Диффузионное азотонауглероживание сталей в динамических насыщающих средах

УДК 621.785.53

ДИФФУЗИОННОЕ АЗОТОНАУГЛЕРОЖИВАНИЕ СТАЛЕЙ В ДИНАМИЧЕСКИХ НАСЫЩАЮЩИХ СРЕДАХ

БУРНЫШЕВ И.Н., ПОРЫВАЕВ Д А.

Институт прикладной механики УрО РАН, 426067, г.Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34

АННОТАЦИЯ. Исследован процесс диффузионного азотонауглероживания сталей в динамических насыщающих средах. Исследовано влияние температурно-временных параметров обработки и динамических характеристик установки на кинетику формирования диффузионных покрытий. Показано, что применение динамических насыщающих сред интенсифицирует процесс формирования диффузионных покрытий.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: химико-термическая обработка, насыщающие среды, нитроцементация, динамическая среда, диффузионное азотонауглероживание, диффузионные слои, микротвердость.

ВВЕДЕНИЕ

Современное машиностроение, энергетика, химическая промышленность и различные области современной техники предъявляют особые требования к материалам в отношении их химической стойкости, сопротивляемости износу и ряду других специальных свойств.

Одним из наиболее эффективных и широко применяемых в промышленности методов повышения долговечности многих ответственных деталей является химико-термическая обработка, которая воздействует на поверхностные слои металла, то есть на те слои, в которых концентрируются трещины, развиваются процессы износа и коррозии. Химико-термическая обработка (ХТО) позволяет значительно повысить твёрдость и износостойкость, статическую, усталостную и коррозионно-усталостную прочность конструкционных и инструментальных материалов, а в ряде случаев применять углеродистые стали вместо дорогостоящих легированных сталей [1].

Одним из способов ХТО сталей является диффузионное азотонауглероживание (нитроцементация), которое придает повышенную твердость (58^62 НКС), хорошее сопротивление износу, повышает усталостную прочность и коррозионную стойкость.

При проведении процесса диффузионной нитроцементации традиционным способом, то есть в порошковой засыпке в контейнерах, слои получаются не всегда однородными по толщине и требуются большие времена выдержки. По нашему мнению применение динамической насыщающей среды позволит получать равнотолщинные слои и значительно сократить время обработки изделий. Динамическая насыщающая среда представляет собой гетерогенную систему, в которой путём соответствующей организации движения создаётся интенсивное перемешивание частиц мелкозернистого материала, что позволяет сократить время нагрева до температур обработки, следовательно, увеличить производительность труда, устранить окалинообразование и обезуглероживание при нагреве и т. д. [2, 3].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Процесс азотонауглероживания проводился в специально созданной лабораторной установке для химико-термической обработки в динамических насыщающих средах (рис. 1). В работе были исследованы образцы площадью (20*10) мм2 и толщиной (1,5^4) мм из стали 20, ВСт5 и стали 45.

В качестве источника азота была выбрана желтая кровяная соль (ЖКС), а источником углерода служили стандартный карбюризатор, графит или активированный уголь.

Частицы насыщающей среды тщательно перемешивали и вместе с образцами помещали в барабан объемом 1,4 л. Барабан помещался в печь и нагревался в течение (40^60) мин. Процесс проводился при температуре Т = (800^950) °С в течение (1^8) ч. Регулирование температуры осуществлялась с помощью регулятора температуры типа

ТРМ1. Скорость вращения барабана варьировалась от 0 об/мин до 180 об/мин. Охлаждение барабана после диффузионного насыщения осуществлялось вместе с печью. Извлеченные из барабана, промытые и просушенные образцы исследовали методами металлографии и дюрометрии. Измерение толщины покрытий и исследование структуры диффузионных слоев проводили на металлографическом микроскопе «Neophot-32». Погрешность измерения толщины не превышала 5 %. Подготовку шлифов для микроструктурного анализа проводили согласно стандартной методике. Нагрев под закалку проводили при температуре 870 °С для стали 20 °С и 850 °С для стали 45 с выдержкой в течение 15 мин с последующим охлаждением в воду, а отпуск при 200 °С в течение 1 ч. Дюрометрический анализ проводился на приборе ПМТ-3 на поперечных микрошлифах образцов при нагрузке Р = 1000 Н. Погрешность измерения микротвердости не превышала 10 %.

