Численное моделирование и экспериментальное исследование процесса индукционной химико-термической обработки быстрорежущей стали Р6М5
Ключевые слова:
инструментальная быстрорежущая сталь, индукционный нагрев, азотирование, диффузия азота, распределение тепла, численное моделирование, кривые нагрева
Аннотация
Приведены результаты численного моделирования процесса индукционной химико-термической обработки (ИХТО) дисковых образцов из инструментальной быстрорежущей стали Р6М5. Модель учитывает расположение обрабатываемых изделий и их кинетику нагрева внутри герметичной камеры в азотосодержащей среде. Определение температурных полей, соответствующих диффузионным процессам азота в стальных изделиях (при температуре свыше 600 °C), позволило установить глубину и равномерность прогрева изделий и глубину диффузионного слоя. В процессе моделирования устанавливали влияние тока индуктора в диапазоне 3,3…3,7 кА на поверхностную температуру образцов в течение 10 мин обработки. Процесс численного моделирования заключался в решении краевой задачи электродинамики и нестационарной теплопередачи системы «индуктор–камера–образец».
Выявлено влияние тока индуктора на среднюю температуру стального изделия. Установлено, что температура поверхности образцов при данных значениях тока варьируется в диапазоне от 900 до 1170 °C. Наблюдается равномерный прогрев на полную глубину сечения металлических изделий. Изучение содержания азота в подложке после обработки показало, что в поверхностных слоях (до 50…70 мкм) наличие азота составило 4,9…12,0 ат. %, а в диффузионных слоях (от 80 до 200 мкм) — до 2,6…4,0 ат. %. Получено неравномерное распределение азота, с уменьшением его содержания по глубине сечения изделий. Формирование твердых нитридов в поверхностном слое образцов подтвердили данные микротвердости (928…1950 HV (200 гс)).
Литература
1. Fomin A.A. e. a. Microstructure and Hardness of Carbon and Tool Steel Quenched with Gigh-frequency Currents // Proc. SPIE. 2018. V. 10716. P. 107161.
2. Takesue S. e. a. Rapid Nitriding Mechanism of Titanium Alloy by Gas Blow Induction Heating // Surface & Coatings Technol. 2020. V. 399. P. 126160.
3. Peter S. Laser Nitriding of Metals // Progress in Materials Sci. 2002. V. 47. Pp. 1—161.
4. Xi Y., Liu D., Dong H. Improvement of Corrosion and Wear Resistances of AISI 420 Martensitic Stainless Steel Using Plasma Nitriding at Low Temperature // Surface & Coatings Technol. 2008. V. 202. Pp. 2577—2583.
5. Lanzutti A. e. a. Microstructural and Mechanical Study of an Induction Nitrided Ti gr.5 Hip Prosthesis Component // Surface and Coatings Technol. 2019. V. 377. P. 124895.
6. Ohtsu N. e. a. Investigation of Admixed Gas Effect on Plasma Nitriding of AISI316L Austenitic Stainless Steel // Vacuum. 2021. V. 193. P. 110545.
7. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. М.-Л.: Энергия, 1974.
8. Алиферов А.И., Лупи С. Индукционный и электроконтактный нагрев металлов. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011.
9. Иванцивский В.В. Численное моделирование температурных полей в материалах при упрочнении с использованием концентрированных объемных источников нагрева // Научный вестник Новосибирского гос. техн. ун-та. 2004. № 2. С. 161—172.
10. Fomin A. e. a. Functionally Graded Ti (C,N) Coatings and Their Production on Titanium Using Solid-state Carburization Associated with Induction Heat Treatment // Composite Structures. 2020. V. 245. P. 112393.
11. Palkanov P., Fomin A. Influence of Induction Chemical Thermal Treatment in a Gaseous Medium on the Formation of a Wear-resistant Gradient Nitride Layer on Tool Steel // Proc. SPIE. 2020. V. 11845. P. 118451.
12. Takesue S. e. a. Characterization of Surface Layer Formed by Gas Blow Induction Heating Nitriding at Different Temperatures and Its Effect on the Fatigue Properties of Titanium Alloy // Results in Materials. 2020. V. 5. P. 100071.
