Wpływ nanofluidów zastosowanych podczas hartowania na właściwości warstwy azotowęgloutwardzonej

• Autorzy: Gęstwa W.

Warianty tytułu

EN

Influence of nanofluids used during hardening process on the properties of hardened carbonitrided layers

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy podjęto próbę wykazania możliwości kształtowania własności warstwy azotonawęglanej wytworzonej na stali niskowęglowej za pomocą hartowania w tradycyjnych ośrodkach hartowniczych modyfikowanych nanocząstkami ciała stałego. Wprowadzenie tych cząstek do tradycyjnych ośrodków hartowniczych ma na celu zmianę przebiegu odbioru ciepła podczas hartowania elementów. Zmiany szybkości chłodzenia w zakresie temperatury 500÷600°C oraz 200÷300°C pozwalają z jednej strony zapewnić wytworzenie mikrostruktury martenzytycznej w materiale, a z drugiej uzyskanie mniejszych naprężeń własnych powodujących odkształcenia lub pęknięcie materiału. W pracy przedstawiono wstępne badania zdolności chłodzących oleju mineralnego o nazwie handlowej Mar-Temp 340 oraz 10% wodnego roztworu polimerowego (poliakrylanu sodu) w wyniku jego modyfikacji przez dodatek nanocząstek Al2O3. W celu zbadania wpływu tych ośrodków na właściwości materiału hartowanego przeprowadzono badania na próbkach azotonawęglanych z stali C10 o powierzchniowym stężeniu węgla 0,8% i azotu 0,4%. Na próbkach azotonawęglanych, hartowanych i odpuszczanych zbadano twardość, udarność oraz odporność na zużycie ścierne. Mikrostruktura w stanie wyjściowym wszystkich próbek składała się z ferrytu z drobnymi wydzieleniami perlitu. Uzyskane wyniki pomiarów twardości HRC po hartowaniu wykazały mniejszą wartość na próbkach hartowanych w ośrodkach z dodatkiem nanocząstek. Natomiast pomiary twardości HV30 na tych samych próbkach wykazały odwrotną relację. Uzyskane różnice twardości wynikają z zastosowania podczas pomiarów różnych obciążeń wgłębnika, które wynosiło w sposobie Rockwella 150 kG (1471 N), a w sposobie Vickersa 30 kG (294 N). Na podstawie badań udarności stwierdzono, że dodatek nanocząstek w ośrodku chłodzącym powoduje zwiększenie udarności. ośrodka hartowniczego z nanocząsteczkami. W tych ośrodkach chłodzących po hartowaniu otrzymano w warstwie wierzchniej (azotonawęglanej) na poszczególnych próbkach mikrostrukturę martenzyt + austenit szczątkowy + drobne wydzielenia węglikoazotków, a w rdzeniu przesycony ferryt z wydzieleniami bainitu. Podsumowując, można stwierdzić, że wprowadzając określoną ilość dodatku nanocząstek do ośrodka chłodzącego można w znaczny sposób wpływać na szybkość odbioru ciepła, co wpływa na uzyskiwaną mikrostrukturę oraz zmianę własności mechanicznych i plastycznych elementów uprzednio azotonawęglanych.

EN

In the paper, the cooling properties of traditional hardened mediums, such as mineral oils or polymer water solution, were modified with the Al2O3 nanoparticles. The addition of these particles to the traditional quenching mediums was used for the change of warmth receipt during the hardening process of carbonitrided elements. The change of cooling speed in the range of temperature 500÷600°C and 200÷300°C ensures: the martensitic microstructure in the material, and the smaller residual stresses causing deformations or cracks of the elements. The new investigations of cooling abilities of the mineral oil or polymer water solutions modified with Al2O3 nanoparticles, were conducted in this work. In order to examine the influence of these media on the proprieties of hardened material, the study was performed on carbonitrided samples of surface concentration of 0.8% carbon and 0.4% nitrogen. The hardness, impact strength and abrasive wear were examined. In the initial state, the microstructure of all samples consisted of ferrite with fine precipitations of pearlite. The obtained results showed the smaller value of HRC hardness in case of the samples hardened in quenching mediums with the nanoparticles addition. However, the measurements of HV30 hardness on the same samples showed an opposite relation. The obtained differences of hardness result from the use during measurements of various weights of intender, which was in Rockwell method 150 kG (1471 N), and in Vickers method 30 kG (294 N). The nanoparticles addition to quenching medium caused the growth of impact strength. The abrasive wear tests did not show the meaningful influence of the quenching mediums with nanoparticles. In these quenching media, the hardened microstructure in the carbonitrided layers consisted of martensite, retained austenite, and fine precipitations of carbonitrides. In the core of steel, supersaturated ferrite and bainite precipitations were visible on all the samples. Summarizing, it will be able to state, that the quantity of nanoparticles, added to the quenching mediums, can influence the speed of warmth receipt. It causes the changes in the microstructure as well as mechanical and plastic properties of carbonitriding elements.

