RU2791345C1 - Method for vanadizing surface layers of carbon steel - Google Patents
Method for vanadizing surface layers of carbon steel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2791345C1 RU2791345C1 RU2022122047A RU2022122047A RU2791345C1 RU 2791345 C1 RU2791345 C1 RU 2791345C1 RU 2022122047 A RU2022122047 A RU 2022122047A RU 2022122047 A RU2022122047 A RU 2022122047A RU 2791345 C1 RU2791345 C1 RU 2791345C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- vanadium
- vanadizing
- carbon steel
- steel
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к способу химико-термической обработки и может быть использовано для повышения эксплуатационной стойкости изделий из углеродистых сталей.The invention relates to a method of chemical-thermal treatment and can be used to improve the service life of carbon steel products.
Известен способ поверхностного упрочнения металлических изделий в контейнере, заполненном порошком каменного угля. Нагрев изделия осуществляют пропусканием электрического тока с использованием в качестве электродов контейнера и металлического изделия, при этом перед размещением металлического изделия в контейнере на поверхность изделия наносят слой жидкого или гелеобразного электропроводного адгезионного материала, а затем слой порошка материала, содержащего легирующий элемент, или наносят смесь этих компонентов, в качестве адгезионного материала используют материал, который при нагреве не выделяет продуктов, препятствующих диффузии легирующих элементов в поверхность изделия, например, универсальный электродный гель «Униагель» производства ООО «Гельтек-Медика» для электрофизиологических медицинских исследований состава на основе глицерина, хлорида калия, пропиленгликоля, консервантов, воды, загустителя-карбомера полиакриловой кислоты. Экспериментальную апробацию способ прошел на хромировании (образование (Cr,Fe)23С6 и (Cr,Fe)7С3), борировании (образование Fe2B), молибденировании (образование Mo2C), азотировании и карбонитрированйи (образование Fe3N, Fe4N, CrN и Fe3(N,C)), при этом повышалась микротвердость стальных изделий (Диффузионные карбидные покрытия / В.Ф. Лоскутов и др.-К.: Техника, 1991, стр. 54). Не исключено, что данным способом можно осуществить ванадирование стали.A known method of surface hardening of metal products in a container filled with coal powder. The product is heated by passing an electric current using a container and a metal product as electrodes, while before placing the metal product in the container, a layer of liquid or gel-like electrically conductive adhesive material is applied to the surface of the product, and then a layer of powder of a material containing an alloying element, or a mixture of these components, as an adhesive material, a material is used that, when heated, does not emit products that prevent the diffusion of alloying elements into the surface of the product, for example, the Uniagel universal electrode gel manufactured by Geltek-Medica LLC for electrophysiological medical research of a composition based on glycerol, potassium chloride , propylene glycol, preservatives, water, thickener-carbomer polyacrylic acid. The method was experimentally tested on chromium plating (formation of (Cr,Fe) 23 С 6 and (Cr,Fe) 7 С 3 ), borating (formation of Fe 2 B), molybdenation (formation of Mo 2 C), nitriding and carbonitriding (formation of Fe 3 N, Fe 4 N, CrN and Fe 3 (N, C)), while increasing the microhardness of steel products (Diffusion carbide coatings / VF Loskutov et al.-K.: Tekhnika, 1991, p. 54). It is possible that vanadization of steel can be carried out in this way.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществить упрочнение поверхности металлического изделия за счет формирования высокотвердого легированного слоя.Thus, the proposed method makes it possible to harden the surface of a metal product by forming a highly hard alloyed layer.
