Creating of the layers of wear resistant Fe-Cr-Mn-C and Fe-Cr-C CAST irons, which self-hardening in the process of wear

Cheylyakh, Y. A. Creating of the layers of wear resistant Fe-Cr-Mn-C and Fe-Cr-C CAST irons, which self-hardening in the process of wear / Y. A. Cheylyakh, A. P. Cheiliakh // Университетская наука - 2017 : в 3 т. : тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. (Мариуполь, 18-19 мая 2017 г.) / ГВУЗ "ПГТУ". – Мариуполь, 2017. – Т. 1. – С. 12–13

Поверхностные модификации износостойких сталей методами индуцирования метастабильных аустенитных структур

Surface modifications for wear resistant steels by methods of induced metastable austenite structures / Ya. А. Cheiliakh [etc. al.] // Вісник Приазовського державного технічного університету : зб. наукових праць / ПДТУ. – Маріуполь, 2013. – Вип. 26. – С. 62–70. – (Серія : Технічні науки).The problem of creation of new economical surfacing material, not containing expensive components (Ni, Mo, Nb, W and others) and new strengthening technologies for steels is quite actual and modern for many countries. One of the way of solving this problem is to develop metastable austenite conditions and realize them in the process of wear Deformation Induced Martensite γ→α′ Transformation (DIMT), accompanied with emission of carbide, carbon-nitride or inter-metallic compound of expensive phases inside the surface layer. The purpose of this work is to develop new economical (nickel free) powder surfacing materials and new technologies of surface hardening providing strain selfhardening during the wearing process for increasing characteristic and wear resistant of the surfacing parts. New ways and processes of surface modifications of metastableaustenite phase-structural states were developed: electrode-arc surfacing with powder electrodes of metastable Fe-Cr-Mn steel grades of austenite, austenite-martensite or martensite-austenite classes without application of heat treatment, combined with subsequent quenching, ageing, thermo-cyclic treatment for regulating the degree of austenite metastability (depending upon the required wear resistance and other mechanical properties); plasma, electron-beam or laser treatments with different degree of surface melting (if necessary combined with volume heat treatment) of alloyed steels of different structural classes and designation.Проблема створення нових економічних наплавлювальних матеріалів, що не містять дорогі компоненти (Ni, Мо, Nb, W та інші) і нових зміцнюючих технологій для сталей актуальні і сучасні для багатьох країн. Одним з шляхів вирішення цієї проблеми – створювати метастабільні стани аустеніту і реалізовувати в процесі зношування деформаційні мартенситні γ→α′ перетворення (ДМП), що супроводяться виділенням карбідів, карбонитридів або інших інтерменталлідних з'єднань із збагачених фаз в наплавлених шарах. Мета цієї роботи – розвивати нові економічні (безнікелеві) порошкові наплавлювальні матеріали і нові технології поверхневого зміцнення, що забезпечують ефекти деформаційного самозміцнення в процесі зношування для підвищення характеристик ізносостійкості поверхневих шарів. Отримали розвиток нові шляхи і процеси створення поверхневих модифікацій фазово-структурних станів метастабільного аустеніту: електро-дугове наплавлення порошковими електродами метастабільних Fe-Cr-Mn марок сталей аустенітного, аустенітно-мартенситного і мартенситного класів, без термічної обробки, і у поєднанні з подальшими гартуванням, старінням, термоциклічною обробкою для регулювання ступеня метастабільної аустеніту (залежного від необхідного опору зношуванню та інших механічних властивостей); плазмова, електронно-променева або лазерна обробки з різним ступенем нагріву і плавлення (при необхідності у поєднанні з регулюючою термічною обробкою) легованих сталей різних структурних класів і призначення.Проблема создания новых экономичных наплавочных материалов, не содержащих дорогие компоненты (Ni, Mo, Nb, W и другие) и новых упрочняющих технологий для сталей актуальны и современны для многих стран. Одним из путей решения этой проблемы - создавать метастабильные состояния аустенита и реализовывать в процессе изнашивания деформационные мартенситные γ→α′ превращения (ДМП), сопровождающиеся выделением карбидов, карбонитридов или других интерменталлидных соединений из обогащенных фаз в наплавленных слоях. Цель этой работы – развивать новые экономичные (безникелевые) порошковые наплавочные материалы и новые технологии поверхностного упрочнения, обеспечивающие эффекты деформационного самоупрочнения в процессе изнашивания для повышения характеристик и износостойкости поверхностных слоев. Получили развитие новые пути и процессы создания поверхностных модификаций фазово-структурных состояний метастабильного аустенита: электро-дуговая наплавка порошковыми электродами метастабильных Fe-Cr-Mn марок сталей аустенитного, аустенитно-мартенситного и мартенситного классов, без термической обработки, и в сочетании с последующими закалкой, старением, термоциклической обработкой для регулирования степени метастабильности аустенита (зависящего от требуемого сопротивления изнашиванию и других механических свойств); плазменная, электронно-лучевая или лазерная обработки с различной степенью нагрева и плавления (при необходимости в сочетании с регулирующей термической обработкой) легированных сталей различных структурных классов и назначения

