CC BY
33Вестник Томского государственного университета. Химия. 2016. № 2. С. 54-60
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ
УДК 669.112.227.34 Б01 10.17223/24135542/4/6
Э.В. Козлов1, Н.А. Попова1,2, Е.Л. Никоненко1,3
1Томский государственный архитектурно-строительный университет
(Томск, Россия)
2Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск, Россия)
3Томский государственный политехнический университет (Томск, Россия)
Изменение размера зерна конструкционной стали 20Х2Н4Ф под воздействием нитроцементации
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-48-700198 и в рамках госзадания Минобрнауки России № 3.295.2014/К и № 461.
Методом оптической микроскопии проведено исследование зеренной структуры нитроцементованного слоя конструкционной легированной стали мартенситного класса 20Х2Н4А. Определен размер зерна по мере удаления от поверхности вглубь образца и построен график. Проведено сравнение с исходным (до нитроцементации) состоянием.
Ключевые слова: сталь; нитроцементация; металлография; размер зерна.
Введение
Одним из наиболее эффективных способов повышения износостойкости деталей в промышленности является химико-термическая обработка, которая воздействует на поверхностные слои металла [1-2], т.е. на те слои, в которых концентрируются максимальные напряжения, возникают трещины, развиваются процессы износа и коррозии. В отличие от термической обработки химико-термическая обработка изменяет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев. Это позволяет в более широких пределах изменять свойства металлов и сплавов.
В промышленности большое распространение получил процесс нитроцементации - поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в газовой среде. Нитроцементация приводит к существенному изменению прежде всего зеренной структуры материала в слоях, прилегающих к поверхности, на которую было оказано воздействие. Эти изменения хорошо видны уже при небольших увеличениях в металлографическом микроскопе на шлифах, сделанных перпендикулярно обработанной поверхности. Поэтому целью настоящей работы является изучение зеренной структуры и определение размера зерна в конструкционной стали
20Х2Н4А, подвергнутой нитроцементации, по мере удаления от поверхности образца.
Материал и методы исследования
Объектом исследования являлась конструкционная легированная сталь мартенситного класса 20Х2Н4А, используемая для производства нитроцемен-тованных высоконагруженных деталей шестерен для комбайнов «К-500». Химический состав исследуемой стали, соответствующий ГОСТу 4543-71, приведен в таблице.
Химический состав стали 20Х2Н4А, вес. %
С Мп Б Р Сг N1 Си Ее
0,22 0,43 0,23 0,012 0,01 1,35 3,45 0,17 Остальное
После гомогенизации и нормализации сталь была подвергнута высокотемпературной нитроцементации (поверхностное насыщение азотом и углеродом) при температуре 920°С. Последующая термическая обработка состояла в следующем: высокий отпуск при температуре 620°С (1 ч), затем закалка от 820°С в масло и низкий отпуск при 180°С (1 ч).
Исследования выполнены методом оптической микроскопии на микроскопе МИМ-10 при рабочих увеличениях 50, 100 и 380 крат на образцах до и после нитроцементации. Образцы после нитроцементации были вырезаны в двух направлениях: 1) перпендикулярно и 2) параллельно нитроце-ментованной поверхности. Поверхность образцов для просмотра в оптическом микроскопе готовилась двумя методами: 1) методом химического и 2) методом электрохимического травления. Химическое травление проводилось в 4 %-ном водном растворе азотной кислоты при комнатной температуре, элетрохимическое - в 10 %-ном водном растворе соляной кислоты при температуре 20-40°С и плотности тока 0,5 А/см2. Химическое травление позволило выявить нитроцементованный слой, электрохимическое -зеренную и внутризеренную структуру вновь образованного слоя и основного металла.
Определение средних размеров зерен проводилось методом случайных секущих по микрошлифам. Средний размер зерен в объеме материала каждого сечения образца и среднеквадратичное отклонение определяли исходя из средних размеров зерен, измеренных по отдельным изображениям микрошлифа [3]. Для каждого сечения в работе было выполнено —150 измерений.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Изображение поверхности после травления на внутризеренную структуру и границы зерен стали в исходном состоянии представлено на рис. 1, а, функция распределения зерен по размерам - на рис. 1, б. Как видно из рис. 1, в исходном материале присутствует обычная полиэдриче-
ская зеренная структура. Функция распределения зерен имеет типичный для отожженного материала вид, средний размер зерен составляет величину 56 мкм, наиболее вероятный - 70 мкм, дисперсия размера зерен -19 мкм. Функция распределения зерен - одномодальная.
