techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университетtechusgu-112Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEО природе повышенной склонности хромистых сталей к карбидообразованию при цементацииOn the Nature of the Increased Propensity of Chromium Steels to Carbide Formation During CementationПивоварН. А.PivovarN. A.

Пивовар Наталья Анатольевна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры процессов и машин в агроинженерии

ул. К. Маркса, 70, г. Курск 305021

Natalia A. Pivovar, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Processes and Machines in  Agricultural Engineering

70 K. Marx str., Kursk 305021

pivovar-58@mail.ruГрашковС. А.GrashkovS. A.

Грашков Сергей Александрович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры процессов и машин в агроинженерии

ул. К. Маркса, 70, г. Курск 305021

Sergey A. Grashkov, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Processes and Machines in  Agricultural Engineering

70 K. Marx str., Kursk 305021

rigii46@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3862-8624АгеевЕ. В.AgeevE. V.

Агеев Евгений Викторович, доктор  технических наук, профессор, профессор  кафедры технологии материалов и транспорта

ул. 50 лет Октября, 94, г. Курск, 305040

Evgeny V. Ageev, Dr. of Sci. (Engineering),  Professor, Professor of the Department of Materials and Transport Technology

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

ageev_ev@mail.ruКурская государственная сельскохозяйственная академия имени И. И. ИвановаРоссияKursk State Agricultural Academy named after I. I. IvanovRussian FederationЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation202102052023111820Copyright © Пивовар Н.А., Грашков С.А., Агеев Е.В., 20232023Пивовар Н.А., Грашков С.А., Агеев Е.В.Pivovar N.A., Grashkov S.A., Ageev E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/112Цель

Цель. Исследование склонности хромистых сталей к карбидообразованию при цементации и установление факторов, определяющих повышенную склонность хромистых сталей к карбидообразованию.

Методы

Методы. Для исследования выплавлено в индукционной печи 12 плавок по 0,5 кг сплавов железа с марганцем, хромом и ванадием. Шихтой служили технически чистое железо и ферросплавы указанных металлов. Цементацию проводили в древесно-угольном карбюризаторе (размер зерен 1…3 мм), содержавшем 30% ВаСО3.

Режим цементации

Режим цементации: 920°С – 6 ч, охлаждение на воздухе в нераспакованном контейнере.

Результаты

Результаты. Отмечено, что выделению цементита в зернистой форме способствуют большие положительные отклонения от идеальности в твердых растворах хрома в железе. Коэффициент активности хрома в сплавах Fe-Cr значительно выше единицы и составляет при 1000°С для сплавов, содержащих менее 10% Сr, 2,38. Большая величина коэффициента активности хрома свидетельствует о сильной тенденции к расслоению растворов Fe-Cr на две фазы и образованию флуктуаций хрома, на которых зарождение карбидов облегчено. Марганец стабилизирует цементит настолько слабо, что последний, как и в нелегированном аустените, не может образоваться в зернистой форме. Ванадий, в противоположность хрому и марганцу, не стабилизирует цементит, так как практически не растворяется в нем (растворимость V в Fe3C составляет всего 0,4…0,5%, а образует более стойкий по сравнению с карбидами хрома карбид VC. По этой причине Fe3C в ванадиевой стали при цементации не образуется, а общее содержание карбидной фазы, образовавшейся в процессе цементации, определяется содержанием карбидных частиц VC, которое определяется содержанием ванадия в стали.

Заключение

Заключение. Повышенная склонность хромистых сталей к карбидообразованию при цементации обусловлена стабилизацией цементита хромом. В результате растворения хрома величина ΔG0 цементита возрастает настолько, что становится энергетически возможным его образование в зернистой форме. Образованию цементита в зернистой форме в хромистых сталях способствует также значительная величина коэффициента термодинамической активности хрома в аустените.

The purpose

The purpose. Investigation of the propensity of chromium steels to carbide formation during cementation and determination of the factors determining the increased propensity of chromium steels to carbide formation.

Methods

Methods. For the study, 12 melts of 0.5 kg of iron alloys with manganese, chromium and vanadium were melted in an induction furnace. The charge was technically pure iron and ferroalloys of these metals. Cementation was carried out in a wood-coal carburetor (grain size 1...3 mm) containing 30% of VaSО3. Cementation mode: 920°C - 6 h, air cooling in an unpacked container.