Известен способ одновременного ванадирования и борирования с использованием нанесенной на поверхность стального образца обмазки на основе электропроводного геля, содержащей порошки феррованадия FeV80 и карбида бора В4С (Степанов М.С. Структура, фазовый состав, механические свойства, износостойкость стали после микродугового борованадирования / М.С. Степанов, Ю.М. Домбровский, Л.В. Давидян. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия.-2019. Т.62. №6. С. 446-451-прототип). На стали формируется поверхностный слой толщиной 150-190 мкм, имеющий основу микротвердостью 7,8-8,3 ГПа, в которой расположены светло-серые зернистые включения и участки эвтектики микротвердостью 13,5-14,0 ГПа. Далее расположен науглероженный слой эвтектоидной концентрации, переходящий в исходную феррито-перлитную структуру. Определено содержание легирующих элементов в характерных точках поверхностного слоя, которое подтвердило повышенное содержание ванадия, углерода и бора в основе слоя, участках эвтектики и карбидной фазе. Рентгеновским фазовым анализом установлено наличие в поверхностном слое стали боридов ванадия VB2 и V2B3, боридов железа FeB и Fe2B, карбида ванадия VC0.88. Мелкодисперсные включения боридов железа, боридов и карбидов ванадия значительно увеличивают износостойкость стали. Износостойкость при трении о закрепленные абразивные частицы возросла в четыре раза по сравнению с исходным состоянием. Недостатком способа является сложная методика приготовления ванадийборсодержащей смеси и высокая продолжительность термообработки.A known method of simultaneous vanadization and boriding using coating applied to the surface of a steel sample based on an electrically conductive gel containing powders of ferrovanadium FeV80 and boron carbide B 4 C (Stepanov M.S. Structure, phase composition, mechanical properties, wear resistance of steel after microarc boron vanadization / M S. Stepanov, Y. M. Dombrovsky, L. V. Davidyan // Proceedings of higher educational institutions. Ferrous metallurgy.-2019. V. 62. No. 6. P. 446-451-prototype). A surface layer 150–190 µm thick is formed on the steel, having a base with a microhardness of 7.8–8.3 GPa, in which light gray granular inclusions and eutectic regions with a microhardness of 13.5–14.0 GPa are located. Next, there is a carburized layer of eutectoid concentration, which passes into the original ferrite-pearlite structure. The content of alloying elements at the characteristic points of the surface layer was determined, which confirmed the increased content of vanadium, carbon and boron in the base of the layer, in the eutectic regions and in the carbide phase. X-ray phase analysis revealed the presence of vanadium borides VB 2 and V 2 B 3 , iron borides FeB and Fe 2 B , and vanadium carbide VC 0.88 in the surface layer of the steel. Finely dispersed inclusions of iron borides, vanadium borides and carbides significantly increase the wear resistance of steel. Wear resistance during friction against fixed abrasive particles increased four times compared to the initial state. The disadvantage of this method is the complex procedure for preparing the vanadium-boron mixture and the high duration of the heat treatment.
Изобретение направлено на решение проблемы повышения качества покрытий путем формирования диффузионной зоны на границе раздела покрытие-подложка и производительности процесса формирования покрытия.The invention is aimed at solving the problem of improving the quality of coatings by forming a diffusion zone at the coating-substrate interface and the productivity of the coating formation process.
Технический результат заключается в расширении арсенала средств для ванадирования, а также в использовании ванадийсодержащей обмазки (шихты) и нагрева поверхности подложки углеродистой стали с обмазкой, где, для повышения качества ванадированного приповерхностного слоя, наносят ванадийсодержащую обмазку, содержащую 50 мас.% аммонийной соли 2-моноэтаноламина и лимонной кислоты, 25 мас.% сажи Т-900 и 25 мас.% оксида ванадия V2O5, а нагрев проводят при температуре 950-1325°С с выдержкой 4,5-9,5 минут.The technical result consists in expanding the arsenal of means for vanadizing, as well as in using a vanadium-containing coating (charge) and heating the surface of a carbon steel substrate with a coating, where, in order to improve the quality of the vanadized near-surface layer, a vanadium-containing coating is applied containing 50 wt.% ammonium salt 2- monoethanolamine and citric acid, 25 wt.% soot T-900 and 25 wt.% vanadium oxide V 2 O 5 , and heating is carried out at a temperature of 950-1325°C with an exposure of 4.5-9.5 minutes.
