Исследование режимов ионного азотирования стали ЭП678У - ВД для повышения твердости и износостойкости

Сталь 03Х11Н10М2Т – ВД (ЭП678У –  ВД) относится к классу мартенситно-стареющих  сталей. Мартенситно-стареющие стали – это практически безуглеродистые стали, сложно- и высоколегированные никелем, кобальтом, молибденом и титаном, а некоторые медью и бериллием. При дополнительном легировании хромом (10 – 12 %) они приобретают коррозионную стойкость, в том числе в сильноагрессивных средах. Следствием низкого содержания углерода (0,03%) является, во-первых, образование ОЦК решетки мартенсита после закалки и, во-вторых, то, что упрочнение достигается за счет избыточных интерметаллидных фаз. После закалки может присутствовать некоторое количество остаточного аустенита, что способствует повышению сопротивления разрушению. Если количество аустенита достигает 50 %, то эти стали становятся мартенситно-аустенитными (переходного класса).

Мартенситно-стареющие стали отличаются от других высокопрочных материалов прежде всего более высоким сопротивлением хрупкому разрушению, особенно сопротивлением развитию трещины, что обеспечивает малую чувствительность их к действию концентраторов напряжений. Поэтому изделия, изготовленные из этих материалов, обладают высокой эксплуатационной надежностью. Упрочнение этих сталей достигается путем закалки на воздухе и последующего старения. При этом они имеют высокую прокаливаемость. При закалке практически отсутствует коробление, а объемные изменения настолько малы, что старению могут подвергаться готовые детали. Кроме того, эти стали хорошо свариваются, штампуются и легко обрабатываются резанием.

Недостатком мартенситно-стареющих  сталей является их высокая стоимость  по сравнению с углеродистыми. Поэтому  их целесообразно использовать прежде всего для изготовления самых  ответственных деталей машин  и элементов конструкций, от которых требуется высокая удельная прочность в сочетании с высокой эксплуатационной надежностью.

Высокопрочные мартенситно-стареющие  стали подвержены в той или  иной степени всем видам коррозии. Введение в них 10 – 12 % (масс.) Cr позволило создать коррозионно-стойкие мартенситно-стареющие стали, которые также обладают высокой конструкционной прочностью и хорошей технологичностью. Примеры успешного применения мартенситно-стареющих сталей в качестве конструкционного материала многообразны. Они используются в машиностроении, приборостроении, инструментальной промышленности и других областях современной техники для изготовления прецизионных деталей станков, штампов горячего и холодного деформирования, деталей авиационного двигателестроения, корпусов двигателей ракет, двигателей шасси самолетов, сосудов высокого давления, обшивки судов, подводных крыльев, деталей насосов, клапанных пружин для двигателей и компрессоров, упругих элементов, подвесов и других [3].

Однако мартенситно-стареющие стали имеют низкое сопротивление изнашиванию и усталости и, следовательно, не могут быть использованы для изготовления ряда тяжелонагруженных деталей без поверхностного упрочнения, что ограничивает область применения этих сталей.

Принципы легирования  этих сталей специфичны. Так как мартенситно-стареющие стали, являются практически безуглеродными, углерод в них вредная примесь и допускается в количестве не более 0,03%.

Высокая прочность этой стали достигается за счет:

1. Легирования такими упрочняющими элементами, такими как Ni, Cr, Ti, Mo;
2. Мартенситного превращения;
3. Старения.

Основой для легирования  мартенситно-стареющих сталей является система Fe – Ni. Система Fe – Ni представлена на рис. 13. Ni — элемент расширяющий область g. При добавлении к железу 4 – 8% Ni происходит снижение температуры g®a – превращения, и после закалки образуется мартенсит замещения. Введение 8 – 12% Ni с одновременным легированием Ti, Al, Mo и другими элементами приводит к развитию старения благодаря уменьшению растворимости легирующих элементов в мартенсите; с повышением содержания никеля до 12 – 20% Ni увеличивается сопротивление хрупкому разрушению благодаря высокой подвижности дислокаций и облегченного поперечного скольжения в железоникелевой матрице [2, 0].

Рис. 13. Система Fe-Ni.

 

Дополнительное легирование сплава Fe + 8 – 10 % Ni такими элементами, как Ti, Al, Mo обеспечивает при термической обработке интенсивное упрочнение. Превращение a↔g в железоникелевых сплавах является необратимым [0, 0, 0].

