RU2463380C1 - Method of cementing with staged isothermic exposures in area of polymorphous transformation temperatures - Google Patents
Method of cementing with staged isothermic exposures in area of polymorphous transformation temperatures Download PDFInfo
- Publication number
- RU2463380C1 RU2463380C1 RU2011124223/02A RU2011124223A RU2463380C1 RU 2463380 C1 RU2463380 C1 RU 2463380C1 RU 2011124223/02 A RU2011124223/02 A RU 2011124223/02A RU 2011124223 A RU2011124223 A RU 2011124223A RU 2463380 C1 RU2463380 C1 RU 2463380C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- hours
- cementation
- cementing
- furnace
- Prior art date
Links
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к химико-термической обработке стальных деталей, а именно к процессам цементации. Изобретение может быть использовано в машиностроении, автотракторостроении и других отраслях промышленности для поверхностного упрочнения деталей машин, изготовленных из низкоуглеродистых сталей.The invention relates to chemical-thermal treatment of steel parts, namely to cementation processes. The invention can be used in mechanical engineering, automotive engineering and other industries for surface hardening of machine parts made of low carbon steels.
Известен способ цементации при изотермической выдержке при температуре выше Ас3 (920-940°С) [Производство зубчатых колес газотурбинных двигателей: Произв.-практ.издание / Ю.А.Елисеев, В.В.Крымов, И.П.Нежурин и др.; Под ред. Ю.С.Елисеева. - М.: Высш. шк., 2001. - 493 с: ил].A known method of carburizing at isothermal exposure at temperatures above Ac 3 (920-940 ° C) [Production of gear wheels of gas turbine engines: Manufacturing-practical edition / Yu.A. Eliseev, V.V. Krymov, I.P. Nezhurin and others; Ed. Yu.S. Eliseeva. - M .: Higher. school., 2001. - 493 s: silt].
Недостатками способа являются длительное время выдержки, определяемое из расчета 0,15 мм/ч - при глубине слоя до 1 мм, и 0,1 мм/ч - при глубине слоя более 1 мм. Продолжительность процесса цементации может составлять 8-10 часов и более в зависимости от требуемой глубины слоя. Также возможны нестабильность качества получаемого слоя и разброс его параметров.The disadvantages of the method are the long exposure time, determined from the calculation of 0.15 mm / h with a layer depth of 1 mm, and 0.1 mm / h with a layer depth of more than 1 mm. The duration of the cementation process can be 8-10 hours or more, depending on the required layer depth. The instability of the quality of the resulting layer and the spread of its parameters are also possible.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ поверхностного упрочнения [патент РФ 2283893 С2]. Способ включает проведение не менее трех циклов, состоящих из нагрева до температуры выше Ас3 и охлаждения до температуры ниже Ar1. Нагрев и охлаждение производятся в твердом карбюризаторе. Нагрев осуществляется пачками импульсов электромагнитного излучения до температуры 1220±10 K, охлаждение проводят до температуры 910±10 К. Скорость нагрева и охлаждения составляет более 1 К/с. Выдержка при экстремальных температурах каждого цикла составляет до двух минут.Closest to the proposed invention is a method of surface hardening [RF patent 2283893 C2]. The method includes carrying out at least three cycles, consisting of heating to a temperature above Ac 3 and cooling to a temperature below Ar 1 . Heating and cooling are done in a solid carburetor. Heating is carried out by packs of pulses of electromagnetic radiation to a temperature of 1220 ± 10 K, cooling is carried out to a temperature of 910 ± 10 K. The heating and cooling rate is more than 1 K / s. Exposure at extreme temperatures of each cycle is up to two minutes.
К недостаткам данного способа следует отнести необходимость применения специального оборудования, реализующего нагрев пачками электромагнитных импульсов, необходимость использования сложной управляющей аппаратуры для реализации технологического процесса по данному способу.The disadvantages of this method include the need to use special equipment that implements heating by packs of electromagnetic pulses, the need to use complex control equipment to implement the process according to this method.
Основной целью изобретения является сокращение продолжительности технологического процесса цементации за счет оптимизации химико-термической обработки стали, упрощение управления технологическим процессом с возможностью использования имеющегося оборудования без его существенной модернизации, получение качественного цементационного слоя с высокими стабильными прочностными характеристиками.The main objective of the invention is to reduce the duration of the cementation process by optimizing the chemical-thermal treatment of steel, simplifying the process control with the possibility of using existing equipment without significant modernization, and obtaining a high-quality cement layer with high stable strength characteristics.