13. Takesue S. e. a. Effect of Pre-treatment with Fine Particle Peening on Surface Properties and Wear Resistance of Gas Blow Induction Heating Nitrided Titanium Alloy // Surface & Coatings Technol. 2019. V. 359. Pp. 476—484.
14. Voyko A. e. a. Application of the Technology of Induction Chemical-thermal Treatment to Improve the Physical and Mechanical Properties of Tantalum // J. Phys.: Conf. Series. 2021. V. 2086. P. 012215.
15. Shchelkunov A., Egorov I., Fomin A. Study of the Hardness Distribution after Induction Heat Treatment of Titanium Over the Surface and the Cross-section // Ibid. P. 012208.
16. Ржевская С.В. Материаловедение. М.: Логос, 2004.
17. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976.
18. Сидоренко В.Д. Применение индукционного нагрева в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1980.
19. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. М.: Металлургия, 1989.
20. Fomin A. e. a. Simulation and Experimental Study of Induction Heat Treatment of Titanium Disks // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2021. V. 165. P. 120668.
21. Палканов П.А., Кошуро В.А., Фомин А.А. Влияние тока индуктора при азотировании стали Р6М5 на структуру и микротвердость диффузионного слоя // Вопросы электротехнологии. 2021. № 2. С. 5—13.
22. Palkanov P., Koshuro V., Fomin A. Improving the Mechanical Properties of Tool Steel by Induction Chemical-thermal Treatment // J. Phys.: Conf. Series. 2021. V. 2086. P. 012200.
---
Для цитирования: Палканов П.А., Кошуро В.А., Фомин А.А. Численное моделирование и экспериментальное исследование процесса индукционной химико-термической обработки быстрорежущей стали Р6М5 // Вестник МЭИ. 2022. № 6. С. 76—85. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-76-85
---
Работа выполнена при поддержке: гранта Президента Российской Федерации для молодых докторов наук № МД-965.2021.4. Микроструктура шлифов изучена в рамках плана исследований по программе «У.М.Н.И.К.» (договор № 16667ГУ/2021)
#
1. Fomin A.A. e. a. Microstructure and Hardness of Carbon and Tool Steel Quenched with Gigh-frequency Currents. Proc. SPIE. 2018;10716:107161.
2. Takesue S. e. a. Rapid Nitriding Mechanism of Titanium Alloy by Gas Blow Induction Heating. Surface & Coatings Technol. 2020;399:126160.
3. Peter S. Laser Nitriding of Metals. Progress in Materials Sci. 2002;47:1—161.
4. Xi Y., Liu D., Dong H. Improvement of Corrosion and Wear Resistances of AISI 420 Martensitic Stainless Steel Using Plasma Nitriding at Low Temperature. Surface & Coatings Technol. 2008;202:2577—2583.
5. Lanzutti A. e. a. Microstructural and Mechanical Study of an Induction Nitrided Ti gr.5 Hip Prosthesis Component // Surface and Coatings Technol. 2019;377:124895.
6. Ohtsu N. e. a. Investigation of Admixed Gas Effect on Plasma Nitriding of AISI316L Austenitic Stainless Steel. Vacuum. 2021;193:110545.
7. Slukhotskiy A.E., Ryskin S.E. Induktory dlya Induktsionnogo Nagreva Mashinostroitel'nykh Detaley. M.-L.: Energiya, 1974. (in Russian).
8. Aliferov A.I., Lupi S. Induktsionnyy i Elektrokontaktnyy Nagrev Metallov. Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2011. (in Russian).
9. Ivantsivskiy V.V. Chislennoe Modelirovanie Temperaturnykh Poley v Materialakh pri Uprochnenii s Ispol'zovaniem Kontsentrirovannykh Ob'emnykh Istochnikov Nagreva. Nauchnyy Vestnik Novosibirskogo Gos. Tekhn. Un-ta. 2004;2:161—172. (in Russian).
10. Fomin A. e. a. Functionally Graded Ti (C,N) Coatings and Their Production on Titanium Using Solid-state Carburization Associated with Induction Heat Treatment. Composite Structures. 2020;245:112393.
