techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2024-14-2-33-44techusgu-254Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEОб эффективности использования соляных ванн на основе карбамида для низкотемпературного цианирования улучшаемых углеродистых и легированных сталейOn the effectiveness of using carbamide-based salt baths for low-temperature cyanidation of improved carbon and alloy steelsКостинН. Н.KostinN. N.

Николай Николаевич Костин, аспирант

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Nikolay N. Kostin, Post-Graduate Student

305040; 50 let Oktyabrya Str. 94; Kursk

nikolay-kostin@yandex.ruКолмыковВ. И.KolmykovV. I.

Валерий Иванович Колмыков, доктор технических наук, профессор

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Valery I. Kolmykov, Doctor of Sciences (Engineering), Professor

305040; 50 let Oktyabrya Str. 94; Kursk

kolmikov@yandex.ruКостинН. А.KostinN. A.

Николай Анатольевич Костин, кандидат технических наук

305000; ул. Радищева, д. 33; Курск

Nikolay A. Kostin, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor

305000; 33 Radishcheva Str.; Kursk

nikolay-kostin@yandex.ruКолмыковД. В.KolmykovD. V.

Денис Валерьевич Колмыков, кандидат технических наук

305000; ул. Радищева, д. 33; Курск

Denis V. Kolmykov, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor

305000; 33 Radishcheva Str.; Kursk

kodan@mail.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwestern State UniversityRussian FederationКурский государственный университетРоссияKursk State UniversityRussian Federation2024010720241423344Copyright © Костин Н.Н., Колмыков В.И., Костин Н.А., Колмыков Д.В., 20242024Костин Н.Н., Колмыков В.И., Костин Н.А., Колмыков Д.В.Kostin N.N., Kolmykov V.I., Kostin N.A., Kolmykov D.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/254   Цель

   Цель. Провести исследование цианирования улучшаемых углеродистых и легированных сталей марок 30, 30ХГТ, 30Х13 при температуре 550–580 °С в ваннах на основе карбамида и углекислого натрия. Сформулировать рекомендации по использованию данных ванн для поверхностного упрочнения углеродистых и легированных улучшаемых сталей, применяемых для изготовления деталей машин.

   Методы

   Методы. Исследована микроструктура диффузионного слоя сталей на поперечных шлифах с использованием оптического микроскопа XIMEA с программным обеспечением Axalit, а также с помощью электронного растрового микроскопа Quanta FEG–650 с системой микроанализа фокусированным ионным пучком EBCD. Испытания цианированных образцов на изнашивание проводили в условиях трения, аналогичных условиям работы штамповых инструментов. Износостойкость нитроцементованных образцов исследовалась на машине трения СМЦ–2. Испытания проводились как в условиях сухого трения, так и в условиях граничного трения.

   Результаты

   Результаты. Экспериментально показана высокая эффективность предлагаемого состава ванны при данной температуре. В результате цианирования на поверхности сталей образуются модифицированные слои, насыщенные твердыми включениями (ε-фазы), отличающиеся высокой твердостью, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью.

   Заключение

   Заключение. По результатам проведённых исследований можно заключить, что низкотемпературное цианирование улучшаемых сталей различных марок возможно проводить в бесцианистых соляных ваннах. Оптимальный состав цианирующей ванны: 40 % карбамида (NH2)2CO; 40 % кальцинированной соды Na2CO3 и 20 % поваренной соли NaCl. Предлагаемая ванна не содержит токсичных и дефицитных компонентов, поэтому безопасна с экологической точки зрения и весьма дёшева и может быть с большим эффектом использована в машиностроительном, ремонтном и инструментальном производствах.

   Purpose

   Purpose. A study of cyanidation of improved carbon and alloy steels of grades 30, 30HGT, 30H13 at a temperature of 550–580 °C was carried out in baths based on carbamide and sodium carbonate. Recommendations on the use of these baths for surface hardening of carbon and alloyed improved steels used for the manufacture of machine parts are formulated.