The effect of carburizing and heat treatment on the increase mechanical properties of cost-saving wear-resistant FE-CR-MN deposited metal

Regularities and advantages of formation of metastable phase-structural modifications of deposited wear-resistant Fe-Cr-Mn steels in surface layers due to the use of carburizing and quenching from different temperatures are defined. After optimal quenching regimes, an increased level of wear resistance is achieved in different wear conditions.Regularities and advantages of formation of metastable phase-structural modifications of deposited wear-resistant Fe-Cr-Mn steels in surface layers due to the use of carburizing and quenching from different temperatures are defined. After optimal quenching regimes, an increased level of wear resistance is achieved in different wear conditions

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАСТАБИЛЬНОГО Fe-Cr-Mn МЕТАЛЛА

Represents the simulation of formation of chemical and phase composition as well as the structure of deposited Fe-Cr-Mn wear-resistant metal with evaluation of its metastability, depending upon surface deposition and technological parameters of hardfacing. By means to discover a layer-after-layer mechanism of formation of chemical and phase composition of the deposited metal that it could be modified quite efficiently by the degree of melting layers, thus ensuring different meta-stability of austenite.Предложено моделирование формирования химического, фазового составов и структуры наплавленного Fe-Cr-Mn износостойкого металла с оценкой его метастабильности в зависимости от наплавочно-технологических параметров наплавки. Установлен послойно-ступенчатый механизм формирования  химического и фазового составов наплавленного металла, регулируемый степенью проплавления слоев, обеспечивая дифференцированную метастабильность аустенита

ШВИДКІСНЕ ТЕРМОЦИКЛІЧНЕ АЗОТУВАННЯ ЦЕМЕНТОВАНИХ СТАЛЕЙ

Abstract.The task of developing new methods of chemical and heat treatment (CHT), aimed at increasing wear resistance, mechanical properties and reducing length of process operations seems to be quite vital. The objective of the work is development of a method of complex surface strengthening of structural steels with application of the mechanism of additional self-strengthening at wear. Suggested is application of high-speed thermo-cyclic nitriding of carburized structural steels for formation of gradient meta-stable phase-structural modifications in saturated layers. Specimens of 18Cr2Ni4Мo steel underwent preliminary carburization in solid carburetor at  930 °С temperature for 12 hours it leading to obtaining a carbonized layer 1.2…1.3 mm in thickness. Then high-speed thermocyclic nitriding (HSTCN) was carried out in carbamide medium with CHT heating, according to heating-cooling mode 1000↔20 °С, the number of thermo cycles being 2 to 12. The following investigation methods were applied: metallographic, scanning electronic microscopy, durometric, wear testing, according to dry friction-sliding metal against metal mode. As a result of combined CHT with thermo-cycling a thin nitrited layer 0.07…0.14 mm thick is formed on the surface (following 2 HSTCN cycles) and up to 0.  thick (after 12 HSTCN cycles) with increased nitrogen and carbon content. Further structure along the depth of the carbonized layer consists of high-carbon martensite, carbonitrides and increased amount of residual austenite (Аres). Along the depth of the saturated layer the microstructure is changed in gradient: the amount of Аres and carbonitrides is reduced, while the amount of quenching martensite is increased. Depending upon the number of HSTCN cycles relative wear resistance is extremely maximally changed with maximum (ε=4,1) at 7 cycles. Аres is meta-stable and undergoes deformation induced martensite transformation γres→αʹ in the process of wear testing (DIMTWT) in the thin surface layer, it bringing some additional contribution into deformational self-strengthening and improvement of relative wear resistance.  Thus, improvement of wear resistance ensures additional amount on nitrides and carbonitrides in the preliminarily carbonized and then nitrited steel layer, as well as high-carbon martensite and increased amount of meta-stable Аres (45…70 %), that undergoes γres→αʹ DIMTWT. Thermocyclic character of additional nitriding ensures grain refinement, it promoting improvement in steel impact strength. Предложено использование скоростного термоциклического азотирования цементируемых конструкционных сталей для формирования градиентных метастабильных фазово-структурных модификаций в насыщенных слоях, обеспечивает дополнительное укрепление с эффектом самоупрочнения в процессе испытаний на износ (или эксплуатации) и повышения относительной износостойкости.Запропоновано використання швидкісного термоциклічного азотування цементованих конструкційних сталей для формування градієнтних метастабільних фазово-структурних модифікацій у насічених шарах, що забезпечує додаткове зміцнення з ефектом  самозміцнення в процесі випробувань на зношування (або експлуатації) та підвищення відносної зносостійкості