Results

Results. It is noted that the release of cementite in the granular form is facilitated by large positive deviations from the ideal in solid solutions of chromium in iron. The activity coefficient of chromium in Fe-Cr alloys is much higher than unity and is at 1000°C for alloys containing less than 10% Cr, 2.38. A large value of the chromium activity coefficient indicates a strong tendency for the separation of Fe-Cr solutions into two phases and the formation of chromium fluctuations, on which the nucleation of carbides is facilitated. Manganese stabilizes cementite so weakly that the latter, as in unalloyed austenite, cannot form in a granular form. Vanadium, in contrast to chromium and manganese, does not stabilize cementite, since it practically does not dissolve in it (the solubility of V in Fe3C is only 0.4...0.5%, and forms a more stable carbide VC compared to chromium carbides. For this reason, Fe3C is not formed in vanadium steel during carburization, and the total content of the carbide phase formed during carburization is determined by the content of carbide particles VC, which is determined by the content of vanadium in the steel.

Conclusion

Conclusion. The increased tendency of chromium steels to carbide formation during cementation is due to the stabilization of cementite with chromium. As a result of the dissolution of chromium, the value  ΔG0 of cementite increases so much that it becomes energetically possible to form it in a granular form. The formation of cementite in granular form in chromium steels is also facilitated by a significant value of the coefficient of thermodynamic activity of chromium in austenite.