Техническим результатом изобретения является получение на стальных деталях поверхностного слоя, обладающего высокой твердостью и износостойкостью, сокращение времени обработки, улучшение качества цементационного слоя и переходной зоны.The technical result of the invention is to obtain on the steel parts a surface layer having high hardness and wear resistance, reducing processing time, improving the quality of the cement layer and the transition zone.
Технический результат достигается тем, что нагрев до температуры выше Ас3 проводят в печи при температуре 920-940°С с выдержкой в течение двух часов, охлаждение вместе с печью осуществляют до температуры Аr1, составляющей 727+10°С, с выдержкой не менее двух часов.The technical result is achieved by the fact that heating to a temperature above Ac 3 is carried out in a furnace at a temperature of 920-940 ° C with holding for two hours, cooling together with the furnace is carried out to a temperature of Ar 1 , component 727 + 10 ° C, with a holding time of at least two hours.
Получение технического результата изобретения достигается тем, что нагрев в насыщающей среде до температуры 920-940°С способствует активному проникновению углерода в сталь и интенсификации процесса в начальный период, преимущественно на небольшую глубину. Получение активных атомов достигается путем диссоциации окиси углерода, что и достигается увеличением температуры при цементации. Дальнейший рост температуры ограничивается ухудшением структуры металла и повышенной склонностью к внутреннему окислению.Obtaining the technical result of the invention is achieved by the fact that heating in a saturating medium to a temperature of 920-940 ° C promotes the active penetration of carbon into steel and the intensification of the process in the initial period, mainly to a shallow depth. Obtaining active atoms is achieved by dissociation of carbon monoxide, which is achieved by increasing the temperature during cementation. A further increase in temperature is limited by a deterioration in the structure of the metal and an increased tendency to internal oxidation.
Охлаждение цементируемых деталей в контейнере с твердым карбюризатором до температуры полиморфного превращения 727+10°С способствует ускорению проникновения углерода вглубь материала за счет наличия градиента концентрации углерода и скачкообразного повышения скорости диффузии в области температуры полиморфного превращения.The cooling of cemented parts in a container with a solid carburizer to a polymorphic transformation temperature of 727 + 10 ° C helps to accelerate the penetration of carbon deep into the material due to the presence of a carbon concentration gradient and an abrupt increase in the diffusion rate in the temperature range of the polymorphic transformation.
Выдержка при температуре полиморфного превращения Аr1 необходима для завершения процессов диффузии, начатых при температуре Ас3, и ускоренного достижения требуемой глубины цементуемого слоя. Общая продолжительность процесса насыщения при этом сокращается в 1,5-2 раза.Exposure at the temperature of the polymorphic transformation Ar 1 is necessary to complete the diffusion processes initiated at the temperature Ac 3 and accelerate the achievement of the required depth of the cemented layer. The total duration of the saturation process is reduced by 1.5-2 times.
Предлагаемый способ цементации со ступенчатыми изотермическими выдержками в области температур полиморфного превращения заключается в том, что на первоначальном этапе при насыщении при температуре выше точки Ас3 происходит активный рост концентрации углерода в приповерхностном слое. Традиционная изотермическая цементация обеспечивает скорость роста диффузионного слоя в пределах 0,15 мм/ч - при глубине слоя до 1 мм и 0,1 мм/ч - при глубине слоя более 1 мм. Согласно известным закономерностям скорость насыщения снижается с увеличением времени выдержки. Длительность процесса в зависимости от требуемой глубины слоя может достигать 8-10 ч и более. Основные недостатки традиционной химико-термической обработки во многом устраняются при совмещении этого процесса с термоциклической обработкой. Термоциклическая обработка заключается в нагреве выше точки Ac1 и последующего охлаждения до температуры ниже точки Аr1. От количества циклов будут зависеть размер зерна, глубина слоя, структура. При измельчении структуры стали, достигнутой при термоциклической обработке, увеличивается протяженность межфазных границ, и диффузия при насыщении происходит более интенсивно. Это увеличивает глубину проникновения углерода и сокращает продолжительность процесса цементации. Термоциклическая обработка способствует образованию измельченной структуры цементованного слоя, зависящей от количества циклов, устраняет цементитную сетку по границам зерен. К недостаткам следует отнести усложнение процесса управления термоциклической цементации.The proposed method of cementation with stepwise isothermal holdings in the temperature range of the polymorphic transformation is that at the initial stage, when saturated at a temperature above the Ac 3 point, an active increase in the carbon concentration in the surface layer occurs. Traditional isothermal cementation provides a diffusion layer growth rate of 0.15 mm / h - with a layer depth of 1 mm and 0.1 mm / h - with a layer depth of more than 1 mm. According to known patterns, the rate of saturation decreases with increasing exposure time. The duration of the process, depending on the required layer depth, can reach 8-10 hours or more. The main disadvantages of traditional chemical-thermal treatment are largely eliminated by combining this process with thermocyclic treatment. Thermocyclic treatment consists in heating above the point Ac 1 and subsequent cooling to a temperature below the point Ar 1 . The grain size, layer depth, structure will depend on the number of cycles. When grinding the steel structure achieved by thermal cycling, the length of the interphase boundaries increases, and diffusion during saturation occurs more intensively. This increases the carbon penetration depth and shortens the cementation process. Thermocyclic treatment contributes to the formation of a crushed structure of the cemented layer, depending on the number of cycles, eliminates the cementite network along the grain boundaries. The disadvantages include the complication of the process control thermocyclic cementation.