Słowa kluczowe

PL

nanocząstki ciała stałego; nanofluid; stal hartowana; obróbka cieplna

EN

nanoparticles solid body; nanofluids; hardened steel; heat treatment

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 6
• Strony: 686--690
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Gęstwa W.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

Bibliografia

• [1] Éstrin B. M.: Proizvodstvo i primenenie kontroliruemych atmosfer. Moskva, Metallurgija (1972).
• [2] Kowalski S., Łataś Z., Rogalski Z., Sobusiak T., Trojanowski J.: Technika obróbki cieplnej. I. Technika atmosferowa, fluidalna, próżniowa, jarzeniowa. Tom 3, SIMP – Ośrodek Doskonalenia Kadr – Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa (1987).
• [3] Olszański W.: Ważniejsze problemy procesu węgloazotowania austenitycznego. Referat na XVI Seminarium, VIII z zakresu Metaloznawstwa i Obróbki Cieplnej, IMP, Warszawa, zeszyt 2 (1977) 16÷22.
• [4] Olszański W., Sobusiak T., Żółciak T.: Alternatywne atmosfery do obróbki cieplnej. Metaloznawstwo i Obróbka Cieplna 109-111 (1991) 16÷21.
• [5] Ostrowski B., Mazurkiewicz A.: Węgloazotowanie austenityczne stali niskowęglowej w złożu fluidalnym. Metaloznawstwo i Obróbka Cieplna 78 (1985) 15÷19.
• [6] Siepak J., Tomasik S.: Węgloazotowanie za pomocą past z nagrzewem indukcyjnym. Mechanika 7 (1978) 350÷354.
• [7] Sobusiak T.: Wpływ składu chemicznego atmosfer na ich własności nawęglające. Metaloznawstwo i Obróbka Cieplna 16 (1975) 2÷10.
• [8] Szubin R. P., Grinbjerg M. Ł.: Nitrocementacija detaliej mašin. Mašinostroenie (1975).
• [9] Narayan Prabhu K., Fernades P.: Nanoquenchants for industrial heat treatment. Journal of Materials Engineering and Performance 17 (2008) 101÷103.
• [10] Wang X. Q., Mazumdar A. S.: Heat transfer characteristics of nanofluids: A review. Int. J. Thermal Sci. 46 (2007) 1÷19.
• [11] Yu W., France D. M., Choi S. U. S., Routbort J. L.: Review and assessment of nanofluid technology for transportation and other applications. Routbort Energy Systems Division, Argonne National Laboratory; work supported by the Office of FreedomCAR and Vehicle Technologies, U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy; http://www.transportation.anl.gov/materials/nanofluids.html.
• [12] Zeinali Heris S., Nasr Esfahany M., Etemad S. Gh.: Experimental investigation of convective heat transfer of Al2O3/water nanofluid in circular tube. International Journal of Heat and Fluid Flow 28 (2007) 203÷210.
• [13] Xuan Y., Roetzel W.: Conceptions for heat transfer correlation of nanofluids. J. Heat and Mass Transfer 43 (2000) 3701÷3707.
• [14] Sevik C., Bulutay C.: Theoretical study of the insualating oxides and nitrides: SiO2, GeO2, Al2O3, Si3N4 and Ge3N4. Journal of Materials Science 42 (2007) 6555÷6565.
• [15] Romano J. M., Parker J. C., Ford Q. B.: Application opportunities for nanoparticles made from condensation of physical vapour. Advances in Powder Metallurgy and Parcitulate Materials 2 (1997) 12÷30.
• [16] Pohl M., Schubert H.: Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions. Proceedings, PARTEC 2004, International Congress for Particle Technology, eds. S. E. Pratsinis, H. Schulz, Nuvemberg, Germany, 16÷18 March (2004) http://www.hielscher.com.
• [17] Hielscher T.: Ultrasonic production of nano-size dispersions and emulsions. ENS’05 Paris, France, 14÷16 December (2005) http://www.hielscher. com.
• [18] Felde I., Reti T., Chen X. L.: Efficient data encoding and filtering for quenching analysis. 3th International Conference On Quenching And Control Of Distortion ASM, 24÷26.03 Praga (1999) 208÷215.
• [19] Grysa K., Przyłęcka M., Przyłęcki Z.: Pole temperatury w badaniach zużycia ciernego materiałów metalowych. Prace Badawcze Komisji Technologii Budowy Maszyn PAN, Oddział w Poznaniu (1981) 2.
• [20] Przyłęcka M., Kulka M., Gęstwa W.: Carburizing and carbonitriding bearing steel (ŁH15 – 52100). International Heat Treating Conference: Equipment and Processes, Hyatt Regency Woodfield, Schaumburg, Illinois (USA) 18÷20.04 (1994) 233÷238.