карбидообразованиехромистые сталицементациязернистая формацементованный слойcarbide formationchromium steelscementationgranular formcemented layerReferencesКомаров А. О., Белкин П. Н. Влияние поверхностно-активных веществ на характеристики анодной цементации конструкционных сталей // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2008. № 2. С. 46–49.Komarov A. O., Belkin P. N. Vliyanie poverkhnostno-aktivnykh veshchestv na kharakteristiki anodnoi tsementatsii konstruktsionnykh stalei [The influence of surfactants on the characteristics of anodic cementation of structural steels]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional'nye pokrytiya = Proceedings of Higher Educational Institutions. Powder Metallurgy and Functional Coatings, 2008, no. 2, pp. 46–49.Кулинский А. Д., Попов А. В. Контроль качества цементации деталей металлорежущих станков с помощью распределений скачков намагниченности по полям старта // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2006. № 4 (24). С. 21–25.Kulinsky A. D., Popov A. V. Kontrol' kachestva tsementatsii detalei metallorezhushchikh stankov s pomoshch'yu raspredelenii skachkov namagnichennosti po polyam starta [Quality control of cementation of metal-cutting machine tool parts with the help of distributions of magnetization jumps over the start fields]. Vestnik Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putei soobshcheniya = Bulletin of the Rostov State University of Railway Transport, 2006, no. 4 (24), pp. 21–25.Анализ эффективности газовых сред при вакуумной цементации / А. И. Мордовин, Л. П. Фомина, А. Е. Смирнов, Н. М. Рыжов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 11 (47). С. 31–35.Mordovin A. I., Fomina L. P., Smirnov A. E., Ryzhov N. M. Analiz effektivnosti gazovykh sred pri vakuumnoi tsementatsii [Analysis of the efficiency of gas media in vacuum cementation]. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Strengthening technologies and coatings, 2008, no. 11 (47), pp. 31–35.Цементация и нитpоцементация теплостойких сталей в технологической атмосфеpе на основе азота / Л. П. Фомина, P. С. Фахуpтдинов, А. Е. Смиpнов, В. P. Васильев, А. И. Моpдовин // Технология машиностроения. 2006. № 11. С. 14–18.Fomina L. P., Fakhurtdinov P. S., Smirnov A. E., Vasiliev V. P., Mordovin A. I. Tsementatsiya i nitpotsementatsiya teplostoikikh stalei v tekhnologicheskoi atmosfepe na osnove azota [Cementation and nitrocementation of heat-resistant steels in a technological atmosphere based on nitrogen]. Tekhnologiya mashinostroeniya = Technology of Mechanical Engineering, 2006, no. 11, рр. 14–18.Степанкин И. Н., Поздняков Е. П. К вопросу влияния предварительной термической обработки и поверхностного упрочнения на структуру, микротвердость и стойкость к контактному изнашиванию стали Х12М, упрочненной низкотемпературной нитроцементацией // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П. О. Сухого. 2016. № 2 (65). С. 36–44.Stepankin I. N., Pozdnyakov E. P. K voprosu vliyaniya predvaritel'noi termicheskoi obrabotki i poverkhnostnogo uprochneniya na strukturu, mikrotverdost' i stoikost' k kontaktnomu iznashivaniyu stali Х12M, uprochnennoi nizkotemperaturnoi nitrotsementatsiei [On the question of the influence of preliminary heat treatment and surface hardening on the structure, microhardness and resistance to contact wear of steel X12M, hardened by low-temperature nitrocementation]. Vestnik Gomel'skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. P. O. Sukhogo = Bulletin of the Gomel State Technical University named after P. O. Sukhoi, 2016, no. 2 (65), pp. 36–44. (In Russ.)Чеpтов В. М. Особенности цементации мелких деталей // Технология машиностроения. 2006. № 3. С. 11–13.Chertov V. M. Osobennosti tsementatsii melkikh detalei [Features of cementation of small parts]. Tekhnologiya mashinostroeniya = Technology of mechanical engineering, 2006, no. 3, pp. 11–13.Ахмедпашаев М. У. Механизм каpбидообpазования пpи цементации сложнолегиpованных матеpиалов на основе железа // Технология металлов. 2006. № 10. С. 21–23.Akhmedpashaev M. U. Mekhanizm kapbidoobpazovaniya ppi tsementatsii slozhnolegipovannykh matepialov na osnove zheleza [The mechanism of carbide formation during cementation of complex alloyed materials based on iron]. Tekhnologiya metallov = Techno-logy of metals, 2006, no. 10, pp. 21–23.Рыжова М. Ю. Оптимальный pасход углеводоpода насыщающей газовой сpеды пpи цементации // Технология металлов. 2006. № 3. С. 6–10.Ryzhova M. Yu. Optimal'nyi paskhod uglevodopoda nasyshchayushchei gazovoi spedy ppi tsementatsii [Optimal consumption of hydrocarbon of the saturating gas medium during cementation]. Tekhnologiya metallov = Technology of metals, 2006, no. 3, pp. 6–10.Повышение экологической чистоты цементации стали за счет использования пастообразных карбюризаторов повышенной активности / Д. В. Калмыков, Д. И. Губин, И. И. Губин, О. В. Летова // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2007. № 3. С. 29–31.Kalmykov D. V., Gubin D. I., Gubin I. I., Letova O. V. Povyshenie ekologicheskoi chistoty tsementatsii stali za schet ispol'zovaniya pastoobraznykh karbyurizatorov povyshennoi aktivnosti [Improving the ecological purity of steel cementation through the use of pasty carburetors of increased activity]. Zashchita okruzhayushchei sredy v neftegazovom komplekse = Environmental protection in the oil and gas complex, 2007, no. 3, рр. 29–31. (In Russ.)Тарасов А. Н. Структура и свойства диффузионных слоев, формирующихся на легированных сталях при цементации в активированных древесно-угольных смесях // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. № 2 (620). С. 32–35.Tarasov A. N. Struktura i svoistva diffuzionnykh sloev, formiruyushchikhsya na legirovannykh stalyakh pri tsementatsii v aktivirovannykh drevesno-ugol'nykh smesyakh [Structure and properties of diffusion layers formed on alloyed steels during cementation in activated wood-coal mixtures]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Metallurgy and heat treatment of metals, 2007, no. 2 (620), pp. 32–35.Алиев А. А., Ампилогов А. Ю., Алиев А. А.Цементация и нитроцементация автотракторных деталей в кипящем слое // Металловедение и термическая обработка металлов. 