Анализ разрушения, микроструктуры и свойств тяжелонагруженных шестерен разных производителей

Purpose. To study the causes, nature of destruction, structural, mechanical and operational characteristics of heavily loaded cemented gears from steel 20Х2Н4А with chemical composition (%): 0,17 С; 0,25 Si; 0,39 Mn; 1,33 Cr; 3,12 Ni; 0,022 W; 0,07 Мо; 0,01 Ti; 0,25 Cu; 0,016 S; 0,01 P of various manufacturers to improve the technology of their production and improve performance.To investigate the causes of destruction, worn-out gears manufactured by Joy Global Inc. were selected. (“Joy”) (USA), Machine-Building Enterprise “MAGMA” and Yasinovatsky Machine-Building Plant (“YaMZ”) (Ukraine) of heavy-duty gearboxes of mining tunnel combines, completely out of order, made of 20Х2Н4А steel after cementation and a full heat treatment cycle.Research methods. Macroscopic (GOST 10243-75) and microscopic analyzes, spectrographic and quantometric analysis of the chemical composition of the cemented layer depth, measurement of Rockwell hardness (HRC), micro-hardness of the layer depth (GOST 9450-76), tensile testing of mechanical properties GOST 1497- 84, metal-to-metal friction wear resistance tests.The nature of destruction, the macrostructure, the microstructure of gears, the distribution of carbon, and the microhardness over the depth of the cemented layer was investigated. Comparative wear tests under conditions of dry sliding friction were carried out.Obtained results. It was established that the causes of chipping of the active surfaces of the teeth of the heavily loaded gears of mining machines were the insufficient strength of the cemented layer at a certain depth, as well as extreme overloading of the elements of the engagement during operation. The carbon distribution in the depth of the cemented layer of gears produced by “MAGMA” is 1.5 times higher than that for parts produced by “Joy”, which does not exclude the latter being saturated with carbon and nitrogen by carbonitriding. The microstructure of the hardened layers in the gears of the manufacturers “Joy” and “MAGMA” consists of finely dispersed martensite, carbides and residual austenite, the ratio of these phases varies with the depth of the layer according to the decrease in carbon content. The mechanical properties of steel samples 20Х2Н4А, cut from the gears of the specified manufacturers, comply with the requirements of GOST 4353-71. The microstructure of gears produced by “YaMZ” is troosto-martensitic with larger grains (number 4–5), which resulted in a somewhat lower hardness and relative wear resistance. Samples cut from the gears of the production “Joy” and “MAGMA” have the highest wear resistance, a little less – “YaMZ”.Scientific novelty. Based on the analysis of damage, the causes of failure of heavily loaded gears, operating in difficult operating conditions of different manufacturers, are determined, their comparative studies and testing properties are carried out. The nature of changes in the microstructure, the distribution of microhardness depending on the concentration of carbon in the thickness of the cemented layer of gears.Practical value. The research results served as scientifically based recommendations for the improvement of the technological process of production and the hardening of heavily loaded gears in “MAGMA” to improve their performance. Цель работы. Изучение причин, характера разрушения, структурных, механических и эксплуатационных характеристик тяжелонагруженных цементованных шестерен из стали 20Х2Н4А различных фирм-производителей для совершенствования технологии их производства и повышения работоспособности.Для исследования причин разрушения были отобраны отработанные шестерни производства фирмы Joy Global Inc. («Joy») (США), ООО «МАГМА» и Ясиноватского машиностроительного завода («ЯМЗ») (Украина) тяжелонагруженных редукторов горнопроходческих комбайнов, полностью вышедшие из строя, изготовленные из стали 20Х2Н4А после цементации и полного цикла термической обработки.Методы исследования. Макроскопический (ГОСТ10243-75) и микроскопический анализы, спектрографический и квантометрический анализ химического состава по глубине цементованного слоя, измерение твердости по Роквеллу (HRC), микротвердости по глубине слоя (ГОСТ9450-76), испытания механических свойств на растяжение ГОСТ 1497-84, испытания износостойкости трением скольжения металл-металл.Исследованы: характер разрушения, макроструктура, микроструктура шестерен, распределение углерода и микротвердость по глубине цементованного слоя. Проведены сравнительные испытания на изнашивание в условиях сухого трения скольжения.Полученные результаты. Установлено, что причинами выкрашивания активных поверхностей зубьев тяжелонагруженных шестерен горных машин явилась недостаточная прочность цементованного слоя на определенной глубине, а также экстремальные перегрузки элементов зацепления при эксплуатации. Распределение углерода по глубине цементованного слоя шестерен производства «МАГМА» в 1,5 раза превосходит таковое для деталей производства «Joy», что не исключает насыщение последних углеродом и азотом проведением нитроцементации. Микроструктура упрочненных слоев в шестернях производителей «Joy» и «МАГМА» состоит из мелкодисперсного мартенсита, карбидов и остаточного аустенита, соотношение этих фаз изменяется по глубине слоя согласно уменьшению содержания углерода. Механические свойства образцов стали 20Х2Н4А, вырезанных из шестерен указанных производителей, соответствуют требованиям ГОСТ 4353-71. Микроструктура шестерен производства «ЯМЗ» троосто-мартенситная при более крупном зерне (номер 4–5), что обусловило получение несколько меньшей твердости и относительной износостойкости. Наибольшей износостойкостью обладают образцы, вырезанные из шестерен производства «Joy» и «МАГМА», несколько меньшей – «ЯМЗ».Научная новизна. На основе анализа повреждаемости определены причины выхода из строя шестерни тяжелонагруженных зубчатых передач, работающих в сложных условиях эксплуатации разных производителей, проведены их сравнительные исследования и испытания свойств. Установлен характер изменения микроструктуры, распределения микротвердости в зависимости от концентрации углерода по толщине цементованного слоя шестерен.Практическая ценность. Результаты исследований послужили научнообоснованными рекомендациями для совершенствования технологического процесса производства и упрочнения тяжелонагруженных шестерен в условиях ООО «МАГМА» для повышения их эксплуатационных характеристик