Титан является основным элементом упрочняющим сталь при старении за счет образования фазы Ni₃Ti. Увеличение количества титана до 1,5% способствует повышению прочности и одновременно некоторому снижению пластичности. А также титан способствует образованию в стали природного мелкого зерна.

Молибден в количестве до 3% увеличивает вязкость мартенситно-стареющей стали. Это объясняется высокой поверхностной активностью Mo по отношению к железу. Атомы Mo вытесняют другие легирующие элементы, в том числе и титан, из пограничной области, устраняя возможность образования карбидов по границам зерен [12, 13, 14, 15]. Кроме того молибден увеличивает сопротивление стали ползучести, устраняет склонность стали к отпускной хрупкости и сильно тормозит процесс роста и коагуляции частиц карбидов.

Температура плавления – 1525°С; плотность – 7,84 г/см³.

Температура критических  точек стали ЭП678У-ВД приведена  в  
таблице 5.

Таблица 5.

Температура критических  точек,°С.

Марка стали	АС1	АС3	МН	МК
ЭП678У – ВД	520-580	690-720	150-200	30-50

 

Сталь подвергают закалке и отпуску (старению).

Оптимальный режим закалки  для стали ЭП678У – ВД: нагрев до 950-1000°С, выдержка 1 час, охлаждение в воде.

Старение позволяет  значительно увеличить прочностные  показатели стали за счет образования основной интерметаллидной фазы Ni₃Ti. Старение при 520 – 570°С, 3 часа.

Процесс старения мартенситно-стареющих  сталей имеет две стадии: быструю  и медленную (рис. 14) . Причем фаза Ni₃Ti образуется уже в первые секунды.

Механические свойства стали связаны с режимом старения следующим образом:

• 450 – 475°С — интервал температур недостаревания,
• 510 – 550°С — перестаревание,
• 480°С при выдержке 3 часа – максимального упрочнения, которое характеризуется полным выделением упрочняющей фазы.

Рис. 14. Кинетика изменение твердости модельных сплавов на основе

Fe – 11 Cr – 10 Ni – 2 Mo при температуре старения 480°С.

 

Но старение на максимальную прочность сопровождается  потерей пластичных свойств и ударной вязкости. Для их улучшения целесообразно присутствие в структуре остаточного аустенита. Эту фазу получают в режиме старения при более высоких температурах. Температуру старения выбирают в пределах 600±40°С. В результате отпуска в структуре наблюдают выпадение фазы Ni₃Ti и образование до 30% остаточного аустенита. Для предотвращения изменений размеров после a®g превращения при повторных нагревах проводит второй отпуск, стабилизирующий (остаточный аустенит), в том же интервале температур. В итоге сталь может содержать до 50% остаточного аустенита, стабильного до Т= - 196°С.

Механические свойства стали ЭП678У – ВД после закалки  и старения представлены в таблице 6.

 

 

 

 

Таблица 6

Механические свойства стали ЭП678У – ВД после закалки  и старения.

Механи-ческие свойства	Предел текучести при растяжении, МПа (s0,2)	Временное сопротивление, МПа (sВ)	Относи-тельное удлинение после разрыва, % (d)	Относи-тельное сужение после разрыва, % (y)	Ударная вязкость, МДж/м2 (KCU)
Закалка + старение	1350	1400	8,0	30	0,3

 

Таким образом, термической  обработкой достигают сочетания  достаточно высокой прочности и пластичности.

Технологический маршрут  изготовления деталей, подлежащих азотированию, следующий:

1. грубая обдирочная механическая обработка (припуск 3-5 мм);
2. предварительная термическая обработка (закалка и 2 отпуска);
3. предварительная механическая обработка (припуск 0,2 – 0,6 мм);
4. стабилизирующий отпуск;
5. чистовая механическая обработка (допускается припуск не более  
   0,05 мм);
6. азотирование;
7. окончательная механическая обработка (в случае необходимости).