1-печь; 2 -цилиндрический барабан; 3-насыщающая смесь; 4-образцы; 5-диск охлаждения;

6-вода; 7-подшипники; 8-ремень; 9-двигатель; 10-регулятор температуры; 11-термопара

Рис. 1. Схема лабораторной печи для химико-термической обработки в динамических насыщающих средах

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При азотонауглероживании диффузионный слой имеет переменную концентрацию углерода и азота по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали (рис. 2, а). В связи с этим после медленного охлаждения в структуре слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны: заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита, последний образует сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную, состоящую из пластинчатого перлита; доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита (рис. 2, б). Ближе к сердцевине изделия содержание углерода снижается, а, следовательно, в структуре стали уменьшается количество перлита и увеличивается количество феррита. При металлографическом анализе, как известно, различают полную и эффективную толщину азотонауглероженного слоя. Под полной толщиной понимают всю толщину, в пределах которой содержание углерода уменьшается от максимального на поверхности до исходного в сердцевине. Практическое значение имеет эффективная (техническая) толщина, за которую принимают расстояние в мм от поверхности до того места, в котором массовая доля углерода равна 0,4 %. На изображенной схеме структурных зон (рис. 2) эффективной толщине нитроцемементованного слоя соответствует расстояние от поверхности до места, в котором структура состоит из 50 % перлита и 50 % феррита и имеющего твердость после термообработки 50 НКС [4]. В данной работе измеряли толщину диффузионного слоя, состоящего из заэвтектоидной и эвтектоидной зон (рис. 2, в).

Влияние состава и массы насыщающей среды на процесс формирования диффузионных покрытий исследовали при нитроцементации в среде, содержащей ЖКС и стандартный карбюризатор (рис. 3, 4). Из рис. 3 видно, что максимальная толщина слоя достигается при содержании ЖКС, равной 20 % по массе. При меньшем содержании ЖКС концентрация азота в диффузионном слое недостаточна для ускорения диффузии атомов углерода.

Рис. 2. Изменение концентрации углерода и твердости

1,1 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

Ь мм

Сталь 45

Сталь 20

10% 20% 30%

Содержание ЖКС в насыщающей смеси Т=850 °С; ю=60 об/мин; т =4 ч Рис.3. Зависимость толщины полученных покрытий от состава смеси

Уменьшение толщины слоев при содержании ЖКС больше 20 % может быть обусловлено двумя причинами: во-первых, образование на поверхности нитридных фаз, которые являются барьером для атомов углерода и тем самым снижают его концентрацию в диффузионном слое, а во-вторых, при таком содержании ЖКС происходит налипание насыщающей смеси на образцы, что затрудняет транспорт насыщающих элементов на обрабатываемую поверхность.

Из графика зависимости толщины слоя от массы насыщающей смеси (рис. 4) видно, что оптимальная масса насыщающей смеси для данного барабана равна 150 г. Это можно объяснить тем, что при меньшем количестве образуется недостаточное количество активных атомов азота и углерода, а при большем, возможно, ухудшаются процессы массообмена между насыщающей средой и образцами. Аналогичные результаты были получены при использовании активированного угля вместо стандартного карбюризатора. При использовании графита получали слои меньшей толщины, так как происходило активное налипание графита на образцы, которое препятствовало взаимодействию атомов азота и углерода с насыщаемой поверхностью. Исходя из полученных результатов во всех последующих экспериментах масса смеси была выбрана равной 150 г и состояла из 20 % ЖКС и 80 % стандартного карбюризатора. Толщина получаемых покрытий зависит от исходного содержания углерода в стали: с увеличением его содержания толщина возрастала.