Для достижения технической проблемы и заявляемого результата проводится нанесение на поверхность подложки из углеродистой стали 20 ванадийсодержащей обмазки, вступающей под действием высокотемпературного воздействия с материалом подложки в экзотермическую химическую реакцию с образованием химических соединений, содержащих фазы α-Fe,V и V4C3, повышающих коррозионную стойкость стали 20.To achieve a technical problem and the claimed result, a vanadium-containing coating is applied to the surface of a substrate made of
Разработанный способ ванадирования поверхности подложки из углеродистой стали 20 поясняется фиг. 1-4, где:The developed method for vanadizing the surface of a 20 carbon steel substrate is illustrated in FIG. 1-4 where:
фиг. 1 - инфракрасный спектр синтезированной соли НОС(O)СН2С(ОН)С(O)(ОН)СН2С(O)O- H3N+CH2CH2OH,fig. 1 - infrared spectrum of the synthesized salt HOS (O) CH 2 C (OH) C (O) (OH) CH 2 C (O) O - H 3 N + CH 2 CH 2 OH,
фиг. 2 - ячейка ванадирования (2а), обмазка в ступке (2б),fig. 2 - vanadization cell (2a), coating in a mortar (2b),
фиг. 3 - рентгенофазовый анализ (РФА) образца стали 20 после ванадирования,fig. 3 - X-ray phase analysis (XRF) of a
фиг. 4 - энергодисперсионный рентгеновский анализ (ЭДРА) стали 20 до (а) и после ванадирования (б).fig. 4 - energy dispersive X-ray analysis (EDRA) of
Примеры конкретного выполненияSpecific Implementation Examples
Пример 1. Синтез аммонийной соли 2-моноэтаноламина и лимонной кислотыExample 1. Synthesis of ammonium salt of 2-monoethanolamine and citric acid
Смешение 2-моноэтаноламина СТП ТУ КОМП 2-198-10, лимонной (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая) кислоты ГОСТ 908-04 и дистиллированной воды (растворитель) проводили в мольном соотношении 1:1:1 в литровой колбе при нагревании до температуры 88-98°С. Стабилизацию смеси осуществляли путем ее выдержки в течение не менее 2 часов с последующим удалением воды на ротационном испарителе при подъеме температуры до 97-100°С. После чего полученную вязкую массу аммонийной соли 2-моноаминоэтанола и лимонной кислоты переносили в отдельную емкость. Элементный анализ синтезированной соли и ИК-спектр подтверждают образование соединения НОС(O)СН2С(ОН)С(O)(ОН)СН2С(O)O- H3N+CH2CH2OH, табл. 1, фиг. 1.Mixing of 2-monoethanolamine STP TU COMP 2-198-10, citric (2-hydroxypropane-1,2,3-tricarboxylic) acid GOST 908-04 and distilled water (solvent) was carried out in a molar ratio of 1:1:1 in a liter flask when heated to a temperature of 88-98°C. The stabilization of the mixture was carried out by keeping it for at least 2 hours, followed by removal of water on a rotary evaporator when the temperature was raised to 97-100°C. After that, the resulting viscous mass of ammonium salt of 2-monoaminoethanol and citric acid was transferred to a separate container. Elemental analysis of the synthesized salt and IR spectrum confirm the formation of the compound HOC(O)CH 2 C(OH)C(O)(OH)CH 2 C(O)O - H 3 N + CH 2 CH 2 OH, Table. 1, fig. 1.
Основные полосы поглощения: 2953,7 см-1 - ассиметричные, 2918,6 см-1 - симметричные валентные колебания СН2-групп; 1704,1, 1633,0, 1575,2 и 1404,4 см-1 - анион сложноэфирной группы -С(O)O-, 3500-3400 см-1-катион -NH3 +- группы, 1780,2 см-1 - карбонильная группа С=O.The main absorption bands: 2953.7 cm -1 - asymmetric, 2918.6 cm -1 - symmetrical stretching vibrations of CH 2 groups; 1704.1, 1633.0, 1575.2 and 1404.4 cm -1 - anion of the ester group -C (O) O - , 3500-3400 cm -1 -cation -NH 3 + - groups, 1780.2 cm - 1 - carbonyl group C=O.