Технический результат обеспечивается за счет накопления дислокаций и образования полигональной субструктуры стали. Формирование дислокационной структуры при термоциклической обработке при полиморфных превращениях в области температур точки Ar1 приводит к фазовому наклепу за счет разницы удельных объемов и модулей упругости образующихся фаз. Адсорбция и диффузия протекают быстрее в объеме металла, имеющего много дефектов типа дислокаций, блоков субмикроструктуры, границ зерен. Структурные изменения, происходящие при переходе температур в точках Ar1 и Ас1 когда кристаллическая решетка претерпевает γ→α→γ - превращения, ускоряют последующую диффузию атомов углерода в металле.The technical result is ensured by the accumulation of dislocations and the formation of a polygonal substructure of steel. The formation of a dislocation structure during thermocyclic processing during polymorphic transformations in the temperature range of the point Ar 1 leads to phase hardening due to the difference in specific volumes and elastic moduli of the phases formed. Adsorption and diffusion proceed faster in the bulk of a metal having many defects such as dislocations, submicrostructure blocks, and grain boundaries. Structural changes that occur during the transition of temperatures at points Ar 1 and Ac 1 when the crystal lattice undergoes γ → α → γ transformations accelerate the subsequent diffusion of carbon atoms in the metal.
В предлагаемом способе на первоначальном этапе при насыщении при температуре выше точки Ас3 происходит активный рост концентрации углерода в приповерхностном слое. При последующем охлаждении в условиях γ→α-превращений кристаллической решетки в области температур полиморфного превращения, структура насыщаемого поверхностного слоя находится в нестабильном состоянии. Известна закономерность, согласно которой коэффициент диффузии понижается по экспоненциальному закону при понижении температуры. Были проведены исследования с целью проверки изменения коэффициента диффузии в области температур полиморфного превращения. Для этого образцы из стали У8, структура которой представляет собой перлит, подвергались нагреву и выдержке в течение 4 часов в температурном диапазоне с 680 до 840°С с шагом 20°С с целью выявления закономерности изменения концентрации углерода в поверхностном слое образцов при понижении температуры выдержки. В этих условиях был определен коэффициент диффузии [Драпкин Б.М, Кононенко В.К., Безъязычный В.Ф. Свойства сплавов в экстремальном состоянии. - М.: Машиностроение, 2004. - 256 с: ил.]. Результаты исследований показали, что коэффициент диффузии скачкообразно возрастает в области температур полиморфного превращения. Возрастание коэффициента диффузии приводит к ускорению процесса насыщения углеродом в диапазоне температур Ar1-Ar3 и при выдержке в области фазового перехода Аr1.In the proposed method, at the initial stage, when saturated at a temperature above the Ac 3 point, an active increase in the carbon concentration in the surface layer occurs. Upon subsequent cooling under conditions of γ → α transformations of the crystal lattice in the temperature range of the polymorphic transformation, the structure of the saturated surface layer is in an unstable state. There is a known pattern according to which the diffusion coefficient decreases exponentially with decreasing temperature. Studies have been conducted to verify changes in the diffusion coefficient in the temperature range of the polymorphic transformation. To do this, samples of U8 steel, the structure of which is perlite, were heated and held for 4 hours in the temperature range from 680 to 840 ° C in increments of 20 ° C in order to identify patterns of change in the concentration of carbon in the surface layer of samples with decreasing holding temperature . Under these conditions, the diffusion coefficient was determined [Drapkin B.M., Kononenko V.K., Bezyazychny V.F. Properties of alloys in extreme condition. - M.: Mechanical Engineering, 2004. - 256 s: ill.]. The research results showed that the diffusion coefficient increases stepwise in the temperature range of the polymorphic transformation. An increase in the diffusion coefficient leads to an acceleration of the process of carbon saturation in the temperature range Ar 1 -Ar 3 and upon exposure to the phase transition Ar 1 .