1,21 -0,80,60,40,2-о-

0 50 100 150 200 250 300 350 Масса насыщающей смеси, г 80 % карбюризатора и 20 % ЖКС; Т=850 °С; ш=60 об/мин; т =4 ч Рис.4. Зависимость толщины полученных покрытий от массы насыщающей смеси

Скорость вращения ш, об/мин Т=850 °С; т =4 ч

Риc.5. Зависимость толщины слоя от скорости вращения барабана

Исследование влияния скорости вращения барабана на толщину получаемых покрытий проводились при температуре 850 °С и времени выдержки т =4 ч. Установлено, что при увеличении скорости вращения барабана толщина слоя увеличивается, достигает максимума при скорости вращения около 60 об/мин, а затем начинает уменьшаться (рис. 5). Возможно, это объясняется тем фактом, что при увеличении скорости вращения барабана насыщающая смесь около образца благодаря постоянному перемешиванию обеспечивается постоянный доступ активных атомов азота и углерода к поверхности. При увеличении скорости вращения более 60 об/мин время контакта между диффундирующими элементами и образцом уменьшается и его становится недостаточно для их адсорбции на поверхности образцов. Следует отметить, что при частоте вращения барабана более 100 об/мин карбюризатор очень сильно измельчался, что приводило к сильному налипанию смеси на поверхность образца, которое препятствовало адсорбционным и диффузионным процессам.

Исследования влияния температуры выдержки на толщину слоя, которые проводились при времени выдержки 4 ч и скорости вращения 60 об/мин, показали, что при увеличении температуры выдержки толщина слоя растет и описывается экспоненциальной

П ПП(У)Т П fifiQ^T

зависимостью (рис.6): hi=0,0003e°' для стали 45; h2=0,0002e°' для стали 20, где h - толщина слоя; T - температура обработки.

При исследовании влияния времени обработки на толщину слоя было установлено, что при увеличении времени выдержки толщина слоя растет по закону близкому к параболическому (рис. 7): hi= 0,0205т0'6893 при R2 = 0,9877 для стали 45; h2= 0,0237т0,5859 при R2 = 0,9794 для стали 20, где h - толщина слоя; т - время обработки; R2 - величина достоверности аппроксимации.

h, мм

Сталь 45

Сталь 20

h, мм

1,8 1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,20

Л

у

х ' ' '

Г

Сталь 45

Сталь 20

750 800 850 900 950 Температура выдержки Т, °С

1000

ш=60 об/мин; т =4 ч Рис. 6. Зависимость толщины слоя от температуры обработки

1,6 ^ мм

1,4 Л у Сталь 45

1,2 У У У

1 Сталь 20

0,8 У

0,6 А ^

0,4

0,2 0 ж

0 100 200 300 400 500 600

Время выдержки т, мин Т=850 °С; ш=60 об/мин Рис. 7. Зависимость толщины слоя от времени обработки

После азотонауглероживания производилось измерение микротвердости образцов из стали 20. Результаты изменения значения микротвердости по глубине слоя при различных временах выдержки при температуре Т=850 °С приведены на рис. 8. Из графика видно, что с учетом погрешности значения микротвердости практически одинаковы. Различие наблюдается только на кривых, соответствующих 1 ч и 8 ч выдержки. Малые значения микротвердости при восьмичасовой выдержке, по-видимому, связаны с тем, что происходит снижение концентрации азота и углерода на поверхности образца возможно из-за обеднения насыщающей смеси.

При увеличении температуры обработки микротвердость на поверхности увеличивается из-за повышения насыщающей способности смеси с ростом температуры. При температуре обработки 850 °С на расстоянии более 0,25 мм от поверхности наблюдается увеличение микротвердости (рис. 9). Это обусловлено присутствием азота в слое, который в свою очередь увеличивает диффузионную подвижность углерода и его концентрацию в образце при температурах, близких к 850 °С [5].

