ACCELERATION OF PACK CARBURIZING AND PACK NITROCARBURIZING USING MODIFIED CARBON-CONTAINING MATERIALS
DOI:
https://doi.org/10.32339/0135-5910-2026-4-39-51Keywords:
thermochemical treatment, carburizing, nitrocarburizing, pack treatment, structure, morphology, biochar, charcoal, semicoke, anthraciteAbstract
This study investigates the possibility of accelerating pack carburizing and pack nitrocarburizg of 10 steel by using materials with a modified structure. The acceleration mechanism was considered in terms of its effect on the first and second stages of thermochemical treatment, namely reactions and diffusion in the saturating medium, respectively. The aim of the work was to study the structural and morphological characteristics of carbon-containing materials, determine their influence on saturation kinetics, and optimize the mixture compositions. The materials examined were biochar (obtained by pyrolysis of spent coffee grounds), charcoal, semicoke, and anthracite. Structural and morphological characterization using a TESCAN MIRA3 scanning electron microscope and a Sync 420A adsorption analyzer showed that biochar had the most developed porous structure and the largest reactive surface area, which resulted in accelerated diffusion saturation. The use of biochar in carburizing mixtures (920 °C, 4 h) increased the case depth by 1.2–1.5 times and the layer growth rate by 23–50% compared with the other investigated materials. Similarly, for nitrocarburizing (580 °C, 6 h), the case depth increased by 1.1–1.5 times and the growth rate by 11–54%. The optimal component ranges for biochar-based carburizing mixtures were experimentally determined: biochar 87–93% and barium carbonate 7–13%. For nitrocarburizing mixtures: biochar 54–71%, yellow prussiate of potash 20–30%, and urea 9–16%. An extremum-type effect of the activators (barium carbonate and urea) on the case depth was established for the carburizing and nitrocarburizing mixtures, respectively. This dependence is governed by the kinetics of formation of the saturating species and their transport to the surface of the treated workpiece.
References
Методы упрочнения поверхностей деталей машин / под. ред. А. Н. Полякова — М.: КРАСАНД, 2008. — 400 с.
Витязь П. А., Ильющенко А. Ф., Шевцов А. И. Основы нанесения износостойких, коррозионно-стойких и теплозащитных покрытий. — Минск: Белорусская наука, 2006. — 362 с.
Пантелеенко Ф. И., Лялякин В. П., Иванов В. П., Константинов В. М. Восстановление деталей машин: спра-вочник / под ред. В. П. Иванова. — М.: Машиностроение, 2003. — 672 с.
Зинченко В. М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. — 301 с.
Земсков Г. В., Коган Р. Л. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов. — М.: Метал-лургия, 1978. — 208 с.
Ляхович Л. С., Ворошнин Л. Г., Пантелеенко Ф. И., Щербаков А. Н. Многокомпонентные диффузионные по-крытия. — Минск: Наука и техника, 1974. — 288 с.
Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с.
Минкевич А. Н. Химико-термическая обработка стали. — Москва: Машгиз, 1950. — 432 с.
Гольдштейн М. И., Грачёв С. В., Векслер Ю. Г. Специальные стали: учебник для вузов. — 2-е изд. — М.: МИСИС, 1999. — 408 с.
Лахтин Ю. М., Коган Я. Д., Шпис Г.-И., Бёмер З. Теория и технология азотирования. — М.: Металлургия, 1991. — 320 с.
Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов / под ред. П. В. Гельда. — М.: Мир, 1974. — 294 с.
Петрова Л. Г., Александров В. А., Демин П. Е., Сергеева А. С. Интенсификация процессов химико-термической обработки сталей: монография / под ред. Л. Г. Петровой. — М.: МАДИ, 2019. — 160 с.
Арзамасов Б. Н. Ионная химико-термическая обработка сплавов. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. — 400 с.
Берлин Е. В., Коваль Н. Н., Сейдман Л. А. Плазменная химико-термическая обработка поверхности сталь-ных деталей. — М.: Техносфера, 2012. — 464 с.
Забелин С. Ф. Основы технологии и кинетической теории процессов диффузионного насыщения сталей в условиях термоциклического воздействия на материал: дис. … д-ра техн. наук. — Чита, 2004. — 254 с.
Иваницкий Н. И., Константинов В. М. Л. Г. Ворошнин — основатель белорусской научной школы химико-термической обработки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 1. С. 3, 4. EDN: IJCJIN.
Ворошнин Л. Г. Современные износостойкие диффузионные покрытия // Перспективы развития поверх-ностного и объемного упрочнения сплавов: сборник научных трудов, посвященных 40-летию кафедры «Матери-аловедение в машиностроении». — Минск: БНТУ, 2004. С. 10–21.
Ворошнин Л. Г., Ляхович Л. С. Борирование стали. — М.: Металлургия, 1978. — 240 с.
Кухарева Н. Г., Петрович С. Н., Стасевич Г. В. Получение высокобористых диффузионных покрытий на углеродистых сталях // Металлургия: республиканский межведомственный сборник научных трудов. 2013. Вып. 34. Ч. 2. С. 9–15.
Щербаков Э. Д., Щурский П. А., Босовец А. Н. Преимущество карбонитрации над другими процессами ХТО // Новые материалы и технологии их обработки: материалы XI республиканской научно-технической конфе-ренции, 20–23 апреля 2010 г. — Минск: БНТУ, 2010. С. 47, 48.
Ворошнин Л. Г. Антикоррозионные диффузионные покрытия. — Минск: Наука и техника, 1981. — 296 с.
Ворошнин Л. Г., Менделеева О. Л., Сметкин В. А. Теория и технология химико-термической обработки: учебное пособие. — М.: Новое знание; Минск: Новое знание, 2010. — 304 с.
Мисюкова А. Д., Янковский С. А., Горшков А. С. Отходы переработки цитрусовой биомассы как энергети-ческий ценный продукт // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2021. № 11. С. 76–80. DOI: 10.17513/mjpfi.13316.
Manyà J. J. Pyrolysis for biochar purposes: a review to establish current knowledge gaps and research needs // Environmental Science & Technology. 2012. V. 46, Iss. 15. P. 7939–7954. DOI: 10.1021/es301029g.
Wang L., Skreiberg Ø., Wesenbeeck S. V. etc. Experimental study on charcoal production from woody biomass // Energy & Fuels. 2016. V. 30, Iss. 10. P. 7994–8008. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.6b01039.
Sohi S. P., Krull E., Lopez-Capel E., Bol R. A Review of biochar and its use and function in soil // Advances in Agronomy. 2010. V. 105. P. 47–82. DOI: 10.1016/S0065-2113(10)05002-9.
Demirbaş A. Biomass resource facilities and biomass conversion processing for fuels and chemicals // Energy Conversion and Management. 2001. V. 42, Iss. 11. P. 1357–1378. DOI: 10.1016/S0196-8904(00)00137-0.
Figueroa G. A., Homann T., Rawel H. M. Coffee production wastes: potentials and perspectives // Austin Food Sciences. 2016. V. 1, № 3. 1014.
Борисенок Г. В., Васильев Л. А., Ворошнин Л. Г. и др. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: справочник / под. ред. Л. С. Ляховича. — М.: Металлургия, 1981. — 424 с.
Downloads
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2026 ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ. Бюллетень научно-технической и экономической информации
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
