Повышение конструкционной прочности азотированных низкоуглеродистых мартенситных сталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.15-194.55/621.785.532

С.С. Югай

Пермский государственный технический университет

ПОВЫШЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ АЗОТИ РОВАН Н ЫХ Н ИЗКОУГЛ Е РОДИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ

Низкоуглеродистые мартенситные стали являются перспективным материалом для изготовления деталей машиностроения, упрочняемых химико-термической обработкой. Показано, что после азотирования и последующей закалки из межкритического интервала температур низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ могут быть получены высокие механические свойства сердцевины и износостойкость поверхностного слоя.

Технологичные низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС) - новый класс сталей, предназначенных для изготовления деталей машин и сварных конструкций. Рациональное сочетание легирующих элементов обеспечивает высокую устойчивость переохлажденного аустенита НМС [1] и получение структуры пакетного мартенсита в больших сечениях при охлаждении на воздухе. Временное сопротивление разрыву современных НМС (ств) составляет до 1500 МПа, ударная вязкость (КСи) - не менее 0,8 МДж/м2. Для улучшения износостойкости и коррозионной стойкости изделий из низкоуглеродистых мартенситных сталей применяют химико-термическую обработку (ХТО). Один из наиболее перспективных видов ХТО НМС - азотирование [2]. Однако в процессе азотирования понижаются механические свойства сердцевины [3]. Их повышение возможно за счет термической обработки после азотирования.

Азотированная низкоуглеродистая мартенситная сталь после термической обработки способна обеспечить сочетание высоких прочности, пластичности, вязкости сердцевины и износостойкости поверхности.

Цель данной работы - исследование структуры и свойств поверхностного слоя НМС 12Х2Г2НМФТ после азотирования и последующей термической обработки.

Методики исследований и экспериментов. Для приготовления опытных образцов использовали НМС 12Х2Г2НМФТ, и для сравнения - сталь 38Х2МЮА (табл. 1).

Химический состав сталей

Таблица 1

Марка стали Содержание элементов, мас. %

С Мп БІ Сг № Мо V ТІ А1

12Х2Г2НМФТ 0,13 2,24 0,40 2,39 1,38 0,45 0,10 0,03 -

38Х2МЮА 0,40 0,55 0,25 1,60 0,20 0,22 - - 1,10

Исходной заготовкой служил горячекатаный лист толщиной 6 мм стали 12Х2Г2НМФТ и пруток сечением 14x14 мм стали 38Х2МЮА. Для проведения экспериментов были изготовлены образцы размером 55x10x5 мм, которые шлифовали для получения необходимой шероховатости поверхности перед азотированием. Предварительная термическая обработка НМС 12Х2Г2НМФТ - закалка от 930 °С, охлаждение на воздухе для получения структуры пакетного мартенсита, стали 38Х2МЮА - закалка от 940 °С, охлаждение в масле и отпуск 640 °С, 2 ч (структура - сорбит). Азотирование проводили в печи в среде аммиака, разбавленного азотом (10-30% КН3) при температуре 560 °С в течение 40 ч, охлаждение с печью.

После азотирования сталь 12Х2Г2НМФТ подвергали нагреву до 600-750 °С с выдержкой 1 ч и охлаждением на воздухе.

После химико-термической и термической обработки проводили металлографические, дюрометрические исследования. Распределение микротвердости по толщине азотированного слоя определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 1 Н (ГОСТ 9450-76). За эффективную толщину азотированного слоя кэфф принимали расстояние от поверхности до зоны с твердостью 450 НУ. Точность определения эффективной толщины слоя составляла 50 мкм.

Фазовый состав исследуемых сталей определяли рентгеноструктурным анализом (излучение меди).

Испытания на одноосное растяжение и расчет характеристик прочности и пластичности проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84. Испытания осуществляли на разрывной машине Р-5 с использованием пятикратных цилиндрических образцов диаметром 5 мм и длиной 25 мм. Ударную вязкость определяли согласно ГОСТ 9454-78 на образцах с и-образным надрезом (типоразмер 3).

Износостойкость сталей определяли на машине МИ1 -М в условиях сухого трения. Износ оценивали согласно ГОСТ 27860-88 по методу вырезанных лунок. Контртело изготавливали из стали 95Х18 с твердостью 58 НЯС. Испытания проводили при комнатной температуре, скорость скольжения -V = 1 м/с, путь трения Б = 300 м, осевые нагрузки Рос = 30-90 Н. Величину

износа вычисляли по формуле: I = 0,125(/2-/12)/г, где I - износ (увеличение ширины лунки), мм; I - ширина лунки после испытания; /1 - ширина лунки до испытаний; г = 20 мм - радиус контртела.

