Modelowanie procesu pulsacyjnego nawęglania stali

• Autorzy: Zajusz, M. , Tkacz-Śmiech, K. , Dychtoń, K. , Wierzba, B. , Danielewski, M.

Warianty tytułu

EN

Pulse carburization of steel – process modelling

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Nawęglanie gazowe jest jednym z najczęściej stosowanych procesów obróbki stali, w trakcie którego w warstwie wierzchniej podłoża powstaje utwardzona strefa wzbogacona w węgiel. Tworzenie warstwy zachodzi w wyniku procesów dyfuzyjnych i dlatego ich zrozumienie jest konieczne dla uzyskania pełnej kontroli nad przebiegiem procesu. Większość stosowanych obecnie modeli transportu masy w fazie stałej wykorzystuje jedynie najprostszą, jednowymiarową formę równań dyfuzji (II prawo Ficka) ze zmiennym współczynnikiem dyfuzji. W tej pracy przedstawiono model dyfuzji węgla w stali, uwzględniający dwie prędkości w materiale: prędkość dyfuzyjną zależną od gradientu potencjału dyfuzyjnego i niezależną od układu odniesienia oraz prędkość dryftu wspólną dla wszystkich składników. Proponowany model został zaimplementowany w programie komputerowym umożliwiającym obliczenia profilu węgla w elemencie poddanym obróbce. Możliwości programu wykorzystano w symulacji procesu pulsacyjnego nawęglania stali, prowadzonego przez powtarzające się cykle nawęglania (nasycania) i dyfuzji (wyżarzanie). Uzyskane wyniki potwierdzają, że program umożliwia dobór parametrów procesu, w którym ma być uzyskany określony profil węgla w warstwie wierzchniej materiału. Przeprowadzono szereg eksperymentów komputerowych, które pozwoliły sformułować wnioski o istotnym znaczeniu dla technologii nawęglania. W szczególności pokazano, że podobny profil węgla można uzyskać, prowadząc proces zarówno w powtarzających się krótkich cyklach, jak i w jednym cyklu nawęglania połączonym z wyżarzaniem. Jednocześnie całkowity czas procesu i czas wyżarzania, a także liczba cykli zależą od długości cyklu nawęglania. Liczba koniecznych cykli i całkowity czas procesu maleją z wydłużeniem cyklu nawęglania, ale sumaryczny czas nasycania rośnie.

EN

Gas carburizing is a widely used heat treatment process in which carbon is transferred into steel. The hardening reliability should involve an active control of mass transfer during the process and this is why understanding and modelling of diffusion in solids is so essential. The currently used models are often based on the simplest, one-dimensional form of the diffusion equation in which diffusivity depends on composition. The objective of this work has been to develop a model of carbon diffusion in multicomponent alloy subjected to pulse carburizing. The model is based on Darken method (bi-velocity method) in which the diffusion velocity depends on diffusion potential gradient and is independent of the choice of the reference frame while the drift velocity is common for all steel components and carbon. The model allows predicting the kinetics of carbon transfer at various time dependent treatment conditions. The present approach is applied to model the pulse carburizing carried out by repeating alternately a carburization stage, in which carburizing gas is supplied into a carburizing chamber, and a diffusion stage, in which the carburizing gas is exhausted (vacuum). The numerical calculations are made for varies carburization and diffusion periods and the results are used to predict the carburization progress. On the basis of the series of computer experiments the findings that are important to designing the carburizing technology have been formulated.

Słowa kluczowe

PL

nawęglanie; dyfuzja; metoda dwóch prędkości; eksperyment komputerowy

EN

carburizing; diffusion; bi-velocity method; computer experiment

• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 6
• Strony: 916--920
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zajusz, M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki,

autor

Tkacz-Śmiech, K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

autor

Dychtoń, K.

• Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska

autor

Wierzba, B.

• Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska

autor

Danielewski, M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Bibliografia

• [1] Munts V. A., Baskatov A. P.: Rate of carburizing of steel. Metal Science and Heat Treatment 22 (1980) 358÷360.
• [2] Moiseev B. A., Brunzel Y. M., Shvartsman L. A.: Kinetics of carburizing in an endothermal atmosphere. Metal Science and Heat Treatment 21 (1979) 437÷442.
• [3] Goldstein J. I., Moren A. E.: Diffusion modelling of the carburization Process. Metallurgical and Materials Transactions A 9 (1978) 1515÷1525.
• [4] Totten G. E. Howes M. A. H.: Steel heat treatment handbook. Marcell Dekker, Inc., New York (1997).
• [5] Agren J.: Revised expression for the diffusivity of carbon in binary Fe-C austenite. Scripta Metallurgica 20 (1986) 1507÷1510.
• [6] Sugiyama M.: Vacuum carburizing, heat treatment. J. Jpn. Soc. Heat Treat. 37 (3) (1998) 154.
• [7] Qua J., Peter J., Blaua P. J., Zhangb L., Xuc H.: Effects of multiple treatments of low-temperature colossal supersaturation on tribological characteristics of austenitic stainless steel. Wear 265 (2008) 1909÷1913.
• [8] Christiansen T. L., Somers M. A. J.: Low temperature gaseous surface hardening of stainless steel: the current status. Int. J. Mat. Res. 100 (2009) 1361÷1377.
• [9] Bongartz K., Lupton D. F., Schuster H.: A model to predict carburization profiles in high temperature alloys. Metall. Trans. A 11A (1980) 1883÷1893.
• [10] Bongartz K., Schulten R., Quadakkers W. J. Nickel H.: A finite differencemodel describing carburization in high-temperature alloys. Corrosion 42 (1986) 390÷397.
• [11] Bongartz K., Quadakkers W. J., Schulten R., Nickel H.: A mathematical model describing carburization in multielement alloy system. Metall. Trans. 20A (1989) 1021÷1028.
• [12] Kula P., Kołodziejczyk Ł., Siniarski D., Krasiński A., Górecki M.: The application of numerical model in designing of vacuum carburizing. Inżynieria Materiałowa 4 (123) (2001) 512÷513.
• [13] Karabelchtchikova O., Sisson R. D. Jr.: Carbon diffusion in steels: A numericalanalysis based on direct integration of the flux. Journal of Phase Equilibria and Diffusion 6 (27) (2006) 598÷604.
• [14] Darken L. S.: Diffusion, mobility and their interrelation through free energy in binary metallic systems. Trans. A.I.M.E. 174 (1948) 184÷201.
• [15] Danielewski M., Wierzba B.: Thermodynamically consistent bi-velocity mass transport phenomenology. Acta Mat. 58 (2010) 6717÷6727.
• [16] Ryzhov N. M.: Control of carbon saturation of the diffusion layer in vacuum carburizing of heat-resistant steels. Metal Science and Heat Treatment 46 (2004) 22÷27.
• [17] Buchholz D., Khan R. U., Bajohr S., Reimert R.: Computational fluid dynamics modeling of acetylene pyrolysis for vacuum carburizing of steel. Ind. Eng. Chem. Res. 49 (2010) 1130÷1137.
• [18] Collin R., Gunnarson S., Thulin D.: Mathematical model for predicting carbon concentration profiles. Iron Steel 210 (1972) 785÷789.
• [19] Oila A., Bull S. J.: Atomistic simulation of Fe-C austenite. Comp. Mat. Science 45 (2009) 235÷239.
• [20] Kula P., Pietrasik R., Dybowski K.: Vacuum carburizing – process optimization. J. Mat. Proc. Tech. 164-165 (2005) 876÷881.