Рис. 1. Изображение микроструктуры стали 20Х2Н4А в исходном состоянии (а) и распределение зерен по размерам (б)
Выше мы отмечали, что нитроцементация стали приводит к созданию нитроцементованного слоя вблизи поверхности образца. Структура слоя по мере удаления от поверхности образца меняется. Изменяется и зеренная структура слоя. Схематически зеренная структура нитроцементованного слоя исследуемой стали по мере удаления от поверхности образца (перпендикулярное сечение образца) представлена на рис. 2, а, а её изображение, полученное методом оптической микроскопии, - на рис. 2, б.
Псшерхносгь
Рис. 2. Схематическое (а) и оптическое (б) изображения зеренной структуры в нитроцементованном слое стали 20Х2Н4А по мере удаления от поверхности в глубь образца. Стрелками (а) указаны выделения, хорошо различимые на оптических шлифах; линиями - границы зерен. Перпендикулярное сечение образца
Из рис. 2 хорошо видно, что по мере удаления от поверхности в глубь образца вид зеренной структуры изменяется. Изменяется и размер зерен. Хорошо видны также границы зерен, декорированные карбидами. Несомненно, что на всю глубину нитроцементованного слоя большой вклад дает диффузия углерода и азота по границам зерен.
Картина зеренной структуры стали после нитроцементации, полученная в оптическом микроскопе на различных расстояниях от поверхности с образцов, вырезанных параллельно нитроцементованной поверхности, представлена на рис. 3.
Рис. 3. Изображения микроструктуры стали 20Х2Н4А после нитроцементации на различных расстояниях от поверхности в сечении, параллельном нитроцементованной поверхности образца: а - поверхность; б - 0,2 мм; в - 1,1 мм; г - 2,1 мм от поверхности
Как видно из представленных фотографий, размеры зерен по мере удаления в глубь материала изменяются сложным образом. Это подтверждают проведенные измерения, выполненные непосредственно в оптическом микроскопе и представленные на рис. 4, а также распределения зерен по размерам, полученные для разных расстояний от нитроцементованной поверхности (рис. 5).
Рис. 4. Средние размеры зерен (Б) на разных расстояниях (Х) от нитроцементованной поверхности стали до (1) и после (2) нитроцементации
Х=0 СпаЕеригостъ)
Х=0_2 ил
Х=0.4 мм
Х=1Л ым
Х=2.1 мм
100
200
Б. мни
Рис. 5. Распределение зерен по размерам в стали 20Х2Н4А после нитроцементации (Х - расстояние от поверхности образца)
Из рис. 4 видно, что на поверхности нитроцементованного образца средний размер зерен имеет минимальное значение, затем он быстро возрастает и на глубине ~200 мкм становится наибольшим.
После этого размер зерен убывает, и в конце слоя его значение сравнивается со средним размером зерна основного металла, приближаясь к исходному. Подобные результаты отмечались и ранее [4-5]. Отметим, что для прочностных свойств стали 20Х2Н4А [6] разнозернистость имеет важное значение. Еще раз подчеркнем, что все изменения в зеренной структуре исследованной в работе стали 20Х2Н4А связаны с интенсивной диффузией углерода и азота по границам зерен в ходе нитроцементации.
Заключение
На основании проведенных исследований зеренной структуры в конструкционной стали 20Х2Н4А, подвергнутой нитроцементации, установлено, что нитроцементация приводит к резкому измельчению зерна вблизи поверхности образца. По мере удаления от поверхности в глубь образца средний размер зерна вначале быстро возрастает, и на глубине 0,2 мм от поверхности превышает исходное значение практически в 2 раза, затем убывает, приближаясь к исходному состоянию образца.
Литература
1. Козлов Э.В., Малиновская В.А., Попова Н.А., Сизоненко Н.Р. Формирование гради-
ентных структурно-фазовых состояний в конструкционной стали при нитроцемен-тации и термической обработке // Тяжелое машиностроение. 2005. № 11. С. 26-28.
2. Козлов Э.В., Малиновская В.А., Попова Н.А., Игнатенко Л.Н., Сизоненко Н.Р. Влия-
ние нитроцементации на структуру стали 20Х2Н4А // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2005. Т. 2, № 3. С. 85-89.
3. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М. : Металлургия, 1970. 376 с.