Пример 2. На стандартный образец (дистальный конец 10*8*2 мм прутка общей длиной 28-30 мм, диаметром 8 мм, см. фиг. 2а) из конструкционной углеродистой качественной стали 20 по ГОСТ 1050-88 наносили слой обмазки, состоящей из смеси синтезированной аммонийной соли в соотношении 50 мас. % соли, 25 мас. % сажи Т-900 по ГОСТ 7885-86 (Углерод технический для производства резины) и 25 мас. % оксида ванадия V2O5 по ТУ 6-09-4093-75. Обмазку готовили следующим образом: на 2,0 г соли добавляли 1,0 г сажи и 1,0 г оксида ванадия V2O5. (фиг. 2б). Затем утонченный до 2 мм дистальный конец прутка помещали в реактор, характеристики которого приведены в табл. 2. Осуществляли медленный нагрев до 900°С в течение 5-7 минут и выдержку при этой температуре 5±0,5 минут. Ванадирование проводили при 950±30°С в течение 4,5±0,5 минут.Example 2. On a standard sample (the distal end of a 10 * 8 * 2 mm rod with a total length of 28-30 mm, with a diameter of 8 mm, see Fig. 2a) made of structural
В ходе нагрева образца с обмазкой соль разлагается на аммиак и далее на азот и водород, выполняющих роль переносчика ванадия, образующегося при взаимодействии оксида ванадия с сажей. Ванадий диффундирует в глубину структуры стального образца, формируя диффузионную зону, содержащую фазы α-Fe,V и V4C3, идентифицируемые по спектрам РФА, фиг. 3. РФА проводился на дифрактометре ARL X'TRA "Thermo Fisher Scientific" (Швейцария) методом рентгеновской дифракции в излучении Cu-Kα (длина волны λ=0,154178 нм) с интервалом углов рассеяния от 5 до 90° в автоматическом режиме при скорости съемки 2°/мин. При работе использовались напряжение 40 кВ и электрический ток в 40 мА. Фазовый анализ покрытий образцов выполнен в программном комплексе PDXL с использованием базы данных ICDD.During heating of the coated sample, the salt decomposes into ammonia and then into nitrogen and hydrogen, which act as a carrier of vanadium, which is formed during the interaction of vanadium oxide with soot. Vanadium diffuses into the depth of the steel sample structure, forming a diffusion zone containing the α-Fe,V and V 4 C 3 phases, identified by XPA spectra, Fig. 3. X-ray diffraction was carried out on an ARL X'TRA diffractometer "Thermo Fisher Scientific" (Switzerland) by X-ray diffraction in Cu-Kα radiation (wavelength λ=0.154178 nm) with an interval of scattering angles from 5 to 90° in automatic mode at a
После ванадирования образец отделяли от основы прутка путем разреза, измеряли микротвердость на микротвердомере ПМТ-3 как на ванадированной поверхности, так и по сечению образца. Результаты измерения приведены в табл. 3.After vanadization, the sample was separated from the base of the rod by a cut, and the microhardness was measured on a PMT-3 microhardness tester both on the vanadized surface and along the cross section of the sample. The measurement results are given in table. 3.
Присутствие ванадия в стали 20 наблюдается также по данным ЭДРА, фиг. 4.The presence of vanadium in
Примеры 3-11. На образцы из стали 20 наносили слой обмазки согласно примера 2. Режимы проведения ванадирования и микротвердость поверхностного слоя приведены в табл. 4.Examples 3-11. On samples of
Как видно из табл.4, максимальной микротвердостью обладают слои, полученные при более высокой температуре и времени выдержки, по сравнению с первоначальной микротвердостью исходного материала. Такое различие в микротвердости обусловлено диффузионным перераспределением ванадидов железа в приповерхностном слое и синтезом различных соединений ванадия с углеродом. В среднем микротвердость после термической обработки увеличилась примерно в 2,5…2,8 раз от первоначального значения.As can be seen from Table 4, layers obtained at a higher temperature and holding time have the maximum microhardness compared to the initial microhardness of the starting material. Such a difference in microhardness is due to the diffusion redistribution of iron vanadides in the surface layer and the synthesis of various compounds of vanadium with carbon. On average, the microhardness after heat treatment increased by about 2.5...2.8 times from the initial value.
Достоинством предлагаемого способа ванадирования является возможность бесконтактного нагрева поверхностных слоев обрабатываемого материала, а высокая температура обеспечивает повышенную диффузионную подвижность компонент, участвующих в диффузии ванадия в сталь.The advantage of the proposed method of vanadization is the possibility of non-contact heating of the surface layers of the material being processed, and the high temperature provides increased diffusion mobility of the components involved in the diffusion of vanadium into steel.
Пример 12. Испытание на коррозионную стойкость.Example 12 Corrosion resistance test.