H, МПа

3500 п

t=1 ч -t=2 ч t=3 ч t=4 ч t=8 ч

1500

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55

h, мм

0,65 0,75

Сталь 20; Т = 850 °С; ш= 60 об/мин Рис. 8. Изменение микротвердости по глубине слоя при различных временах выдержки

H,, МПа

3100-

2900-

2700-

2500-

2300-

2100-

1900-

1700-

1500-

Т=800°С Т=850°С Т=900°С

0,05 0,15 0,25 0,35

0,45 0,55 h, мм

0,65 0,75 0,85

Сталь 20; т= 4 ч; ш= 60 об/мин Рис. 9. Изменение микротвердости по глубине слоя при различных температурах выдержки

При исследованиях зависимости микротвердости от скорости вращения барабана при температуре 850 °С и времени выдержки 4 ч установлено, что микротвердость (в пределах погрешности) практически не зависит от этого параметра, а изменяется только лишь толщина диффузионного слоя (рис. 10). На рис. 11 приведены значения микротвердости образцов из стали 20 после науглероживания и азотонауглероживания в одинаковых условиях. Видно, что совместное насыщение азотом и углеродом приводит к более высоким значениям микротвердости. После закалки и отпуска поверхностная твердость образцов равна 60-62 ШТ.

H,,, МПа

3500п 33003100290027002500230021001900170015004

f

0,05

0,15

0,25

0,45

0,55

0,65

ш=10 ш=60 ш=180

0,35 h, мм

Сталь 20; Т = 850 °С; т = 4 ч Рис. 10. Изменение микротвердости по глубине слоя при различных скоростях вращения барабана

H„ МПа 310029002700250023002100190017001500—

нитроцементация цементация

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85

^ мм

Сталь 20; Т = 850 °С; т = 4 ч; ю = 60 об/мин Рис. 11. Изменение микротвердости по глубине слоя

ВЫВОДЫ

1. Применение динамической насыщающей среды сокращает в 1,5-2 раза время азотонауглероживания.

2. Толщина диффузионных слоев зависит от скорости вращения барабана и достигает максимума при 60 об/мин.

3. Микротвердость азотонауглероженных образцов не зависит от скорости вращения, а определяется временем и температурой обработки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Земсков Г.В., Коган Р.Л. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов. М. : Металлургия, 1978. 208 с.

2. Spiridonova I.M. Alkema V.G. Chemical heat treatment in dynamic mixture: multicomponent diffusion coating formation mechanism // Proc. 7-th Intern. Cong. on Heat Treatment of Materials. M., 1990. V. 1. P. 229-233.

3. Ермакова Р.И., Алькема В.Г., Уварова Р.Т. Повышение надежности и долговечности деталей оборудования трубопрокатных станов упрочнением поверхности в установках с подвижным слоем // Тез. докл. IV Всесоюз. НТК. Запорожье, 1989. 185 с.

4. Тарасов В.В., Малышко С.Б. Лабораторный практикум по материаловедению / Уч. пособие. Владивосток : МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2003. 117 с.

5. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. М. : Машиностроение, 1965. 491 с.

DIFFUSION CARBONITRIDING OF STEELS IN THE DYNAMIC SATURATING MEDIUMS

Poryvaev D.A., Burnyshev I.N.

Institute of Applied Mechanics Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia

SUMMARY. The process of diffusion carbonitriding of steels in the dynamic saturating mediums has been studied. The influence of temperature-time parameters of treatment and dynamic characteristis of the plant on the kinetics of diffusion coatings formation has been studied as well. It is shown, that application of dynamic saturating mediums intensifies the process of the diffusion coatings formation.

KEYWORDS: chemical-termal treatment, saturating mediums, carbonitriding, dynamic condition, diffusion carbonitriding, diffusion coatings, microhardness.

Порываев Дмитрий Анатольевич, аспирант ИПМ УрО РАН

Бурнышев Иван Николаевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ИПМ УрО РАН, тел. (3412) 21-66-11, e-mail: inburn@mail. ru