11. Palkanov P., Fomin A. Influence of Induction Chemical Thermal Treatment in a Gaseous Medium on the Formation of a Wear-resistant Gradient Nitride Layer on Tool Steel. Proc. SPIE. 2020;11845:118451.
12. Takesue S. e. a. Characterization of Surface Layer Formed by Gas Blow Induction Heating Nitriding at Different Temperatures and Its Effect on the Fatigue Properties of Titanium Alloy. Results in Materials. 2020;5:100071.
13. Takesue S. e. a. Effect of Pre-treatment with Fine Particle Peening on Surface Properties and Wear Resistance of Gas Blow Induction Heating Nitrided Titanium Alloy. Surface & Coatings Technol. 2019;359:476—484.
14. Voyko A. e. a. Application of the Technology of Induction Chemical-thermal Treatment to Improve the Physical and Mechanical Properties of Tantalum. J. Phys.: Conf. Series. 2021;2086:012215.
15. Shchelkunov A., Egorov I., Fomin A. Study of the Hardness Distribution after Induction Heat Treatment of Titanium Over the Surface and the Cross-section. Ibid:012208.
16. Rzhevskaya S.V. Materialovedenie. M.: Logos, 2004. (in Russian).
17. Lakhtin Yu.M., Kogan Ya.D. Azotirovanie Stali. M.: Mashinostroenie, 1976. (in Russian)
18. Sidorenko V.D. Primenenie Induktsionnogo Nagreva v Mashinostroenii. L.: Mashinostroenie, 1980. (in Russian).
19. Zinov'ev V.E. Teplofizicheskie Svoystva Metallov pri Vysokikh Temperaturakh. M.: Metallurgiya, 1989. (in Russian).
20. Fomin A. e. a. Simulation and Experimental Study of Induction Heat Treatment of Titanium Disks. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2021;165:120668.
21. Palkanov P.A., Koshuro V.A., Fomin A.A. Vliyanie Toka Induktora pri Azotirovanii Stali R6M5 na Strukturu i Mikrotverdost' Diffuzionnogo Sloya. Voprosy Elektrotekhnologii. 2021;2:5—13. (in Russian).
22. Palkanov P., Koshuro V., Fomin A. Improving the Mechanical Properties of Tool Steel by Induction Chemical-thermal Treatment. J. Phys.: Conf. Series. 2021;2086:012200.
---
For citation: Palkanov P.A., Koshuro V.A., Fomin A.A. Numerical Simulation and Experimental Investigation of the Grade R6M5 High-Speed Steel Induction Thermochemical Treatment. Bulletin of MPEI. 2022;6:76—85. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-76-85
---
The work is executed at support: Grant of the President of the Russian Federation for Young Doctors of Sciences No. МД-965.2021.4. The Microstructure of the Grinds was Studied within the Framework of the Research Plan Under the program «U.M.N.I.K.» (Contract No.16667ГУ/2021)
2. Takesue S. e. a. Rapid Nitriding Mechanism of Titanium Alloy by Gas Blow Induction Heating // Surface & Coatings Technol. 2020. V. 399. P. 126160.
3. Peter S. Laser Nitriding of Metals // Progress in Materials Sci. 2002. V. 47. Pp. 1—161.
4. Xi Y., Liu D., Dong H. Improvement of Corrosion and Wear Resistances of AISI 420 Martensitic Stainless Steel Using Plasma Nitriding at Low Temperature // Surface & Coatings Technol. 2008. V. 202. Pp. 2577—2583.
5. Lanzutti A. e. a. Microstructural and Mechanical Study of an Induction Nitrided Ti gr.5 Hip Prosthesis Component // Surface and Coatings Technol. 2019. V. 377. P. 124895.
6. Ohtsu N. e. a. Investigation of Admixed Gas Effect on Plasma Nitriding of AISI316L Austenitic Stainless Steel // Vacuum. 2021. V. 193. P. 110545.
7. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. М.-Л.: Энергия, 1974.