Проведение всех этапов технологического процесса при ступенчатой изотермической цементации позволяет сократить время обработки в 1,5-2,0 раза при достижении глубины слоя аналогичного глубине, достигаемого при классической изотермической цементации при температуре выше Ас3 (920-940°С). Способ сочетает в себе достоинства процессов, аналогичных маятниковой термоциклической обработке в области температур полиморфного превращения А1 и изотермической цементации при температуре выше Ас3.Carrying out all stages of the technological process with stepwise isothermal cementation reduces the processing time by 1.5-2.0 times when reaching a layer depth similar to that achieved with classical isothermal cementation at temperatures above Ac 3 (920-940 ° C). The method combines the advantages of processes similar to pendulum thermocyclic processing in the temperature range of polymorphic transformation A 1 and isothermal cementation at temperatures above Ac 3 .
Пример. Была проведена цементация образцов, нарезанных из прутка Ст3 диаметром 10 мм. Образцы закладывались в контейнер с твердым карбюризатором. Первоначально производились нагрев и выдержка в печи при температуре 920-940°С в течение двух часов, после чего производилось охлаждение до температуры 727+10°С и выдержка при данной температуре в течение двух часов. По окончании эксперимента образцы охлаждались в контейнере на воздухе естественным образом и резались для проведения металлографических исследований.Example. Cementation was carried out on samples cut from a St3 bar with a diameter of 10 mm. Samples were placed in a container with a solid carburetor. Initially, heating and aging were carried out in an oven at a temperature of 920-940 ° C for two hours, after which they were cooled to a temperature of 727 + 10 ° C and held at this temperature for two hours. At the end of the experiment, the samples were naturally cooled in a container in air and cut for metallographic studies.
Металлографические исследования образцов показали, что эффективная глубина насыщения составила 0,95-1,0 мм, при этом структура слоя имела смешанный характер, характерный структурам цементационных слоев, полученных при изотермической и термоциклической цементациях.Metallographic studies of the samples showed that the effective depth of saturation was 0.95-1.0 mm, while the structure of the layer had a mixed character characteristic of the structures of cementation layers obtained by isothermal and thermocyclic cementations.
Способ цементации со ступенчатыми изотермическими выдержками в области температур полиморфного превращения совмещает в себе достоинства изотермической и термоциклической обработок, при этом его можно осуществить на имеющемся промышленном оборудовании без его значительной модернизации и, следовательно, больших материальных затрат. Понижение температуры обработки позволяет снизить затраты на энергоресурсы.The cementation method with stepwise isothermal holdings in the temperature range of polymorphic transformation combines the advantages of isothermal and thermocyclic treatments, while it can be carried out on existing industrial equipment without significant modernization and, consequently, high material costs. Lowering the processing temperature allows you to reduce energy costs.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011124223/02A RU2463380C1 (en) | 2011-06-15 | 2011-06-15 | Method of cementing with staged isothermic exposures in area of polymorphous transformation temperatures |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011124223/02A RU2463380C1 (en) | 2011-06-15 | 2011-06-15 | Method of cementing with staged isothermic exposures in area of polymorphous transformation temperatures |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2463380C1 true RU2463380C1 (en) | 2012-10-10 |
Family
ID=47079545
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011124223/02A RU2463380C1 (en) | 2011-06-15 | 2011-06-15 | Method of cementing with staged isothermic exposures in area of polymorphous transformation temperatures |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2463380C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2695858C1 (en) * | 2019-04-17 | 2019-07-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Method for graphitization of low-carbon steels combined with preliminary cementation in the temperature of polymorphous transformation temperatures |
