреве под закалку
до 850 оС является поставщиком азота в металл
с продвижением его при диффузионной выдержке при нагреве под закалку в более глубокие слои. Поэтому на этой стадии процесса с насыщением азотом с таким же расходом аммиака,
как и на стадии подстуживания (режим 3), в металле был получен крутопадающий профиль
азота (рис. 4), что отразилось на формировании
структурных зон слоя (рис. 4): с поверхности –
белая, нетравящаяся полоса толщиной 0,16 мм,
далее 20 мкм – зона повышенной травимости с
повышенным содержанием углерода и хрома,
затем – зона более светлая, протравленная на ауа
В режиме 3 вследствие низкого азотного
потенциала при нагреве и диффузионной выдержке при повторном нагреве под закалку поток атомов азота из ε-фазы в большей степени
направлен в атмосферу печи. В режиме 4 с повышенным азотным потенциалом на стадии
диффузионной выдержки при 850 оС поток
атомов азота в большей степени развернут в
металл. Таким образом, диффузия атомов азота
в металл в режиме 4 будет способствовать
большей диффузии атомов углерода вглубь металла, при этом в структуре слоя после глубокого травления отсутствует слоистое строение
(рис. 5, а). Микроструктура представляет собой
мелкоигольчатый мартенсит с большим количеством нитридов хрома и равномерно распределенным остаточным аустенитом (рис. 5, б).
Концентрационный профиль углерода при этом
имеет более высокое содержание углерода с
плавным, без перегибов распределением по
толщине слоя (рис. 6).
б
Рис. 5. Микроструктура упрочненного слоя на рабочей поверхности шестерен из стали 20ХНР,
упрочненной по режиму 4 (×400):
а – после глубокого травления; б – после травления в 4 %-ном растворе HNO3
172
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Рис. 6. Распределение концентрации углерода и азота по режимам 3 и 4
Ускорение диффузии углерода в присутствии большего содержания азота по режиму 4
позволило получить профиль концентрации углерода за 15 час. По сравнению с режимом 3
(19 час), что позволило повысить производительность процесса на 20 %.
Таким образом, при высокотемпературной
нитроцементации с насыщением азотом было
установлено, что:
– на стадии цементации азот повышает коэффициент диффузии углерода;
– получается более глубокой профиль концентрации углерода в металле, что повышает
производительность на 20 %;
– чтобы получить более глубокие концентрационные профили азота в металле, насыща-
ющий газ – аммиак подают не только на стадии
цементации, но и на неравновесной стадии
подстуживания и на стадии изотермической
выдержки при нагреве под закалку с повышающимся азотным потенциалом для улучшения эксплуатационных характеристик тяжелонагруженных шестерен.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лахтин, Ю. М. Химико-термическая обработка металлов / Ю. М. Лахтин, Б. Н. Арзамаcов. – М.: Металлургия, 1985. – 256 с.
2. Прженосил, Б. Нитроцементация / Б. Прженосил. –
M.: Машиностроение, 1969. – 213 с.
3. Шапочкин, В. И. Влияние содержания азота на
структуру и свойства нитроцементованной стали / В. И. Шапочкин, Л. М. Семенова // Металловедение и термическая
обработка металлов. – 2010. – №. 9. – С. 12–18.
УДК 621.746
Н. А. Зюбан, А. Н. Галкин, И. Н. Ильин, Д. В. Руцкий
ВЛИЯНИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИБЫЛЬНОЙ ЧАСТИ СЛИТКА СТАЛИ 38ХН3МФА
НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА И ЛИКВАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ*
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: tecmat@vstu.ru)
В работе приводятся результаты исследования кристаллизации слитков спокойной стали, особенности строения и ликвационных явлений в промышленных слитках, отлитых в изложницу с захоложенной верхней частью, а
также металлографический анализ такого слитка с целью выявления ликвационных неоднородностей.
Ключевые слова: слиток, ликвация, слитки с захоложеной верхней частью, ликвация углерода.
This work includes the results of research of crystallization of killed steel ingots, features of structure and liquation events in foundry ingots, which cast to the mold with cooling of top and metallographic analysis of this ingot
for detection of liquation inhomogeneity.
Keywords: ingot, liquation, ingots with top cooling, carbon liquation.
*
Работа выполнена в рамках проекта МК – 4034.2012.8 «Разработка оптимальной конфигурации и технологии отливки кузнечных слитков в вакууме с контролируемым развитием дефектных зон литого металла с целью повышения
качества и надежности крупногабаритных изделий энергетического машиностроения».