Исследование процесса поверхностного обезуглероживания стали 20 после цементации и термической обработки

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. В промышленности используют метод цементации с твердым карбюризатором для насыщения поверхностного слоя углеродом. На практике необходимо максимально предотвратить или уменьшить обезуглероживание поверхностного слоя стали – либо применять защитную атмосферу, либо производить нагрев в условиях, при которых процесс окисления поверхностного слоя металла происходит быстрее, чем процесс обезуглероживания. В процессе обезуглероживания в поверхностном слое формируется структура феррита, при контактных нагрузках она снижает сопротивление зарождению трещин в поверхностном слое и повышает вероятность усталостного разрушения изделия в целом. Цель работы: оценить влияние температуры нагрева под цементацию и последующую закалку, а также влияние длительности выдержки на глубину обезуглероженного слоя в процессе химико-термической обработки низкоуглеродистой стали. Методы исследования. Определение химического состава стали в состоянии поставки. Анализы были выполнены с использованием оптического эмиссионного спектрометра модели LAVFA18B Spectrolab. Для целей исследования была выбрана нелегированная доэвтектоидная сталь Ст20 с исходной микроструктурой феррит-перлит. Образцы имели прямоугольную форму со средними размерами 50×10×10 мм. Насыщение углеродом проводили с одной стороны (со стороны насыпанного карбюризатора, обратную поверхность образцов защищали слоем глины). Образцы помещали в металлический контейнер и засыпали карбюризатором слоем 25…30 мм, закрывали крышкой и герметизировали. Насыщение углеродом проводили при 900 °C в течение 4…8 часов. После ящик с образцами доставали из печи, он охлаждался на воздухе. Закалку проводили в печи на воздухе (влажность не измерялась) при температурах нагрева печи 780, 850 и 950 °C и времени выдержки 4 и 6 часов в лабораторной электропечи сопротивления с объемом камеры 22 дм3. Проводили металлографическое исследование и измерение микротвердости. Результаты и обсуждение. В ходе экспериментов отмечено, что температура нагрева под цементацию и закалку играет важную роль в oбезуглероживании. При температуре 700 °C явление обезуглероживания не наблюдалось, это указывает на то, что реакция обезуглероживания не происходила в образцах при температуре ниже 700 °C. Когда температура составляет бoлее 750 °C, образец имеет очевидное обезуглероживание, ферритная структура столбчатая, перпендикулярная поверхности обезуглероживания. Частично обезуглероженный слой появляется в образце при температуре 850 °C, а толщина полностью обезуглероженного слоя уменьшается. После 900 °C образец в основном представляет собой частично обезуглероженный слой, потому что при этой температуре структура стали полностью аустенитная. После 1000 °C толщина слоя увеличивается быстро, показывая экспоненциальный рост. Проведённые эксперименты показали влияние времени нагрева и выдержки на глубину обезуглероженного слоя. Представленные результаты будут востребованы при проведении химико-термической обработки изделий, к которым предъявляются высокие требования по поверхностной твердости.

Об авторах

Юлия Игоревна Карлина

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: jul.karlina@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6519-561X
SPIN-код: 3455-0836
Scopus Author ID: 57210311769
ResearcherId: AAP-4915-2021

канд. техн. наук, научный сотрудник

Россия, Ярославское шоссе, 26, г. Москва, 129337, Россия

Владимир Юрьевич Конюхов

Иркутский национальный исследовательский технический университет; Череповецкий государственный университет

Email: konyukhov_vyu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9137-9404
SPIN-код: 3445-3288
Scopus Author ID: 56769690400
ResearcherId: JTT-2083-2023

канд. техн. наук, профессор

Россия, ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск, 664074, Россия; ул. Луначарского, 5, г. Череповец, 162600, Россия

Татьяна Александровна Опарина

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Email: martusina2@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9062-6554
SPIN-код: 5697-2740
Scopus Author ID: 57222118655
ResearcherId: KKT-9622-2024

