Использование цианирования для улучшения структуры и свойств конструкционной стали 30ХГТ

Гадалов В.Н., Сальников В.Г., Бредихина О.А., Шеставина С.В.,

Скрипкина Ю.В.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИАНИРОВАНИЯ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ 30ХГТ *

Представлены результаты исследования структуры, твердости и усталостных характеристик образцов из стали 30ХГТ после объемной закалки и последующего цианирования в азотистоуглеродной пасте при температуре 650°С.

Ключевые слова: сталь, поверхностный слой, износостойкость, твердость, закалка, микроструктура.

Конструкционная низкоуглеродистая сталь универсального назначения 30ХГТ широко применяется в машиностроении для изготовления самых различных деталей, от которых требуется как высокая объёмная прочность, так и высокая износостойкость. Эта сталь относительно дёше-ва, отличается хорошими технологическими свойствами (наследственно мелкозернистая) и выпускается металлургической промышленностью в массовых количествах. Однако, в настоящее время для многих деталей машин, работающих при повышенных нагрузках, износостойкость и усталостная прочность стали 30ХГТ после традиционной термообработки, включающей закалку с 850°С и отпуск на требуемую твёрдость, оказывается недостаточной. Повысить названные эксплуатационные характеристики деталей из этой стали можно, по нашему мнению, если заменить традиционный отпуск после закалки при температуре 600-650°С. Для проверки этого предположения и выяснения влияния дополнительной химико-термической обработки на свойства стали 30ХГТ было проведено комплексное исследование образцов из этой стали как в исходном состоянии (закалка с 850°С в масле + отпуск при 650°С 1 час), так и после цианирования.

*Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России на 2009 -2013 годы». Юго-Западный государственный университет, г. Курск.

Цианирование образцов стали 30ХГТ проводилось после стандартной закалки в азотисто-угольной пасте, состоящей из 40% железосинеродистого калия и 60% газовой мелкодисперсионной сажи (пастообразова-тель - поливинилацетатная эмульсия ПВА). Температура цианирования соответствовала температуре высокого отпуска - 650°С, длительность цианирования - 1 и 3 часа. После цианирования образцы охлаждались в воде. Исследование включало в себя проведение металлографического и дюраметрического анализов, а также определение содержания азота, углерода и других элементов в поверхностных слоях металла.

Микроструктуру образцов исследовали на металлографических шлифах, протравленных 3% раствором азотистой кислоты в эталоне. Просмотр и съёмку шлифов на оптическом микроскопе ММР-4. Твёрдость по Виккерсу определяли на твёрдомере ТИ-7-Р согласно ГОСТ 2999-75 при нагрузке 10 кг, микротвёрдость - на приборе ПИТ-3 при нагрузке 100 г.

Послойный анализ поверхности исследуемых образцов осуществляли на атомно-эмиссионном спектрометре 8Л-2000 фирмы ЬЕСО. В основе принципа действия прибора лежит метод ОБ-ОЕ8, т. е. атомноэмиссионной спектроскопии, где в качестве источника возбуждения спектра используется тлеющий разряд (газоразрядная лампа Гримма). Образец помещается в генератор возбуждения, где возбуждается его световой спектр. Проходя через систему линз свет попадает на голографическую решётку Роуланда, которая разделяет и фокусирует свет по длинам волн. Через выходные щели излучение попадает на фотоумножители, которые регистрируют его и выводят на компьютер. По полученным данным строятся профили содержания углерода, азота и других элементов, обнаруженных в спектре пробы.

Таблица 1. Предел выносливости и твёрдости образцов из стали 30ХГТ

№ партии образцов Состояние образцов Предел выносливости, о_ь МПа Твёрдость ИУ10,кгс/мм2

центр образца край образца

1 Исходное состояние (закалка с 880°С + отпуск при 650°С) 295 255 243

2 Закалка с 880°С + цианирование при 650°С 1 час 460 231 245

3 Закалка с 880°С + цианирование при 650°С 3 часа 447 253 263

Предел выносливости образцов определяли неразрушающим вихре-

вым методом. Этот метод основан на регистрации необходимых магнитных изменений в поверхностных слоях образцов при их циклическом нагружении. Нагрузка, при которой происходят эти изменения и есть действительны предел выносливости металла.