ВПЛИВ ЛЕГУВАННЯ НА ТЕМПЕРАТУРУ ПЕРЕТВОРЕННЯ «ПЕРЛИТ – АУСТЕНИТ» У КОМПЛЕКСНО-ЛЕГОВАНИХ БІЛИХ ЧАВУНАХ

Purpose. Pearlite is not accepted in the microstructure of wear resistant steels and cast irons. To prevent the pearlite by means of appropriate selection of mode of quenching requires the knowledge of the temperature of the critical points Ac1 and Ac3 for various steels and cast irons. Purpose of work is determine the effect of V (5-10%) and Cr (up to 9%) on the temperature range of the phase-structural transformation "pearlite®austenite in the complex-alloyed V-Cr-Mn-Ni white cast irons with spheroidal vanadium carbides. Methodology. Nine Mg-treated cast irons smelted in laboratory furnace were used for investigation. The metallographic and optical dilatometric analysis methods as well as energy-dispersive spectroscopy were used. Findings. It is shown that in irons studied the critical point Ac1 is in a temperature range from 710-780 °C (lower limit) up to 730-850 °C (upper limit). The data on the concentrations of chromium and vanadium in a matrix of iron are presented, the regression equation describing the effect of vanadium and chromium on the temperature limits of the transformation «pearlite ® austenite» are obtained. Originality. It is shown that increase the chromium content leads to growth of lower and upper limits of the temperature interval of transformation "pearlite ® austenite"; vanadium increases only the upper limit of the range. It was found that the effect of chromium on the critical point Ac1 is attributed to its solubility in the metallic matrix (concentration of Cr in the austenite reaches 7%); vanadium, due to its slight dissolution in the matrix (vanadium content does not exceed 1.75%), affects the critical point indirectly by increasing of chromium concentration in the matrix due to enhanced carbon sequestration in VC carbides. Practical value. The temperature ranges of heating for quenching of V-Cr-Mn-Ni cast irons with spheroidal vanadium carbides, which provides the formation of austenitic-martensitic matrix without pearlite, is transformation proposed.Цель. В структуре износостойких сталей и чугунов не допускается присутствия перлита. Устранение перлита путем грамотного выбора режима закалки предполагает знание температур критических точек Ас1 и Ас3 дляконкретных сталей и чугунов. Целью работы является определение влияния V (от 5 до 10 %) и Cr (от 0 до 9 %) на температурный интервал фазово-структурного перехода «перлит ® аустенит» (точки Ас1) в комплексно-легированных белых V-Cr-Mn-Ni чугунах со сфероидизированными карбидами ванадия. Методика. Использованы чугуны девяти различных составов, выплавленные в лабораторных условиях и подвергнутые модифицирующей обработке Mg-содержащей лигатурой. В работе применены металлографический метод анализа, оптическая дилатометрия, энергодисперсионная спектроскопия. Результаты. Показано, что в исследованных чугунах критическая точка Ас1 находится в температурном интервале от 710–780 оС (нижняя граница) до 730–850 оС (верхняя граница). Представлены данные по концентрации