Ассистент

Россия, ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск, 664074, Россия

Список литературы

  1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1983. – 359 с.
  2. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 256 с.
  3. Choi S., Zwaag S.V.D. Prediction of decarburized ferrite depth of hypoeutectoid steel with simultaneous oxidation // ISIJ International. – 2012. – Vol. 52 (4). – P. 549–558. – doi: 10.2355/isijinternational.52.549.
  4. Surface decarburization behavior and its adverse effects of air-cooled forging steel C70S6 for fracture splitting connecting rod / C.L. Zhang, L.Y. Xie, G.L. Liu, L. Chen, Y.Z. Liu, J. Li // Metals and Materials International. – 2016. – Vol. 22 (5). – P. 836–841. – doi: 10.1007/s12540-016-5657-x.
  5. Carroll R.I., Beynon J.H. Decarburisation and rolling contact fatigue of a rail steel // Wear. – 2006. – Vol. 260 (4–5). – P. 523–537. – doi: 10.1016/j.wear.2005.03.005.
  6. Enhanced bending fatigue resistance of a 50CrMnMoVNb spring steel with decarburized layer by surface spinning strengthening / C.X. Ren, D.Q.Q. Wang, Q. Wang, Y.S. Guo, Z.J. Zhang, C.W. Shao, H.J. Yang, Z.F. Zhang // International Journal of Fatigue. – 2019. – Vol. 124. – P. 277–287. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2019.03.014.
  7. Effects of decarburization on the wear resistance and damage mechanisms of rail steels subject to contact fatigue / X.J. Zhao, J. Guo, H.Y. Wang, Z.F. Wen, Q.Y. Liu, G.T. Zhao, W.J. Wang // Wear. – 2016. – Vol. 364–365. – P. 130–143. – doi: 10.1016/j.wear.2016.07.013.
  8. Phase transformation behaviors of medium carbon steels produced by twin roll casting and compact strip production processes / S. Li, H. Feng, S. Wang, J. Gao, H. Zhao, H. Wu, S. Xu, Q. Feng, H. Li, X. Liu, G. Wu // Materials. – 2023. – Vol. 16 (5). – P. 1980. – doi: 10.3390/ma16051980.
  9. Hot tensile and fracture behavior of 35CrMo steel at elevated temperature and strain rate / Z. Xiao, Y. Huang, H. Liu, S. Wang // Metals. – 2016. – Vol. 6 (9). – P. 210. – doi: 10.3390/met6090210.
  10. Protective bauxite-based coatings and their anti-decarburization performance in spring steel at high temperatures / X. Wang, W. Lianqi, X. Zhou, X. Zhang, Y. Shufeng, Y. Chen // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2013. – Vol. 22. – P. 753–758. – doi: 10.1007/s11665-012-0309-x.
  11. Chen Y.R., Zhang F., Liu Y. Decarburization of 60Si2MnA in 20 Pct H2O-N2 at 700 °C to 900 °C // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2020. – Vol. 51. – P. 1808–1821.
  12. Chen Y.R., Zhang F. New development in decarburization research and its application to spring steels // High Temperature Corrosion of Mater. – 2023. – Vol. 100. – P. 109–143. – doi: 10.1007/s11085-023-10181-3.
  13. Gildersleeve M.J. Relationship between decarburisation and fatigue strength of through hardened and carburising steels // Materials Science and Technology. – 1991. – Vol. 7 (4). – P. 307–310.
  14. ГОСТ Р 54566–2011. Стандартные методы испытаний для оценки глубины обезуглероженного слоя. – М.: Стандартинформ, 2014. – 15 с.
  15. Surface decarburization of the hypo-eutectoid carbon steel C45 during annealing in steady air at temperatures T > AC1 / M. Zorc, A. Nagode, J. Burja, B. Kosec, B. Zorc // Metals. – 2018. – Vol. 8 (6). – P. 425. – DOI:  10.3390/met8060425.
  16. Степанкин И.Н., Поздняков Е.П. К вопросу изготовления мелкоразмерного штампового инструмента из экономно легированных сталей с диффузионным упрочнением поверхностного слоя // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. – 2015. – № 9. – C. 25–32.
  17. Çalik A. Effect of cooling rate on hardness and microstructure of AISI 1020, AISI 1040 and AISI 1060 Steels // International Journal of Physical Sciences. – 2009. – Vol. 4 (9). – P. 514–518.
  18. Examination of minimum quantity lubrication performance in the hard turning of AISI/SAE 1060 high-carbon steel / B. Ramesh, S.R. Vempati, C. Manjunath, A.H. Elsheikh // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – Vol. 34 (13). – P. 136861–13696. – doi: 10.1007/s11665-024-10070-z.
  19. Performance analysis of heat treated AISI 1020 steel samples on the basis of various destructive mechanical testing and microstructural behavior / S. Dewangan, N. Mainwal, M. Khandelwal, P.S. Jadhav // Australian Journal of Mechanical Engineering. – 2022. – Vol. 20 (1). – P. 74–87. – doi: 10.1080/14484846.2019.1664212.