Результаты исследований и их обсуждение. Азотирование НМС обеспечивает получение более глубоких диффузионных слоев по сравнению со среднеуглеродистыми улучшаемыми сталями. Исходная структура НМС перед азотированием - пакетный мартенсит, что обеспечивает при насыщении получение однородных азотированных слоев без хрупкой нитридной сетки по границам бывших аустенитных зерен [4]. После азотирования прочность стали 12Х2Г2НМФТ понижается (а02 не более 1000 МПа), уменьшение ударной вязкости НМС менее значительное, чем стали 38Х2МЮА (табл. 2, рис. 1). Реечное строение мартенситной а-фазы сохраняется в процессе длительной выдержки при температурах азотирования и последующем нагреве в меж-фазную область (МКИ) [5].

Таблица 2

Свойства сердцевины и твердость азотированного слоя сталей 38Х2МЮА и 12Х2Г2НМФТ

Марка стали Режим обработки Свойства сердцевины* Твердость и эффективная толщина слоя

^0^ МПа кси, МДж/м2 ляс НЯА hэфф, мм

12Х2Г2НМФТ Азотирование при 560 °С, 40 ч 1190 960 87 о1 сТ 40 28 82 0,53

Азотирование при 560 °С, 40 ч + закалка от 750 °С, 1 ч, воздух 960** 1100 0,7** 0,9 28** 38 76 0,68

38Х2МЮА Азотирование при 560 °С, 40 ч 840 830 10 0,7 27 27 81 0,44

В числителе приведены свойства до азотирования, в знаменателе - после азотирования.

В числителе приведены свойства после азотирования, в знаменателе - после закалки из МКИ.

Увеличение толщины слоя и повышение механических свойств сердцевины возможно за счет термической обработки, которая включает закалку из аустенитной области и отпуск [6, 7]. Такая упрочняющая термообработка средне- и высокоуглеродистых сталей обладает рядом особенностей: высокая склонность к деформации и короблению, необходимость ускоренного охлаждения для формирования мартенситной структуры и исключения выделения

у'-фазы, обязательное применение защитных атмосфер для предотвращения деазотирования.

Рис. 1. Распределение микротвердости по толщине азотированного слоя (Ь - расстояние от поверхности): • - сталь 12Х2Г2НМФТ, азотирование при 560 °С, 40 ч; о - сталь 12Х2Г2НМФТ, азотирование при 560 °С, 40 ч + закалка от 750 °С, 1 ч, воздух; ♦ - сталь 38Х2МЮА, азотирование при 560 °С, 40 ч

Закалка из МКИ [5] эффективно упрочняет НМС. Высокие прочность, пластичность и ударная вязкость сердцевины обеспечивают наследование структуры пакетного мартенсита. При закалке с температуры выше Ас1 на 10-50 °С (?зак = 730-780 °С) формируется мелкодисперсная смесь низкоуглеродистого «свежего» мартенсита и мартенситной а-фазы, не претерпевшей фазовых превращений при нагреве в МКИ. Полученная структура обладает высокой плотностью дислокаций (по данным рентгеноструктурного анализа р = (2-4)х1011 см-2) и низким уровнем остаточных напряжений. Для получения градиентного слоя применяли закалку из МКИ, которая обеспечила высокие механические свойства поверхности и сердцевины (см. табл. 2). Среда охлаждения (воздух, масло, вода) не оказывала существенного влияния на характеристики механических свойств стали: ст0,2 = 1050-1100 МПа, КСи =

0,8-0,9 МДж/м2. Поскольку НМС закаливаются при охлаждении на воздухе,

то представляет практический интерес исследование фазового состава слоя в тех же условиях охлаждения (табл. 3).