2009. № 4 (646). С. 31–33.Aliev A. A., Ampilogov A. Yu., Aliev A. A. Tsementatsiya i nitrotsementatsiya avtotraktornykh detalei v kipyashchem sloe [Cementation and nitrocementation of automotive parts in a boiling layer]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Metallurgy and heat treatment of metals, 2009, no. 4 (646), pp. 31–33.Повышение износостойкости восстановленных деталей цементацией при ремонте машин / М. А. Барабаш, Д. В. Колмыков, А. Н. Гончаров, В. И. Колмыков // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. № 5 (53). С. 44–47.Barabash M. A., Kolmykov D. V., Goncharov A. N., Kolmykov V. I. Povyshenie iznosostoikosti vosstanovlennykh detalei tsementatsiei pri remonte mashin [Improving the wear resistance of restored parts by cementation during the repair of machines]. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Strengthening technologies and coatings, 2009, no. 5 (53), pp. 44–47.Перспективные стали для кожухов доменных агрегатов / Н. Н. Сергеев, А. Е. Гвоздев, А. Н. Сергеев, И. В. Тихонова, С. Н. Кутепов, О. В. Кузовлева, Е. В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2017. Т. 7, № 2(23). С. 6–15.Sergeev N. N., Gvozdev A. E., Sergeev A. N., Tikhonova I. V., Kutepov S. N., Kuzovleva O. V., Ageev E. V. Perspektivnye stali dlya kozhukhov domennykh agregatov [Perspektivnye stali dlya kozhukhov blast-furnace aggregates]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceeding of the Southwes State University. Series: Engineering and Technologies, 2017, vol. 7, no. 2 (23), pp. 6–15.Принятие решений по статистическим моделям в управлении качеством продукции / Г. М. Журавлев, А. Е. Гвоздев, С. В. Сапожников, С. Н. Кутепов, Е. В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. Т. 21, № 5(74). С. 78–92.Zhuravlev G. M., Gvozdev A. E., Sapozhnikov S. V., Kutepov S. N., Ageev E. V. Prinyatie reshenii po statisticheskim modelyam v upravlenii kachestvom produktsii [Decisionmaking on statistical models in product quality management]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceeding of the Southwes State University, 2017, vol. 21, no. 5 (74), pp. 78–92.Диффузия водорода в сварных соединениях конструкционных сталей / Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев, С. Н. Кутепов, А. Е. Гвоздев, Е. В. Агеев // Известия ЮгоЗападного государственного университета. 2017. Т. 21, № 6(75). С. 85–95.Sergeev N. N., Sergeev A. N., Kutepov S. N., Gvozdev A. E., Ageev E. V. Diffuziya vodoroda v svarnykh soedineniyakh konstruktsionnykh stalei [Diffusion of hydrogen in welded joints of structural steels]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceeding of the Southwest State University, 2017, vol. 21, no. 6 (75), pp. 85–95.Проведение рентгеноспектрального микроанализа твердосплавных электроэрозионных порошков / Е. В. Агеев, Г. Р. Латыпова, А. А. Давыдов, Е. В. Агеева // Известия Юго-Западного государственного университета. 2012. № 5 (44), ч. 2. С. 99–102.Ageev E. V., Latypova G. R., Davydov A. A., Ageeva E. V. Provedenie rentgenospektral'nogo mikroanaliza tverdosplavnykh elektroerozionnykh poroshkov [Conducting X-ray spectral microanalysis of hard-alloy electroerosive powders]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceeding of the Southwest State University, 2012, no. 5 (44), pt. 2, pp. 99–102.Оценка эффективности применения твердосплавных электроэрозионных порошков в качестве электродного материала / Е. В. Агеев, Г. Р. Латыпова, А. А. Давыдов, Е. В. Агеева // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2012. № 1. С. 19–22.Ageev E. V., Latypova G. R., Davydov A. A., Ageeva E. V. Otsenka effektivnosti primeneniya tverdosplavnykh elektroerozionnykh poroshkov v kachestve elektrodnogo materiala [Evaluation of the effectiveness of the use of hard-alloy electroerosive powders as an electrode material]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceeding of the Southwes State University. Series: Engineering and Technologies, 2012, no. 1, рр. 19–22.Порошки, полученные электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов – перспективный материал для восстановления деталей автотракторной техники / Е. В. Агеев, В. Н. Гадалов, Е. В. Агеева, Р. В. Бобрышев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2012. № 1(40), ч. 1. С. 182–189.Ageev E. V., Gadalov V. N., Ageeva E. V., Bobryshev R. V. Poroshki, poluchennye elektroerozionnym dispergirovaniem otkhodov tverdykh splavov – perspektivnyi material dlya vosstanovleniya detalei avtotraktornoi tekhniki [Powders obtained by electroerosive dispersion of solid alloy waste - a promising material for restoring parts of automotive equipment]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceeding of the Southwest State University, 2012, no. 1 (40), pt. 1, pp. 182–189.Исследование химического состава порошков, полученных электроэрозионным диспергированием твердого сплава / Е. В. Агеев, Б. А. Семенихин, Е. В. Агеева, Р. А. Латыпов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. № 5 (38), ч. 1. С. 138a–144.Ageev E. V., Semenikhin B. A., Ageeva E. V., Latypov R. A. Issledovanie khimicheskogo sostava poroshkov, poluchennykh elektroerozionnym dispergirovaniem tverdogo splava [Investigation of the chemical composition of powders obtained by electroerosive dispersion of a hard alloy]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceeding of the Southwest State University, 2011, no. 5 (38), pt. 1, pp. 138a–144.Получение твердосплавных изделий холодным изостатическим прессованием электроэрозионных порошков и их исследование / Е. В. Агеева, Р. А. Латыпов, П. И. Бурак, Е. В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2013. № 5 (50). С. 116–125.Ageeva E. V., Latypov R. A., Burak P. I., Ageev E. V. Poluchenie tverdosplavnykh izdelii kholodnym izostaticheskim pressovaniem elektroerozionnykh poroshkov i ikh issledovanie [Obtaining hard-alloy products by cold isostatic pressing of electroerosive powders and their research]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceeding of the Southwest State University, 2013, no. 5 (50), pp. 116–125. (In Russ.)

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