КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПЕРЕРОЗПОДІЛУ АЗОТУ В ТЕХНОЛОГІЯХ КОМПЛЕКСНОГО ІОННОГО АЗОТУВАННЯ ЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ

Автор(и)

  • Svitlana Shevchenko Національний технічний університет «Харківсь-кий політехнічний інститут», 61002, Україна, м. Харків, вул. Кирпичова 2, інженерний корп. (пра-ве крило), 2-й пов.
  • Alexander Terletsky Національний технічний університет «Харківсь-кий політехнічний інститут», 61002, Україна, м. Харків, вул. Кирпичова 2, інженерний корп. (пра-ве крило), 2-й пов.
  • Olena Horova «Харьковский политехнический институт», 61002, Украина, г. Харьков, ул. Кирпичева 2, ин-женерн. корп. (прав. крыло), 2-й эт.
  • Oleg Sоbоl «Харьковский политехнический институт», 61002, Украина, г. Харьков, ул. Кирпичева 2, ин-женерн. корп. (прав. крыло), 2-й эт.
  • Tatyana Protasenko «Харьковский политехнический институт», 61002, Украина, г. Харьков, ул. Кирпичева 2, ин-женерн. корп. (прав. крыло), 2-й эт.
  • Olena Rebrova «Харьковский политехнический институт», 61002, Украина, г. Харьков, ул. Кирпичева 2, ин-женерн. корп. (прав. крыло), 2-й эт.

DOI:

https://doi.org/10.30977/BUL.2219-5548.2020.91.0.58

Ключові слова:

комплексне іонне азотування (КІА), сталь 9ХС, моделювання, дифузія азоту, легований аустеніт, ε-нітрид, α-ферит

Анотація

Робота присвячена моделюванню за допомогою COMSOL Multiphysics 5.5 перерозподілу азоту в деталях з легованої сталі 9ХС у процесі їхнього ізотермічного відпалу або витримування під гартування після операції іонного азотування. Така технологія комплексного іонного азотування також передбачає низький відпуск після гартування та фінішну механічну обробку поверхні й має низку переваг порівняно з традиційними способами азотування. Для комплексного іонного азотування дуже актуальні оцінка і прогноз глибини проникнення азоту, тому моделювання проводили з метою дослідження дифузійного перерозподілу азоту в циліндричних пуансонах зі сталі 9ХС за умови температури 860 °С, які мали на поверхні готовий азотований шар завтовшки 80 мкм. Показано, що в зоні різальної кромки (окружності торця) пуансона спостерігається ефект підвищеного вмісту азоту в процесі його перерозподілу. Встановлено, що за прийнятих припущень перетворення ε-нітриду в азотистий аустеніт відбувається за 3,25 хв. Отримані концентраційні профілі перерозподілу азоту за умови різного часу витримування, які можуть застосовуватися для прогнозування в заводській практиці.

Біографії авторів

Svitlana Shevchenko, Національний технічний університет «Харківсь-кий політехнічний інститут», 61002, Україна, м. Харків, вул. Кирпичова 2, інженерний корп. (пра-ве крило), 2-й пов.

доц. каф. «Матеріалознавство»

Alexander Terletsky, Національний технічний університет «Харківсь-кий політехнічний інститут», 61002, Україна, м. Харків, вул. Кирпичова 2, інженерний корп. (пра-ве крило), 2-й пов.

к.ф.-м.н., доц. каф. «Матеріалознавство»,

Olena Horova, «Харьковский политехнический институт», 61002, Украина, г. Харьков, ул. Кирпичева 2, ин-женерн. корп. (прав. крыло), 2-й эт.

к.т.н., ст. наук. співр. каф. «Матеріалознавство»

Oleg Sоbоl, «Харьковский политехнический институт», 61002, Украина, г. Харьков, ул. Кирпичева 2, ин-женерн. корп. (прав. крыло), 2-й эт.

д.ф.-м.н., проф. каф. «Матеріалознавство»

Tatyana Protasenko, «Харьковский политехнический институт», 61002, Украина, г. Харьков, ул. Кирпичева 2, ин-женерн. корп. (прав. крыло), 2-й эт.

доц. каф. «Матеріалознавство»

Olena Rebrova, «Харьковский политехнический институт», 61002, Украина, г. Харьков, ул. Кирпичева 2, ин-женерн. корп. (прав. крыло), 2-й эт.