Таблица 3

Фазовый состав и твердость азотированного слоя на стали 12Х2Г2НМФТ после термообработки

Термическая обработка ^эфф) мм Фазовый состав Твердость, НУ А % -^ост? /и

- 0,53 а+е+у'+(Н+К)* 920 -

600 °С, 1 ч, воздух 0,53 а+е+у'+(Н+К) 920 -

650 °С, 1 ч, воздух 0,57 а^+(Н+К)+у+а' 780 15

700 °С, 1 ч, воздух 0,6 ам +(Н+К)+у+а' 700 25

750 °С, 1 ч, воздух 0,68 ам +(Н+К)+у+а' 650 50

Примечание. Азотирование при 560 °С, 40 ч. *(Н+К) - нитриды и карбонитриды.

После закалки азотированной стали 12Х2Г2НМФТ от 750 °С, 30 мин снижается наибольшая твердость поверхности - с 920 до 650 НУ (с 82 до 76 НЕЛ) и увеличивается эффективная толщина азотированного слоя - на

0,15 мм. Кроме того, заметна разница в характере распределения микротвердости: твердость мало изменяется при удалении от поверхности (до 0,4 мм), в подповерхностной зоне (0,4-0,6 мм) твердость увеличивается, а затем снижается. Это обусловлено изменением концентрации азота по сечению слоя [8].

Влияние нагрева в интервале 600-750 °С на структуру, фазовый состав и свойства азотированного слоя показано на рис. 2 и в табл. 3. Нагрев до 600 °С не приводит к изменению микротвердости, что свидетельствует о высокой теплостойкости азотированного слоя на стали 12Х2Г2НМФТ.

Значительные изменения в слое происходят при нагреве до 650 °С и выше. С повышением температуры нагрева наблюдается тенденция к снижению наибольшей твердости слоя. Так, нагрев до 650 °С приводит к снижению твердости от 920 до 780 НУ, нагрев до 700 °С - от 920 до 700 НУ. Закалка из МКИ (750 °С) снижает твердость до 650 НУ (76 НЕЛ).

Разупрочнение азотированного слоя при аустенитизации может быть вызвано коагуляцией нитридов, рекристаллизацией азотистой аж-фазы, фазовой перекристаллизацией и др., что приведет к изменению фазового состава.

Т

ОС Ь,ММ

о

Рис. 2. Распределение микротвердости по толщине азотированного слоя стали 12Х2Г2НМФТ после термической обработки по различным режимам:

1 - азотирование при 560 °С, 40 ч; 2, 3, 4, 5 - азотирование при 560 °С, 40 ч + нагрев до 600, 650, 700 и 750 °С (с выдержкой 1 ч) соответственно

Нагрев до 600 °С не приводит к изменению структуры и фазового состава, что подтверждается рентгеноструктурными исследованиями (табл. 3). Нагрев до 650 °С и охлаждение на воздухе уже обеспечивает закалку азотированного слоя. Доказательством частичной перекристаллизации служит наличие остаточного аустенита. При охлаждении образовавшийся аустенит, очевидно, претерпевает бездиффузионное у^а^-превращение. Слой на стали 12Х2Г2НМФТ после закалки от 650 °С состоит из избыточной а-фазы, нитридов, не растворившихся при нагреве под закалку, «свежего» азотистого мартенсита и остаточного аустенита в количестве 15%. Повышение температуры до 700 и 750 °С обеспечивает растворение в аустените большего количества нитридов, что способствует обогащению аустенита азотом и легирующими элементами, а также увеличивает его устойчивость. При этом увеличивается количество остаточного аустенита (25 и 50% соответственно) и толщина диффузионного слоя. Принципиальная особенность азотированного слоя на стали 12Х2Г2НМФТ - отсутствие выделений у'-фазы после закалки на воздухе со скоростью охлаждения 50-100 °С/мин (см. табл. 3). Последую-

щий отпуск при 400-450 °С, 1-2 ч, по данными рентгеновских исследований, также не приводил к выделению у'-фазы.

Обычно контроль качества азотированных деталей проводят по твердости. Однако однозначная связь между твердостью и износостойкостью азотированных сталей отсутствует [7].

Результаты испытаний на износостойкость в условиях скольжения без смазки представлены на рис 3. Закалка азотированной стали 12Х2Г2НМФТ из межкритического температурного интервала (для азотированного слоя - полная закалка), несмотря на снижение твердости, приводит к повышению износостойкости. Сопротивление изнашиванию закаленной азотированной стали 12Х2Г2НМФТ выше, чем используемой для сравнения стали 38Х2МЮА.