Маркировка, термообработки и свойства исследовательских образцов (в каждой партии исследовались по 5 образцов) представлены в таблице 1. Как видно из представленной таблицы, цианирование приводит к существенному увеличению предела выносливости стали 30ХГТ (~ 1,5 раза), хотя твёрдость поверхностных слоёв образцов повышается незначительно. Эта тенденция более отчётливо прослеживается при измерении микротвёрдости: значения микротвёрдости снижается с Нц = 294 кгс/мм на поверхности образца до Нц = 254,9 кгс/мм на удалении от поверхности образца ~250 мкм (рис.1). Значение микротвёрдости образцов из стали 30ХГТ в исходном состоянии (после закалки и высокого отпуска) по всему сечению образца находятся в интервале Нц = 233 - 249 кгс/мм .

Рис.1. Изменение микротвёрдости Нц100 по мере удалении от края образца (закалка с 8

нирование при 650°С 3 часа)

|°С + циа-

На рисунке 2 представлены фотографии типичных микроструктур цианированных образцов. Поверхность образца после цианирования имеет ярко выраженную характерную тонкую (10-15 мкм) нетравяющуюся полосу (рис.2 а), представляющую собой карбонитридный слой Бе3 (N,0), обладающую хорошим сопротивлением износу и менее хрупким, чем чистый цементит Бе3С или нитриды Бе3^ После охлаждения в воде с температуры цианирования диффузионный слой под зоной карбонитри-дов представлен в основном в мартенситном (рис.2 б).

Рис.2. Микроструктуры цианированной стали 30ХГТ : а) поверхность б) сердцевина

Характерный профиль распределения концентраций С и N по сечению образца представлен на рисунке 3, а концентрации элементов, полученные при исследовании цианированного образца (650°С, 3 ч) методом тлеющего разряда - в таблице 2.

го..

ю-

* 05-

§

\ \ \ 1ц =650 °С Т =1 ч

\ .. ’^Чсг/

VЛ \ N ' \ ^4(Мп/ у 1(0

2Н1

о

5

10

15

20

Расстояние от поверхности, мкм

Рис.3. Распределение элементов по сечению цианированного слоя стали 30ХГТ: 1 - углерод

Повышенное содержание углерода и азота в поверхностном слое, как видно из результатов исследования, соответствуют зоне карбонидов на поверхности образца. Здесь следует отметить, в данном случае, т.е. в случае цианирования при температуре 650°С, процесс насыщения сдви-

нут в сторону цементации: превышение концентрации углерода над марочным составом наблюдается на глубине до 15 мкм, а превышение концентрации азота - только на глубине до 5 мкм, причём на поверхности углерода содержится значительно больше, чем азота. Тем не менее, незначительное количество азота 0,07-0,08% прослеживается на довольно большой глубине (более 40 мкм), что свидетельствует о его интенсивной диффузии в глубину металла, хотя поверхность стали он усваивает меньше, чем углерод.

Таблица 2. Концентрация элементов в поверхностной зоне цианированной (650 °С, 1ч) стали 30ХГТ

Расстояние от поверхности, кмк С, % N % Сг, % Мп, %

0,00 5,290 1,427 0,965 0,712

2,50 1,335 0,048 1,135 0,802

5,00 0,542 0,080 1,180 0,887

7,50 0,586 0,088 1,226 0,914

10,00 0,630 0,085 1,250 0,922

12,50 0,591 0,083 1,269 0,946

15,00 0,520 0,077 1,282 0,953

17,50 0,447 0,080 1,282 0,961

20,00 0,392 0,074 1,300 0,963

25,00 0,328 0,072 1,307 0,963

30,00 0,311 0,069 1,326 0,962

35,00 0,322 0,073 1,348 0,961

40,00 0,328 0,070 1,362 0,962

Карбонитридная корка на поверхности стали, которая образуется в процессе цианирования, обладает пониженным по сравнению со сталью коэффициентом трения и повышенной твёрдостью, поэтому цианирование деталей должно повышать износостойкость деталей, подвергнутых такой обработке. Повышение предела выносливости цианированных образцов из стали 30ХГТ по сравнению с исходным состоянием также объясняется наличием на их поверхности упрочнённого слоя, в котором, как известно, возникают остаточные напряжения сжатия.

Зарегистрирована 22.05.2012.