8. Алиферов А.И., Лупи С. Индукционный и электроконтактный нагрев металлов. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011.
9. Иванцивский В.В. Численное моделирование температурных полей в материалах при упрочнении с использованием концентрированных объемных источников нагрева // Научный вестник Новосибирского гос. техн. ун-та. 2004. № 2. С. 161—172.
10. Fomin A. e. a. Functionally Graded Ti (C,N) Coatings and Their Production on Titanium Using Solid-state Carburization Associated with Induction Heat Treatment // Composite Structures. 2020. V. 245. P. 112393.
11. Palkanov P., Fomin A. Influence of Induction Chemical Thermal Treatment in a Gaseous Medium on the Formation of a Wear-resistant Gradient Nitride Layer on Tool Steel // Proc. SPIE. 2020. V. 11845. P. 118451.
12. Takesue S. e. a. Characterization of Surface Layer Formed by Gas Blow Induction Heating Nitriding at Different Temperatures and Its Effect on the Fatigue Properties of Titanium Alloy // Results in Materials. 2020. V. 5. P. 100071.
13. Takesue S. e. a. Effect of Pre-treatment with Fine Particle Peening on Surface Properties and Wear Resistance of Gas Blow Induction Heating Nitrided Titanium Alloy // Surface & Coatings Technol. 2019. V. 359. Pp. 476—484.
14. Voyko A. e. a. Application of the Technology of Induction Chemical-thermal Treatment to Improve the Physical and Mechanical Properties of Tantalum // J. Phys.: Conf. Series. 2021. V. 2086. P. 012215.
15. Shchelkunov A., Egorov I., Fomin A. Study of the Hardness Distribution after Induction Heat Treatment of Titanium Over the Surface and the Cross-section // Ibid. P. 012208.
16. Ржевская С.В. Материаловедение. М.: Логос, 2004.
17. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976.
18. Сидоренко В.Д. Применение индукционного нагрева в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1980.
19. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. М.: Металлургия, 1989.
20. Fomin A. e. a. Simulation and Experimental Study of Induction Heat Treatment of Titanium Disks // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2021. V. 165. P. 120668.
21. Палканов П.А., Кошуро В.А., Фомин А.А. Влияние тока индуктора при азотировании стали Р6М5 на структуру и микротвердость диффузионного слоя // Вопросы электротехнологии. 2021. № 2. С. 5—13.
22. Palkanov P., Koshuro V., Fomin A. Improving the Mechanical Properties of Tool Steel by Induction Chemical-thermal Treatment // J. Phys.: Conf. Series. 2021. V. 2086. P. 012200.
---
Для цитирования: Палканов П.А., Кошуро В.А., Фомин А.А. Численное моделирование и экспериментальное исследование процесса индукционной химико-термической обработки быстрорежущей стали Р6М5 // Вестник МЭИ. 2022. № 6. С. 76—85. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-76-85
---
Работа выполнена при поддержке: гранта Президента Российской Федерации для молодых докторов наук № МД-965.2021.4. Микроструктура шлифов изучена в рамках плана исследований по программе «У.М.Н.И.К.» (договор № 16667ГУ/2021)
#
1. Fomin A.A. e. a. Microstructure and Hardness of Carbon and Tool Steel Quenched with Gigh-frequency Currents. Proc. SPIE. 2018;10716:107161.
2. Takesue S. e. a. Rapid Nitriding Mechanism of Titanium Alloy by Gas Blow Induction Heating. Surface & Coatings Technol. 2020;399:126160.
3. Peter S. Laser Nitriding of Metals. Progress in Materials Sci. 2002;47:1—161.
4. Xi Y., Liu D., Dong H. Improvement of Corrosion and Wear Resistances of AISI 420 Martensitic Stainless Steel Using Plasma Nitriding at Low Temperature. Surface & Coatings Technol. 2008;202:2577—2583.
5. Lanzutti A. e. a. Microstructural and Mechanical Study of an Induction Nitrided Ti gr.5 Hip Prosthesis Component // Surface and Coatings Technol. 2019;377:124895.