Скорость коррозии v и глубинный показатель коррозии II определялись из гравиметрических измерений согласно ГОСТ (ГОСТ17322-71) и (ГОСТ 5272-68), при этом образцы стали 20 диаметром 8 мм и толщиной 2 мм выдерживали в 3% водном растворе хлорида натрия NaCl в течение 48 часов, табл. 5.The corrosion rate v and the deep corrosion index II were determined from gravimetric measurements according to GOST (GOST 17322-71) and (GOST 5272-68), while samples of
Согласно полученным данным видно, что при ванадировании коррозионная стойкость стали 20 увеличивается.According to the data obtained, it can be seen that during vanadization, the corrosion resistance of
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2791345C1 true RU2791345C1 (en) | 2023-03-07 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1135801A1 (en) * | 1983-06-01 | 1985-01-23 | Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Composition for complex casehardening of metal products |
SU1477780A1 (en) * | 1987-10-12 | 1989-05-07 | Белорусский Политехнический Институт | Composition for complex saturation of steel articles |
RU2247794C2 (en) * | 2000-06-30 | 2005-03-10 | Сент-Гобэн Абразивс, Инк. | Method for coating of superabrasive with metal |
EP3325843A1 (en) * | 2015-07-23 | 2018-05-30 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Chain element and method for producing same |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1135801A1 (en) * | 1983-06-01 | 1985-01-23 | Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Composition for complex casehardening of metal products |
SU1477780A1 (en) * | 1987-10-12 | 1989-05-07 | Белорусский Политехнический Институт | Composition for complex saturation of steel articles |
RU2247794C2 (en) * | 2000-06-30 | 2005-03-10 | Сент-Гобэн Абразивс, Инк. | Method for coating of superabrasive with metal |
EP3325843A1 (en) * | 2015-07-23 | 2018-05-30 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Chain element and method for producing same |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Степанов М.С. и др. Структура, фазовый состав, механические свойства, износостойкость стали после микродугового борованадирования, Известия высших учебных заведений, Черная металлургия, 2019, т. 62, N6, реферат. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Mazánek et al. | Fluorographene modified by grignard reagents: a broad range of functional nanomaterials | |
DE2126379C3 (en) | Process for boronizing metals, in particular steel | |
RU2791345C1 (en) | Method for vanadizing surface layers of carbon steel | |
Wells | Metallographic analysis of compound layers on ferritic nitrocarburized plain low carbon steel | |
RU2791348C1 (en) | Method for niobizing surface layers of chromium-nickel steel | |
Karimi Zarchi et al. | Comparison of the activation energies of the formation of chromium carbide coating on carburized and uncarburized AISI 1020 steel | |
RU2819547C1 (en) | Method of chromium plating of substrate surface from structural alloyed steel | |
Bayca et al. | The effect of solid boriding time on the structure, hardness and corrosion properties of AISI 5140 steel | |
KR800000216B1 (en) | Method of nitriding | |
RU2635589C1 (en) | Method of thermocyclic boron-caloring of steel products | |
US3969157A (en) | Method of providing decarbonization protection for metallic surfaces | |
Ghelloudj | RESEARCH PAPER MICROSTRUCTURE, MECHANICAL AND TRIBOLOGICAL BEHAVIOUR OF AISI 316L STAINLESS STEEL DURING SALT BATH NITRIDING | |
US6828033B1 (en) | Coating technique | |
US6176945B1 (en) | Coating technique | |
RU2690630C2 (en) | Carburizer composition for carburizing parts from low-carbon steel | |
RU2801101C1 (en) | Boriding of surface layers of carbon steel using microarc surfacing | |
RU2602217C2 (en) | Method for boriding parts from iron-carbon alloys | |
SU668977A1 (en) | Method of silicon-treatment of articles | |
RU2425910C2 (en) | Procedure for nano structure passivation of surface of base metals | |
SU589287A1 (en) | Composition of mixture for diffusion siliconising | |
Irina et al. | UDC 621.793. 6 RESEARCH OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF DIFFUSION COATINGS OBTAINED WITH THE USE OF COMPOSITE SATURATING CHARGES | |
Bogdanov et al. | Diffusional chrome plating of steel by iodide transport | |
RU2555320C1 (en) | Method of surface hardening of metal articles | |
Grachev et al. | Boronizing and borochromizing in a vibrofluidized bed | |
RU2695858C1 (en) | Method for graphitization of low-carbon steels combined with preliminary cementation in the temperature of polymorphous transformation temperatures |