3.6. Ионное азотирование мартенситно-стареющих сталей

Наиболее эффективным  методом повышения износостойкости  и усталостной прочности мартенситно-стареющих  сталей является азотирование. Но обычный  газовый процесс насыщения азотом весьма длителен (24 – 72 ч.). Кроме того, высокая хрупкость слоя в этом случае в значительной мере снижает эксплуатационные свойства. Изыскание путей интенсификации газового азотирования и улучшения качества слоев привело к необходимости проведения процесса насыщения в тлеющем разряде.

Важным обстоятельством  является в этом случае то, что упрочнение мартенситно-стареющих сталей происходит в результате старения мартенсита при температурах, близких к температурам азотирования. При обычном газовом азотировании совместить эти две операции сложно, так как продолжительность старения намного меньше продолжительности насыщения азотом. При ионном азотировании можно совместить в одну операцию процессы поверхностного насыщения и старения, так как можно привести в соответствие продолжительности их осуществления.[6]

 

4. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение

В результате предварительных  исследований было установлено оптимальное расстояние между деталями (40 мм), которое в дальнейшем не изменялось (при меньших расстояниях азотированный слой становится неравномерным).

Исследования зависимости глубины азотированного слоя и его свойств от температуры, времени выдержки и давления газовой среды проводили на трёх деталях различной конфигурации. Но так как все детали были выполнены из одной и той же стали и были подвергнуты одинаковой предварительной термической обработке, то итоговые результаты исследований по каждой из деталей были идентичны. Поэтому далее приводятся результаты исследования азотированного слоя в общем виде.

Глубина азотированного слоя существенно зависит от температуры, времени выдержки, давления газовой среды при проведении процесса ионного азотирования. В работе исследовали влияние этих параметров на результат азотирования стали ЭП678У – ВД.

4.1. Влияние температуры азотирования на глубину и свойства азотированного слоя

При изучении влияния  температуры на толщину и микротвердость азотированного слоя образцы обрабатывали в атмосфере диссоциированного аммиака. Давление (3 мм.рт.ст.) и длительность выдержки (15 часов) во всех опытах поддерживали постоянными.

Температуру азотирования изменяли от 540°С до 600°С. На рис. 15 представлена микроструктура азотированного слоя при температуре 560°С. Микроструктура состоит из поверхности g¢-слоя и расположенного под ним слоя внутреннего азотирования, отличающегося меньшей травимостью. За глубину азотированного слоя принимали расстояние от поверхности образца до зоны меньшей травимости.

Влияние температуры  на глубину и свойства азотированного слоя на стали ЭП678У – ВД показано на рис. 16. Из данных, представленных на  
рис. 21 видно, что азотированный слой с заданной глубиной и свойствами на стали ЭП678У – ВД образуется уже при температуре 560°С.

 

Рис. 15. Микроструктура азотированного слоя образца из стали ЭП678У – ВД.

 

На рис. 16а представлены результаты измерений глубины азотированного слоя от температуры азотирования. Как видно из рис. 16а температура азотирования в пределах 540 – 560°С оказывает небольшое влияние на глубину азотированного слоя при прочих равных параметрах азотирования. Глубина азотированного слоя при заданном интервале температур равна 0,15 – 0,18 мм, что отвечает техническим условиям для данных изделий (глубина азотированного слоя ³ 0,15 мм).

При повышении температуры  до 580°С и выше толщина азотированного слоя практически не увеличивается, а микротвердость слоя снижается.

На рис. 16б показано влияние температура на микротвердость поверхности азотированного слоя. Как видно из рис. 16б, наибольшая микротвердость (1110HV) достигается на поверхности слоя при температуре 540°С. С повышением температуры микротвердость снижается и при температуре 600°С достигает 890 кгс/мм². Исходя из полученных данных по микротвердости, можно заключить, что наилучший результат достигается при температуре 540°С.

На рис. 16в представлено изменение микротвердости сердцевины образца в стали ЭП678У – ВД в зависимости от температуры. Как видно из рис. 16в, с повышением температуры микротвердость снижается. Сталь ЭП678У – ВД является мартенситно-стареющей сталью. Оптимальная температура старения находится в интервале 520 – 570°С. При повышении температуры сверх указанного диапазона происходит коагуляция выделившихся при старении фаз, что приводит к разупрочнению. Кроме того, следует учитывать, что при температуре ³ 580°С начинается обратное превращение мартенсита в аустенит, что также может привести к уменьшению твердости, следовательно азотирование при температуре ³560°С нерационально в связи с разупрочнением стали.