| RU2709381C1 (en) * | 2018-11-02 | 2019-12-17 | Андрей Павлович Навоев | Method for low-temperature cementation (ltc) of steel |
| RU2728479C1 (en) * | 2020-01-09 | 2020-07-29 | Андрей Павлович Навоев | Method for resource-saving step cementation of steel |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1452192A1 (en) * | 1985-12-05 | 1990-09-23 | Научно-исследовательский институт технологии автомобильной промышленности | Method of producing complex coatings on steel parts |
| RU2016137C1 (en) * | 1991-06-14 | 1994-07-15 | Томский инженерно-строительный институт | Method for treatment of articles made of carbon-silicon steels |
| RU2283893C2 (en) * | 2004-08-12 | 2006-09-20 | ФГОУ ВПО Ярославская государственная сельскохозяйственная академия | Method of fast carburizing of steel |
| US20100203340A1 (en) * | 2009-02-09 | 2010-08-12 | Ruoff Rodney S | Protective carbon coatings |
-
2011
- 2011-06-15 RU RU2011124223/02A patent/RU2463380C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1452192A1 (en) * | 1985-12-05 | 1990-09-23 | Научно-исследовательский институт технологии автомобильной промышленности | Method of producing complex coatings on steel parts |
| RU2016137C1 (en) * | 1991-06-14 | 1994-07-15 | Томский инженерно-строительный институт | Method for treatment of articles made of carbon-silicon steels |
| RU2283893C2 (en) * | 2004-08-12 | 2006-09-20 | ФГОУ ВПО Ярославская государственная сельскохозяйственная академия | Method of fast carburizing of steel |
| US20100203340A1 (en) * | 2009-02-09 | 2010-08-12 | Ruoff Rodney S | Protective carbon coatings |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2709381C1 (en) * | 2018-11-02 | 2019-12-17 | Андрей Павлович Навоев | Method for low-temperature cementation (ltc) of steel |
| RU2695858C1 (en) * | 2019-04-17 | 2019-07-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Method for graphitization of low-carbon steels combined with preliminary cementation in the temperature of polymorphous transformation temperatures |
| RU2728479C1 (en) * | 2020-01-09 | 2020-07-29 | Андрей Павлович Навоев | Method for resource-saving step cementation of steel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9260775B2 (en) | Low alloy steel carburization and surface microalloying process | |
| Edenhofer et al. | Carburizing of steels | |
| RU2012134191A (en) | CARBONED STEEL ELEMENT AND METHOD FOR PRODUCING IT | |
| JP2016524038A (en) | High-strength steel showing good durability, and manufacturing method by quenching and distribution treatment with zinc bath | |
| JPWO2011122134A1 (en) | Induction hardened steel, induction hardened rough shape, method for producing the same, and induction hardened steel parts | |
| KR20200015817A (en) | Low alloy third generation advanced high strength steel | |
| RU2463380C1 (en) | Method of cementing with staged isothermic exposures in area of polymorphous transformation temperatures | |
| CA2977346A1 (en) | Steel sheet for hot pressing and method for producing same | |
| Silva et al. | Quenching and partitioning heat treatment in ductile cast irons | |
| KR101719560B1 (en) | Heat treatment method for surface hardened alloy steel | |
| JP2010222636A (en) | Surface treatment method of steel product | |
| RU2709381C1 (en) | Method for low-temperature cementation (ltc) of steel | |
| JP5408465B2 (en) | Method of carburizing steel | |
| JP7397029B2 (en) | Carburizing method for steel parts and method for manufacturing steel parts | |
| KR101738503B1 (en) | Method for heat treatment for reducing deformation of cold-work articles | |
| JP2549038B2 (en) | Method for carburizing heat treatment of high-strength gear with small strain and its gear | |
| RU2695858C1 (en) | Method for graphitization of low-carbon steels combined with preliminary cementation in the temperature of polymorphous transformation temperatures | |
| KR101839166B1 (en) | The method of carbonitriding process for boron added steel | |
| JP6812948B2 (en) | Carburizing method | |
| Kučerová et al. | Effect of various heat and thermo-mechanical treatments on low alloyed CMnAlNb high strength steel | |
| RU2763841C1 (en) | Method for manufacturing parts from high-carbon steels | |
| RU2728479C1 (en) | Method for resource-saving step cementation of steel | |
| JP6466152B2 (en) | Heat treatment method for boron-containing steel | |
| RU2688011C1 (en) | Surface hardening method of steel part | |
| JP2019127623A (en) | Production method of steel member |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160616 |