  20. Chen R.Y., Yeun W.Y.D. Review of the high-temperature oxidation of iron and carbon steels in air or oxygen // Oxidation of Metals. – 2003. – Vol. 59 (5). – P. 433–468. – doi: 10.1023/A:1023685905159.
  21. Voort G.F.V. Understanding and measuring decarburization // AM&P Technical Articles. – 2015. – Vol. 173 (2). – P. 22–27.
  22. Application of plasma surface quenching to reduce rail side wear / M.V. Konstantinova, A.E. Balanovskiy, V.E. Gozbenko, S.K. Kargapoltsev, A.I. Karlina, M.G. Shtayger, E.A. Guseva, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012146. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012146.
  23. Change in the properties of rail steels during operation and reutilization of rails / K. Yelemessov, D. Baskanbayeva, N.V. Martyushev, V.Y. Skeeba, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 1043. – doi: 10.3390/met13061043.
  24. Investigation of macro and micro structures of compounds of high-strength rails implemented by contact butt welding using burning-off / M.G. Shtayger, A.E. Balanovskiy, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012190. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012190.
  25. Surface hardening of structural steel by cathode spot of welding arc / A.E. Balanovskiy, M.G. Shtayger, A.I. Karlina, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012138. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012138.
  26. Hybrid processing: the impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126 (1). – P. 012016. – doi: 10.1088/1757-899x/126/1/012016.
  27. Research on the possibility of lowering the manufacturing accuracy of cycloid transmission wheels with intermediate rolling elements and a free cage / E.A. Efremenkov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, M.V. Grechneva, A.V. Olisov, A.D. Ens // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 5. – doi: 10.3390/app12010005.
  28. Martyushev N.V., Skeeba V.Yu. The method of quantitative automatic metallographic analysis // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 803 (1). – P. 012094. – doi: 10.1088/1742-6596/803/1/012094.
  29. Skeeba V.Yu., Ivancivsky V.V. Reliability of quality forecast for hybrid metal-working machinery // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194 (2). – P. 022037. – doi: 10.1088/1755-1315/194/2/022037.
  30. Defining efficient modes range for plasma spraying coatings / E.A. Zverev, V.Y. Skeeba, P.Y. Skeeba, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87 (8). – P. 082061. – doi: 10.1088/1755-1315/87/8/082061.
  31. Скиба В.Ю. Гибридное технологическое оборудование: повышение эффективности ранних стадий проектирования комплексированных металлообрабатывающих станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – C. 62–83. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-62-83.
  32. Исследование процесса автоматического управления сменой полярности тока в условиях гибридной технологии электрохимической обработки коррозионностойких сталей / М.А. Борисов, Д.В. Лобанов, А.С. Янюшкин, В.Ю. Скиба // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 1. – С. 6–15. – doi: 10.17212/1994-6309-2020-22.1-6-15.
  33. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Y. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – doi: 10.1007/s11015-022-01271-9.
  34. Plasma-arc surface modification of metals in a liquid medium / A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, V.V. Kondrat'ev, V. Van Huy, A.I. Karlina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 411 (1). – P. 012013. – doi: 10.1088/1757-899X/411/1/012013.
  35. Karlina A.I., Karlina Y.I., Gladkikh V.A. Studying the microstructure, phase composition, and wear resistance of alloyed layers after laser surface melting of low-carbon steel 20 // Metallurgist. – 2024. – Vol. 68 (5). – P. 757–766. – doi: 10.1007/s11015-024-01782-7.
  36. Study of wear of an alloyed layer with chromium carbide particles after plasma melting / A.I. Karlina, Y.I. Karlina, V.V. Kondratiev, R.V. Kononenko, A.D. Breki // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (12). – P. 1696. – doi: 10.3390/cryst13121696.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».