хрома и ванадия в матрице чугунов, получены регрессионные выражения, описывающие влияние содержания ванадия и хрома на температурные границы превращения «перлит ® аустенит». Научная новизна. Показано, что в исследованных чугунах рост содержания хрома приводит к повышению нижней и верхней границ температурного интервала превращения «перлит ® аустенит»; ванадий повышает лишь верхнюю границу интервала. Установлено, что влияние хрома на критическую точку Ас1 реализуется благодаря его частичному растворению в металлической матрице (концентрация Сr в аустените достигает 7,0 %). Ванадий, ввиду его незначительного растворения в матрице (содержание ванадия в твердом растворе не превышает 1,75 %), влияет на критическую точку опосредованно, за счет увеличения концентрации хрома в матрице вследствие более активного связывания углерода в карбиды VС. Практическая значимость. Предложены температурные интервалы нагрева под закалку белых V-Cr-Mn-Ni чугунов со сфероидизированными карбидами ванадия, обеспечивающие получение в структуре чугунов аустенитно-мартенситной матрицы при полном отсутствии перлита в структуре.Мета. У структурі зносостійких сталей та чавунів не допускається присутності перліту. Запобігання виникненню перліту шляхом грамотного вибору режиму гартування передбачає знання температури критичних точок Ас1 і Ас3 для конкретних сталей і чавунів. Метою роботи є визначення впливу V (від 5 до 10 %) і Cr (від 0 до 9 %) на температурний інтервал фазово-структурного переходу «перліт ® аустеніт» у комплексно-легованих білих V-Cr-Mn-Ni чавунах зі сфероїдізованими карбідами ванадію. Методика. Використано чавуни дев’яти різних складів, які було виплавлено в лабораторних умовах та піддано модифікуванню Mg-вміщуючою лігатурою. В роботі використано металографічний метод аналізу, оптична дилатометрія, енергодисперсійна спектроскопія. Результати. Показано, що в досліджених чавунах критична точка Ас1 знаходиться в температурному інтервалі від 710–780 оС (нижня межа) до 730–850 оС (верхня межа). Представлено дані по концентрації хрому та ванадію в матриці чавунів, отримано регресійні вирази, що описують вплив ванадію та хрому на температурні межі перетворення «перліт ® аустеніт». Наукова новизна. Показано, що в досліджених чавунах зростання вмісту хрому призводить до підвищення нижньої та верхньої меж температурного інтервалу перетворення «перліт ® аустеніт»; ванадій підвищує лише верхню межу інтервалу. Встановлено, що вплив хрому на критичну точку Ас1 реалізується завдяки його розчиненню в металевій матриці (концентрація Сr в аустеніті досягає 7,0 %). Ванадій, зважаючи на його незначне розчинення в матриці (вміст ванадію в твердому розчині не перевищує 1,75 %), впливає на критичну точку опосередковано, за рахунок збільшення концентрації хрому в матриці внаслідок більш активного зв’язування вуглецю в карбіди VС. Практична значимість. Запропоновано температурні інтервали нагріву під загартування білих V-Cr-Mn-Ni чавунів зі сфероїдізованими карбідами ванадію, щоб забезпечити отримання аустенітно-мартен-ситної матриці за повної відсутності перліту в структурі