Рис. 3. Износ азотированных сталей 38Х2МЮА и 12Х2Г2НМФТ при сухом трении: А - сталь 38Х2МЮА, азотирование при 560 °С; 40 ч; 0 - сталь 12Х2Г2НМФТ, азотирование при 560 °С; 40 ч; о - сталь 12Х2Г2НМФТ, азотирование при 560 °С;

40 ч + закалка от 750 °С, 1 ч

Учитывая, что после закалки в азотированном слое содержится большое количество у-фазы, можно предположить, что основной причиной высокой износостойкости является деформационное фазовое превращение аусте-нита в мартенсит. Рентгеноструктурные исследования показали, что в процессе трения в результате деформационного у^а'-превращения количество остаточного аустенита на контактной поверхности уменьшается и настолько же возрастает доля а-фазы. Например, при нагрузке 65 Н образуется 10-15% мартенсита деформации (рис. 4).

а(110)

А

Рис. 4. Дифрактограммы поверхности азотированного слоя стали 12Х2Г2НМФТ ------------------------до трения; — - после трения

Таблица 4

Механические свойства сталей

Марка стали Режим термической обработки ав ^0,2 кси, МДж/м2 5 ¥ I, мм

МПа %

38Х2МЮА Азотирование при 560 °С, 40 ч 950 830 0,70 11 49 0,12

12Х2Г2НМФТ Закалка от 930 °С, 1 ч, воздух 1450 1190 0,80 13 51 -

Азотирование при 560 °С, 40 ч 1090 960 0,70 16 54 0,041

Азотирование при 560 °С, 40 ч + закалка от 750 °С, 1 ч, воздух 1380 1100 0,90 16 54 0,023

Примечание: величина износа I приведена при нагрузке 90 Н.

Таким образом, азотирование и последующая закалка из МКИ низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ позволяют получить высокие прочность, пластичность и ударную вязкость сердцевины, а также износостойкость поверхностного слоя (табл. 4), превышающую износостойкость азотированной стали 38Х2МЮА при трении без смазки.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Низкоуглеродистая мартенситная сталь 12Х2Г2НМФТ с азотированным слоем и структурой пакетного мартенсита в сердцевине после закалки из межкритического интервала температур имеет следующие свойства: ст0,2 = 1100 МПа, КСи = 0,9 МДж/м2, у = 54%, 8 = 16%.

2. При нагреве азотированной стали 12Х2Г2НМФТ под закалку на поверхности формируется азотистый аустенит, обладающий высокой устойчивостью в области диффузионных превращений и позволяющий проводить закалку с охлаждением на воздухе. В процессе охлаждения на воздухе у'-фаза не выделяется, фазовый состав поверхности - азотистые у- и мартенситная аж-фазы, нитриды и карбонитриды легирующих элементов. Закалка из МКИ после азотирования позволяет увеличить глубину азотированного слоя стали 12Х2Г2НМФТ с 0,53 до 0,68 мм в результате выравнивающей диффузии азота.

3. Высокая износостойкость диффузионного слоя на стали 12Х2Г2НМФТ обусловлена деформационным переходом азотистого аустенита в мартенсит деформации на поверхности трения.

Список литературы

1. Клейнер Л.М., Коган Л.И., Энтин Р.И. Свойства низкоуглеродистого легированного мартенсита // ФММ. - 1972. - Т. 33. - № 4. - С. 824-830.

2. Повышение теплостойкости азотируемых низкоуглеродистых мар-тенситных сталей / О.В. Силина [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1998. - № 1. - С. 17-20.

3. Югай С. С. Влияние термической обработки после азотирования на свойства стали 12Х2Г2НМФТ // Тез. докл. I Уральской школы - семинара металловедов - молодых ученых. - Екатеринбург, 1999. - С. 56-57.

4. Азотирование деталей, работающих на износ при высоких контактных нагрузках / Л.М. Клейнер [и др.] // Вестник машиностроения. - 1999. -№ 5. - С. 32-34.

5. Формирование структуры и свойств низкоуглеродистой мартенсит-ной стали 12Х2Г2НМФТ при закалке / С.С. Югай [и др.] // ФММ. - 2004. -Т. 97. - № 1. - С. 107-112.

6. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. - М.: Машиностроение, 1976. - 256 с.

7. Герасимов С. А. Прогрессивные методы азотирования. - М.: Машиностроение, 1985. - 32 с.

8. Лахтин Ю.М. Высокотемпературное азотирование // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1991. - № 2. - С. 25-29.

Получено 1.03.2010