6. Ohtsu N. e. a. Investigation of Admixed Gas Effect on Plasma Nitriding of AISI316L Austenitic Stainless Steel. Vacuum. 2021;193:110545.
7. Slukhotskiy A.E., Ryskin S.E. Induktory dlya Induktsionnogo Nagreva Mashinostroitel'nykh Detaley. M.-L.: Energiya, 1974. (in Russian).
8. Aliferov A.I., Lupi S. Induktsionnyy i Elektrokontaktnyy Nagrev Metallov. Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2011. (in Russian).
9. Ivantsivskiy V.V. Chislennoe Modelirovanie Temperaturnykh Poley v Materialakh pri Uprochnenii s Ispol'zovaniem Kontsentrirovannykh Ob'emnykh Istochnikov Nagreva. Nauchnyy Vestnik Novosibirskogo Gos. Tekhn. Un-ta. 2004;2:161—172. (in Russian).
10. Fomin A. e. a. Functionally Graded Ti (C,N) Coatings and Their Production on Titanium Using Solid-state Carburization Associated with Induction Heat Treatment. Composite Structures. 2020;245:112393.
11. Palkanov P., Fomin A. Influence of Induction Chemical Thermal Treatment in a Gaseous Medium on the Formation of a Wear-resistant Gradient Nitride Layer on Tool Steel. Proc. SPIE. 2020;11845:118451.
12. Takesue S. e. a. Characterization of Surface Layer Formed by Gas Blow Induction Heating Nitriding at Different Temperatures and Its Effect on the Fatigue Properties of Titanium Alloy. Results in Materials. 2020;5:100071.
13. Takesue S. e. a. Effect of Pre-treatment with Fine Particle Peening on Surface Properties and Wear Resistance of Gas Blow Induction Heating Nitrided Titanium Alloy. Surface & Coatings Technol. 2019;359:476—484.
14. Voyko A. e. a. Application of the Technology of Induction Chemical-thermal Treatment to Improve the Physical and Mechanical Properties of Tantalum. J. Phys.: Conf. Series. 2021;2086:012215.
15. Shchelkunov A., Egorov I., Fomin A. Study of the Hardness Distribution after Induction Heat Treatment of Titanium Over the Surface and the Cross-section. Ibid:012208.
16. Rzhevskaya S.V. Materialovedenie. M.: Logos, 2004. (in Russian).
17. Lakhtin Yu.M., Kogan Ya.D. Azotirovanie Stali. M.: Mashinostroenie, 1976. (in Russian)
18. Sidorenko V.D. Primenenie Induktsionnogo Nagreva v Mashinostroenii. L.: Mashinostroenie, 1980. (in Russian).
19. Zinov'ev V.E. Teplofizicheskie Svoystva Metallov pri Vysokikh Temperaturakh. M.: Metallurgiya, 1989. (in Russian).
20. Fomin A. e. a. Simulation and Experimental Study of Induction Heat Treatment of Titanium Disks. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2021;165:120668.
21. Palkanov P.A., Koshuro V.A., Fomin A.A. Vliyanie Toka Induktora pri Azotirovanii Stali R6M5 na Strukturu i Mikrotverdost' Diffuzionnogo Sloya. Voprosy Elektrotekhnologii. 2021;2:5—13. (in Russian).
22. Palkanov P., Koshuro V., Fomin A. Improving the Mechanical Properties of Tool Steel by Induction Chemical-thermal Treatment. J. Phys.: Conf. Series. 2021;2086:012200.
---
For citation: Palkanov P.A., Koshuro V.A., Fomin A.A. Numerical Simulation and Experimental Investigation of the Grade R6M5 High-Speed Steel Induction Thermochemical Treatment. Bulletin of MPEI. 2022;6:76—85. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-76-85
---
The work is executed at support: Grant of the President of the Russian Federation for Young Doctors of Sciences No. МД-965.2021.4. The Microstructure of the Grinds was Studied within the Framework of the Research Plan Under the program «U.M.N.I.K.» (Contract No.16667ГУ/2021)
Опубликован
2022-04-13
Выпуск
Раздел
Электротехнология и электрофизика (технические науки) (2.4.4)