   Methods

   Methods. The microstructure of the diffusion layer of steels on transverse sections was studied using a Quanta FEG – 650 electron scanning microscope with an EBCD focused ion beam microanalysis system. Cyanide wear tests were performed under friction conditions analogous to those of die tools. The wear resistance of the carbonitrided samples was investigated on a SMTs-2 friction machine. The tests were performed under both dry friction and boundary friction conditions.

   Results

   Results. The high efficiency of the proposed bath composition at a given temperature has been experimentally shown. As a result of cyanidation, modified layers saturated with solid inclusions (ε-phases) are formed on the surface of steels, characterized by high hardness, low coefficient of friction and high wear resistance.

   Conclusion

   Conclusion. According to the results of the conducted research, it can be concluded that low-temperature cyanidation of improved steels of various grades can be carried out in cyanide-free salt baths. The optimal composition of the cyanide bath is 40% carbamide (NH2)2CO; 40 % soda ash Na2CO3 and 20 % NaCl table salt. The proposed bath does not contain toxic and scarce components, therefore it is environmentally safe and very cheap and can be used with great effect in machine-building, repair and tool industries.

улучшаемые сталилегированные сталинизкотемпературное цианированиеструктура диффузионного слояфазовый составimproved steelsalloy steelslow-temperature cyanidationdiffusion layer structurephase compositionReferencesПовышение эксплуатационных свойств хромомолибденованадиевой стали 30Х3МФ для автомобильных деталей нитроцементацией в активной среде / В. И. Колмыков, Р. Ю. Костин, Ю. С. Воробьев, Д. В. Колмыков // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 1. С. 41–53. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=48562173&ysclid=ly2lsseizg760639537Kolmykov V.I., Kostin R.Y., Vorobyov Y.S., Kolmykov D.V. Improving the performance properties of chromium-molybdenum vanadium steel 30X3MF for automotive parts by nitrocementation in an active medium. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologie, 2022;12(1):41–53. (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=48562173&ysclid=ly2lsseizg760639537Колмыков В. И., Колмыков Д. В., Чаплыгин В. Ю. Цианирование легированных наплавок в карбамидо-натриевой ванне при восстановлении деталей машин // Современные материалы, техника и технологии : сборник научных статей 9-й Международной научной конференции / отв. ред. А. А. Горохов. Т. 1. Курск: Университетская книга, 2019. С. 86–92.Kolmykov V.I., Kolmykov D.V., Chaplygin V.Y. Cyanidation of alloyed surfacing in a sodium carbamide bath during the restoration of machine parts. In: Gorokhov A.A. (ed.) Sovremennye materialy, tekhnika i tekhnologii : sbornik nauchnyh statej 9-j Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii = Modern materials, technique and technologies : collection of scientific articles of the 9<sup>th</sup> International Scientific Conference. Kursk: Universitetskaya kniga; 2019. Vol. 1. P. 86–92. (In Russ.)Тельдеков В. А., Гуревич Л. М. Исследование технологии низкотемпературной нитроцементации для комплексного упрочнения деталей машин // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2021. № 10(257). С. 64–68.Teldekov V.A., Gurevich L.M. Research of low-temperature nitrocementation technology for complex hardening of machine parts. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Izvestiya Volgograd State Technical University. 2021;(10):64–68. (In Russ.)Controlled thermogasocyclic nitriding processes / I. S. Belousova, P. S. Bibikov, A. A.Orekhov, E. I. Starovoitov // INCAS BULLETIN. 2021. Vol. 13, special is. P. 13–20. doi: 10.13111/2066-8201.2021.13.S.2.Belousova I.S., Bibikov P.S., Orekhov A.A., Starovoitov E.I. Controlled thermogasocyclic nitriding processes. INCAS Bulletin. 2021;13(Special is.):13–20. doi: 10.13111/2066-8201.2021.13.S.2Фазовые превращения в стали 34ХН1М под действием электролитно-плазменной нитроцементации / Н. А. Попова, Л. А. Ерыгина, Е. Л. Никоненко, М. К. Скаков, Н. А. Конева, Э. В. Козлов // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2017. Т. 81, № 3. С. 383–385.Popova N.A., Erygina L.A., Nikonenko E.L. Skakov M.K., Koneva N.A., Kozlov E.V. Phase transformations in 34KHN1M steel under the action of electrolytic plasma nitrocementation. Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Seriya fizicheskaya = Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Physics. 2017;81(3);383–385. (In Russ.)Петрова Л. Г., Сергеева А. С. Контроль фазового состава аустенитных сталей при поверхностном упрочнении методом высокотемпературного азотирования // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. № 6(108). С. 3–11. doi: 10.30987/2223-4608-2020-6-3-11Petrova L.G., Sergeeva A.S. Control of the phase composition of austenitic steels during surface hardening by high-temperature nitriding. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii = High-tech technologies in mechanical engineering. 2020;(6):3–11. (In Russ.) doi: 10.30987/2223-4608-2020-6-3-11Белашова И. С., Бибиков П. С., Прокофьев М. В. Особенности технологии азотирования высоколегированных коррозионностойких сталей авиационного назначения // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28, № 2. С. 206–215.Belashova I.S., Bibikov P.S., Prokofiev M.V. Features of nitriding technology of high-alloy corrosion-resistant steels for aviation purposes. Vestnik Moskovskogo aviacionnogo instituta = Bulletin of the Moscow Aviation Institute. 2021;28(2):206–215. (In Russ.)Kostin N. A. Pack cyaniding of steel 6KH4M2FS in order to increase heavily-loaded die durability // Metal Science and Heat Treatment. 2020. Vol. 62, no. 5/6. P. 331–335.Kostin NA. Pack cyaniding of steel 6KH4M2FS in order to increase heavily-loaded die durability. Metal Science and Heat Treatment. 2020;62(5-6):331–335.Features of cathodic plasma electrolytic nitrocarburizing of low-carbon steel in an aqueous electrolyte of ammonium nitrate and glycerin / I. Tambovskiy, T. Mukhacheva, I. Gorokhov, I. Suminov, S. Silkin, I. Dyakov, S. Kusmanov, S. Grigoriev // Metals. 2022. Vol. 12, no. 10. P. 1773.Tambovskiy I., Mukhacheva T., Gorokhov I., Suminov I., Silkin S., Dyakov I., Kusmanov S., Grigoriev S. Features of cathodic plasma electrolytic nitrocarburizing of low-carbon steel in an aqueous electrolyte of ammonium nitrate and glycerin. Metals. 2022;12(10):1773.Костин Н. А. Особенности закалки штамповых сталей 5ХГС и 5Х3ГС, науглероженных до заэвтэктоидных концентраций // Черные металлы. 2020. № 5. С. 31–36.Kostin N.A. Features of quenching die steels 5XGS and 5X3GS, carbonized to hypereutectoid concentrations. Chernye metally = Ferrous metals. 2020;(5):31–36. (In Russ.)Белашова И. С., Маринин Е. А., Лисовский В. А. Количественная оценка эффективности лазерных технологий поверхностного модифицирования // Черные металлы. 2023. № 7. С. 47–51.Belashova I.S., Marinin E.A., Lisovskii V.A. Quantitative assessment of the effectiveness of laser technologies for surface modification. Chernye metally = Ferrous metals. 2023;(7):47–51. (In Russ.)Формирование азотированных слоев в железе в условиях термоциклирования / Л. Г. Петрова, И. С. Белашова, Е. А. Маринин, О. Б. Лисовская // Черные металлы. 2023. № 7. С. 42–46.Petrova L.G., Belashova I.S., Marinin E.A., Lisovskaya O.B. Formation of nitrided layers in iron under thermal cycling conditions. Chernye metally = Ferrous metals. 2023;(7):42–46. (In Russ.)