4. Кальнер В.Д., Ковригин В.А., Старокожев Б.С., Юрасов С.А. Комплексное насыще-
ние стали углеродом, азотом и кислородом // МиТОМ. 1977. № 9. С. 15-17.
5. Анашенко В.Н., Гуляев А.П. Нитридное упрочнение чистого железа и сплавов на его
основе // МиТОМ. 1980. № 1. С. 5-10.
6. Виноград М.И., Ульянина И.Ю., Файвилевич Г.А. О механизме роста зерна аустени-
та в конструкционных сталях // МиТОМ. 1975. № 1. С. 5-11.
Авторский коллектив:
Попова Наталья Анатольевна, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. кафедры физики Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, Россия). E-mail: natalya-popova-44@mail.ru
Козлов Эдуард Викторович, доктор физ.-мат. наук, профессор Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, Россия). E-mail: kozlov@tsuab.ru Никоненко Елена Леонидовна, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры физики Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, Россия). E-mail: vila-tomsk44@mail.ru
Tomsk State University Journal of Chemistry, 2016, 2 (4), 54-60. DOI: 10.17223/24135542/4/6
E.V. Kozlov1, N.A. Popova1, 2, E.L. Nikonenko1, 3
'Tomsk State University of Architecture and Building (Tomsk, Russian Federation) 2Institute of Strength Physics and Material Science SB RAS (Tomsk, Russian Federation) 3National Research Tomsk Polytechnic University (Tomsk, Russian Federation)
Grain size in the type 0,2C-2Cr-4Ni-1V steel modified using carbonitriding treatment
The paper presents the results of electronic microscopy investigations of the type 0,2C-2Cr-4Ni-lV martensitic steel grained structure modified by carbonitriding treatment technique. The grain size is determined moving from the surface into the sample; the relevant dependence plot is presented herein. A comparison is given for the sample before and after carbonitriding treatment.
Keywords: steel; nitrocarburizing; metallography; grain size.
References
1. Kozlov Ye.V., Malinovskaja V.A., Popova N.A., Sizonenko N.R. Formirovanie gradientnyh
strukturno-fazovyh sostojanii v konstrukcionnoi stali pri nitrocementacii i termicheskoi obrabotke [Formation of gradient structural-phase states in the structural steel with heat treatment and nitrid-ing]. Tjazheloe mashinostroenie [Heavy engineering J.]. 2005;11:26-28. In Rusiian
2. Kozlov Ye.V., Malinovskaja V.A., Popova N.A., Ignatenko L.N., Sizonenko N.R. Vlijanie nitrocementacii na strukturu stali 20H2N4A [Effect of nitriding on the structure of the steel 20H2N4A]. Fundamental'nye problemy sovremennogo materialovedenija [Basic Problems of Material Science]. 2005;2(3):85-89. In Russian
3. Saltykov S.A. Stereometricheskaja metallografija [Stereometric metallography]. Moscow: Metallurgy a; 1970. 376 P. In Rusiian
4. Kal'ner V.D., Kovrigin V.A., Starokozhev B.S., Yurasov S.A. Kompleksnoe nasyshenie stali uglerodom, azotom i kislorodom [Complete saturation of steel with carbon, nitrogen and oxygen]. Metallovedenie I termicheskaya obrabotka metallov [Metal Science and Heat Treatment]. 1977;9:15-17. In Russian
5. Anashenko V.N., Guljaev A.P. Nitridnoe uprochnenie chistogo zheleza i splavov na ego osnove [Nitride hardening of pure iron and its alloys]. Metallovedenie I termicheskaya obrabotka metallov [Metal Science and Heat Treatment]. 1980;1:5-10. In Russian
6. Vinograd M.I., Ul'janina I.YU., Faivilevich G.A. O mehanizme rosta zerna austenita v kon-strukcionnyh staljah [On the mechanism of austenite grain growth in structural steels]. Metallovedenie I termicheskaya obrabotka metallov [Metal Science and Heat Treatment]. 1975;1:5-11. In Russian
Informatiom about authors:
Popova Natalia A. PhD in Technical Science, Senior Researcher, Department of Physics, Tomsk State Architectural University (Tomsk, Russian Federation). E-mail: natalya-popova-44@mail.ru Kozlov Eduard V. Dr. of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Tomsk State Architectural University (Tomsk, Russian Federation). E-mail: kozlov@tsuab.ru
Nikonenko Elena L. PhD in Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Department of Physics, Tomsk State Architectural University (Tomsk, Russian Federation). E-mail: natalya-popova-44@mail.ru