к.т.н., доц. каф. «Матеріалознавство»

Посилання

Druchinina O.A., Kolobov Yu.R., Vershinin D.S., Smolyakova M.Yu. Otsenka glubinyi azotirovannogo sloya na stali R6M5 s ispolzovaniem avtomaticheskoy sistemyi analiza mikrotverdosti [Depth estimation of nitrided layer on P6M5 steel using an automatic microhardness analysis system]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov Industrial Laboratory. Diagnostics of Materials, 2009, Vol. 75, no. 6, рp. 40–43. ISSN 1028-6861.

Pye D. Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing. Materials Park, Ohio: ASM International, 2003. 256 p. ISBN: 978-0-87170-791-8.

Belashova I.S., Shashkov D.P. Poverhnostnoe uprochnenie instrumentalnyh stalej [Surface hardening of tool steels]. Moscow, Techpoligraftsentr Publ., 2004. 362 p.

Smolyakova M.Yu., Vershinin D.S., Tregubov I.M. Issledovanie vliyaniya nizko-temperaturnogo azotirovaniya na strukturno-fazovyj sostav i svojstva austenitnoj stali [Investigation of the effect of low temperature nitriding on the structural phase composition and properties of austenitic steel]. 9th International Conference “Interactionof Radiations with a Solid”, 20 September 22 nd, 2011, Minsk. pp. 80–82. URL: http://elib.bsu.by/handle/123456789/26374.

Ramazanov K.N, Vafin R.K. Razrabotka sposoba ionnogo azotirovaniya instrumentalnoj stali H12 v skreshennyh elektricheskih i magnitnyh polyah [Developmentof a method forion nitriding of tool steel X12 incrosse delectric and magnetic fields]. Vestnik UGATU. 2011. Vol. 15, no. 1 (41), pp. 101–104. URL: http://journal.ugatu.ac.ru./ index.php/Vestnik/article/view/912.

Shicai Yang, Kevin Cooke, Hailin Sun, Xiaoying Li, Kaijie Lin, Hanshan Dong. Development of advanced duplex surface systems by combining CrAlN multilayer coatings with plasma nitrided steel substrates. Surface & Coatings Technology. 2013. Vol. 236, pp. 2–7. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.07.017.

Lakhtin Yu.M., Kogan Ya.D., Shpis G.I, Bemer Z. Teoriya i tehnologiya azotirovaniya [Theory and technology of nitriding]. Moscow, Metallurgija Publ., 1991. 320 p. DOI: https://lib-bkm.ru/13980.

Arzamasov B.N., Bratukhin A.G., Eliseev Yu.S., Panayoti T.A. Ionnaya himiko-termicheskaya obrabotka splavov [Ionic chemical-thermal treatment of alloys]. Moscow Publ. MSTU named after Bauman. 1998. 400 p. URL: http://baumanpress.ru/books/283/

Lakhtin Yu.M. Vysokotemperaturnoe azotirovanie [High-temperature nitriding]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. Metallurgy and heat treatment of metals. 1991, no. 2, pp. 25–29.

Andreev A.A., Sablev L.P., Grigoriev S.N. Vakuumno-dugovye pokrytiya [Vacuum-arccoatings]. Kharkov, NSC KIPT Publ., 2010. 318 p.

Mittemeijer E.J., Somers M.A.J. Thermochemical Surface Engineering of Steels. Cambridge: Elsevier Ltd, 2015. 816 p. DOI: https://doi.org/10.1016/C2013-0-16318-0.

Kaplun V.G., Kaplun P.V. Ionnoe azotirovanie v bezvodorodnyh sredah [Ionic nitriding in anhydrous media]. Khmelnytskyi, KhNU, Publ., 2015. 318 p. ISBN 978-966-330-218-8.

Göhring H., Fabrichnaya O., Leineweber A., Mittemeijer E.J. Thermodynamics of the Fe-N and Fe-N-C Systems: The Fe-N and Fe-N-C Phase Diagrams Revisited. Metallurg. and Mater. Transactions A., 2016. Vol. 47A, Iss. 12, pp. 6173–6186.

DOI: https://doi.org/10.1007/s11661-016-3731-0.