Влияние электролитно-плазменной нитроцементации на фазовый состав сплава 40ХНЮ / Н. А. Попова, Е. Л. Никоненко, Г. У. Ерболатова, А. В. Никоненко // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2019. Т. 21, № 3. С. 24–32.Popova N.A., Nikonenko E.L., Yerbolatova G.U., Nikonenko A.V. The effect of electrolyte-plasma nitrocementation on the phase composition of alloy 40HNU. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie = Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanical engineering, materials science. 2019;21(3):24–32. (In Russ.)Грашков С. А., Колмыков В. И. Повышение износостойкости стали ХВГ для деталей топливной аппаратуры дизелей методом нитроцементации // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 1. С. 43–56. EDN: TNHSOE.Grashkov S.A., Kolmykov V.I. Increasing the wear resistance of HVG steel for parts of diesel fuel equipment by nitrocementation. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2020;10(1):43–56. (In Russ.) EDN: TNHSOEОб использовании повторной низкотемпературной нитроцементации для эффективного упрочнения коленчатых валов автомобилей КАМАЗ, прошлифованных под ремонтные размеры / В. И. Колмыков, Р. Ю. Костин, Ю. С. Воробьев, Д. В. Колмыков // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 2. С. 70–85. doi: 10.21869/2223-1528-2023-13-2-70-85Kolmykov V.I., Kostin R.Y., Vorobyov Y.S., Kolmykov D.V. On the use of repeated low-temperature nitrocementation for effective hardening of crankshafts of KAMAZ vehicles ground to repair dimensions. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2023;13(2):70–85. (In Russ.) doi: 10.21869/2223-1528-2023-13-2-70-85Влияние электролитно-плазменной нитроцементации на структурно-фазовое состояние сталей феррито-перлитного класса / Н. А. Попова, Е. Л. Никоненко, А. В. Никоненко, В. Е. Громов, О. А. Перегудов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2019. Т. 62, № 10. С. 782–789.Popova N.A., Nikonenko E.L., Nikonenko A.V., Gromov V.E., Peregudov O.A. The influence of electrolytic plasma nitrocementation on the structural and phase state of ferrite-perlite class steels. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous metallurgy. 2019;62(10):782–789.Влияние многоцикловой нитроцементации на микроструктуру и твердость поверхностного слоя низкоуглеродистой стали / Н. Тавиджун, Т. Прадитья, С. Бутчай, Ч. Канчаномай // Металловедение и термическая обработка металлов. 2021. № 7 (793). С. 38–46.Tavijun N., Praditya T., Butchai S., Kanchanomai Ch. The effect of multicycle nitrocementation on the microstructure and hardness of the surface layer of low-carbon steel. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov = Metallurgy and heat treatment of metals. 2021;(7):38–46. (In Russ.)Бегатов Ж., Джалилова М. Влияние режимов низкотемпературной нитроцементации на структуру и свойства стали 4ХМФС // Belarusian-Uzbek Scientific and Methodologikal Journal. 2022. Vol. 1, no. 2. P. 45–48.Begatov J., Jalilova M. The influence of low-temperature nitrocementation modes on the structure and properties of 4KHMFS steel. Belarusian-Uzbek Scientific and Methodological Journal. 2022;1(2):45–48. (In Russ.)Тилабов Б. К., Нормуродов У. Э. Нитроцементация игольчатых звездочек из углеродистой стали и их последующая закалка и низкий отпуск // Universum: Технические науки. 2021. № 2-4(83). С. 21–24.Tilabov B.K., Normurodov U.E. Nitrocementation of needle sprockets made of carbon steel and their subsequent hardening and low tempering. Universum: technical sciences. 2021; (2-4):21–24.Increasing wear and corrosion resistance of tool steel by anodic plasma electrolytic nitriding / I. G. Dyakov, S. V. Burov, P. N. Belkin, E. V. Rozanov, S. A. Zhukov // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 362. P. 124–131.Dyakov I.G., Burov S.V., Belkin P.N., Rozanov E.V., Zhukov S.A. Increasing wear and corrosion resistance of tool steel by anodic plasma electrolytic nitriding. Surface and Coatings Technology. 2019;362:124–131.

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