Woehrle T., Cinaroglu H., Leineweber A., Mittemeijer E.J. Fe-N and Fe-N-C phase equilibria above 853 K studied by nitriding/nitrocarburising and secondary annealing. Int. J. Mater. Res., 2016, Vol. 107, Iss. 3, pp. 192–202. DOI: https://doi.org/10.3139/146.111341.

Deng X., Ju D., Li M. Finite Element Modeling and Experimental Verification of Nitriding Process in S30C Steel. Materials Research, 2017, Vol. 20, no. 2, pp. 509–513. DOI: http://dx.doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2016-0531.

Krauss G. Steels: Processing, Structure, and Performance, Second Edition. Materials Park, Ohio: ASM International, 2015. 704 p. ISBN: 1627080848, 9781627080842.

Hosseini S.R., Ashrafizadeh F., Kermanpur A. Calculation and experimentation of the compound layer thickness in gas and plasma nitriding of iron. Iran. J. of Sci. &Techn., Trans. B: Engineer. 2010, Vol. 34, no. B5, pp. 553–566. URL: https://www.researchgate.net/publication/262243233_Calculation_and_experimentation_of_the_compound_layer_thickness_in_gas_and_plasma_nitriding_of_Iron.

Kim Y.-M., Son S.W., Lee, W.-B. Thermodynamic and kinetic analysis of formation of compound layer during gas nitriding of AISI1018 carbon steel. Metals and Materials International. 2018. Vol. 24, Iss. 1, pp. 180–186. DOI: https://doi.org/10.1007/s12540-017-7191-x.

Belashova I.S. Poverhnostnoe uprochnenie instrumentalnyh stalej. Avtoref. diss. dokt. techn. nauk [Surface hardening of tool steels. Abstract. dis. Forthescientific Art. Drs. tech. sciences]. Moscow, 2005. 48 р.

Gerasimov S.A., Karguzhin S.D. etal., Sposob azotirovaniya detalej iz konctrukcionnyh legirovannyh stalej [Method for nitriding parts from structural alloy steels]. Patent RU no205842, 1996.

Sobol O.V., Shevchenko S.M., Protasenko T.O. Doslidzhennya efektivnosti kompleksnogo ion-nogo azotuvannya dlya modifikaciyi stali [Investigation of efficiency of complex ion nitriding for steel modification] Bulletin of Kharkov National Automobile and Highway University. Kharkov, KHNAHU, 2018. Vol. 82, pp. 13–18. DOI: https://doi.org/10.30977/ BUL.22195548.2018.82.0.13.

Petrova L.G. Modelirovanie processov vnutrennego azotirovaniya zharoprochnyh stalej i splavov. Diss. dokt. techn. nauk. [Modeling of processes of internal nitriding of heat-resistant steels and alloys. Dr. tech. sci. diss.]. Moscow, 2001. 402 p.

Din Kai Jian, Semenov M.Yu. Comparison of solid-solution and nitrid hardening of nitride chromium-nickel alloy based on the developed mathematical model. Bulletin of PNIPU. Engineering, materials science, 2016. Vol. 18, no. 3, pp. 41–51.

Wriedt H.A., Gokcen N.A., Nafziger R.H. TheFe-N (Iron-Nitrogen) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 1987, Vol. 8, Iss. 4, pp. 355–377.

DOI: https://doi.org/10.1007/BF02869273.

Du H. A Reevaluation of the Fe-N and Fe-C-N systems. Journal of Phase Equilibria, 1993, Vol. 14, Iss. 6, pp. 682–693. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02667880.

ASM handbook: Vol. 3: Alloy phase diagrams. Materials Park, Ohio: ASM International. Publ., 1992. 512 p. ISBN (s): 9780871703711.

Kunze j. Thermodynamische Gleichgewichte im System Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff. HTM Härte-rei-Techn. Mitt., 1996. Vol. 51, Iss. 6, pp. 348–354. URL: https://www.tib.eu/en/search/id/olc%3A1552889203/Thermodynamische-Gleichgewichte-im-System-Eisen/.

Bhadeshia H., Honeycombe R. Steels: Microstructure and Properties, 4th Edition, 2017. 488 p. ISBN: 9780081002704.

##submission.downloads##

Номер

Розділ

МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО