CC BY
23
УДК 669.14.18.296
РАЗРАБОТКА НАСЫЩАЮЩЕЙ СРЕДЫ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМАХ
© 2016 Е. В. Трусова
канд. техн. наук, доцент кафедры общетехнических дисциплин e-mail: ev. trusovaa,yandex.ru
Курский государственный университет
В работе рассмотрены результаты экспериментальных исследований по разработке азотисто-углеродистой пасты при высоких и низких температурных режимах, распределение углерода и азота в нитроцементованных слоях стали. Описаны стадии насыщения стали азотом и углеродом
Ключевые слова: инструментальные стали, упрочнение, штамповый инструмент
Ускоренное насыщение стали при упрочнении штампов, особенно восстановленных наплавленными покрытиями, также является важным требованием, предъявляемым к насыщающей среде, которую предполагается использовать в ремонтном производстве. Этим требованиям в наибольшей мере отвечает азотисто-углеродистая среда повышенной активности, обеспечивающая интенсивный приток атомов углерода и азота в поверхностные слои упрочняемых штамповых инструментов.
Процесс совместного насыщения стали азотом и углеродом, что имеет место при нитроцементации, принципиально отличен как от процесса чистого науглероживания (цементации), так и от процесса азотирования. Это связано с взаимодействием элементов внедрения (азота и углерода) в твёрдом растворе.
Углерод и азот в кристаллической решётке железа влияют друг на друга своей термодинамической активностью, изменяя коэффициенты диффузии друг друга и тем самым изменяя скорость насыщения стали. В экспериментальной работе было установлено закономерное явление, состоящее в том, что в образцах, нитроцементованных в атмосферах с одинаковой добавкой аммиака (азота), но с различным науглероживающим потенциалом, содержание азота в диффузном слое снижается сразу с ростом содержания углерода в диффузном слое. Причину этого явления можно видеть только в том, что углерод повышает термодинамическую активность азота в аустените, выражающуюся в вытеснении его в глубину изделия перед фронтом диффузии углерода.
Вытеснение азота происходит вследствие подобия кристаллического строения твёрдых растворов азота и углерода в железе. Можно считать установленным, что с увеличением содержания углерода коэффициент диффузии азота в стали снижается, а коэффициент диффузии углерода с увеличением содержания азота в стали повышается. Ускорение насыщения и повышение интенсивности диффузии углерода в стали объясняется совокупностью физико-химических процессов, протекающих в насыщающей среде и в нитроцементационном слое.
Одновременная диффузия углерода и азота в аустените изучена к настоящему времени недостаточно. Тем не менее имеются отдельные экспериментальные исследования, которые дают некоторое представление об этом процессе. Согласно
представлению о взаимном вытеснении углерода и азота можно предположить, что при одновременной диффузии азота и углерода ускоряется диффузия обоих элементов.
Распределение углерода и азота в нитроцементованном слое зависит от условий их совместной диффузии в сталь. При высокотемпературной (традиционной газовой) нитроцементации обычное содержание азота в диффузионном слое составляет ~ 1% С, а наиболее эффективное содержание азота ~ 0,3% N. В этих условиях углерод диффундирует в сталь при значительно большем градиенте, чем азот, и проникает в металл на большую глубину. Кроме того, скорость диффузии углерода в аустените выше, чем скорость азота, что ещё больше благоприятствует предпочтительному науглероживанию стали, при высоких температурах нитроцементации.
На рисунке 1 представлено распределение углерода и азота в хромомарганцевых сталях типа 18ХГТ и 35 ХГТ, нитроцементованных в атмосфере с науглероживающим потенциалом 0,95% С и потенциалом азотирования 0,3...0,35% N при температуре 860° С в течение 70 мин. Из этого рисунка хорошо видно, что на распределение углерода и азота по сечению диффузионного слоя заметное влияние оказывает исходное содержание углерода в стали. С ростом содержания углерода в сердцевине градиент углерода в слое снижается, а эффективная глубина слоя увеличивается.
0,2 ОА 0,6 Глубинаслоя, мм
Рис. 1. Распределение углерода и азота в нитроцементованных слоях хромомарганцевых сталей
Приведенный выше анализ относится к высокотемпературным процессам, однако при совместном насыщении стали азотом и углеродом появляется возможность значительно снизить температуру нитроцементации.
Изучение характера концентрации углерода и азота в предварительно азотированном порошке при науглероживании его при температуре 650°С показало, что зависимость концентрации азота от концентрации углерода имеет линейный характер при построении проекции кривой насыщения. Таким образом, можно считать, что преимущественная диффузия в сталь углерода лимитирует насыщение стали азотом, и наоборот.
Математически эта зависимость выглядит следующим образом:
NFe = Р ' e
-qCFe
(3.7)
где ^е и СБе - концентрации азота и углерода на поверхности стали; р и д- коэффициенты.
В свою очередь, концентрации (активности) азота и углерода в поверхностном слое зависят от парциального давления этих элементов над поверхностью стали.
Парциальное давление азота и углерода зависит от интенсивности генерирования их в насыщающей среде, что определяется составом этой среды и температурой процесса.
Кинетика насыщения стали азотом и углеродом при нитроцементации определяется, главным образом, температурой процесса. По современным представлениям, механизм формирования нитроцементованного слоя следующий. Атомы азота и углерода из внешнего источника (насыщения среды), попадая в сферу действия поверхностных сил стали, взаимодействуют с атомами металла и адсорбируются силами связи кристаллической решётки. При низких температурах процесса, когда исходная структура стали представлена ферритом и цементитом, азот и углерод проникают в решётку феррита, располагаясь в порах (пустотах) между металлическими атомами. Карбидная фаза (цементит) исходной структуры не участвует в диффузионном процессе, поскольку октаэдрические пустоты в кристаллической решётке карбида железа уже заняты атомами углерода и новым атомам разместиться негде. Поэтому основной диффузионный поток элементов из насыщающей среды проходит через феррит.
Растворимость обоих металлов (азота и углерода) в феррите относительно мала. При температуре 550°С предельное содержание углерода в феррите составляет 0,005...0,01%, а предельное содержание азота - 0,03%. При такой незначительной растворимости достаточно появиться на поверхности самому незначительному количеству атомов азота и углерода, чтобы в тонком наружном слое, измеряемом 2.3 атомными слоями, установилось предельное насыщение феррита. Это достигается практически мгновенно, как только появляется реакционный контакт между металлом и металлоидами.
Дополнительное количество азота и углерода, выше предела насыщения, поступающее в сталь из внешней среды, вступает в химическую реакцию с железом и легирующими элементами и образует новую фазу (карбонитрид). Возникновение новой фазы сопровождается перекристаллизацией системы, которая начинается от центров на поверхности, где имеются высокие уровни свободной энергии (активные центры), на дефектах решетки, на границах зерен и др. Здесь происходит накопление диффундирующих элементов до концентрации, соответствующей новой фазе, и возникают зародыши новой фазы.
С образованием зародышей карбонитридной фазы на поверхности стали, с концентрацией металлоидов выше минимальной, будет происходить дальнейшее насыщение стали и повышение концентрации азота и углерода на наружной (обращенной к насыщенной среде) поверхности зародышевого участка до максимального, с одновременным увеличением размеров этих участков. Таким образом, на втором этапе нитроцементации происходит развитие участков новой фазы в основном вдоль поверхности стали до взаимной встречи и происходит образование тонкого карбонитридного слоя. На внутренней границе карбонитридного слоя концентрация азота и углерода при этом сохраняется равной их минимальной концентрации в карбонитридной фазе.
На третьем этапе нитроцементации, с момента образования слоя и установления на его границах предельных концентраций, диффузионный процесс начинает идти фронтально - от поверхности к сердцевине изделия. Движущей силой этого процесса является градиент концентраций диффундирующих элементов, возникающий между насыщаемой поверхностью и внутренним слоем. При этом диффузия из внешней среды в глубь металла протекает через слой карбонитридной фазы, сформировавшийся на поверхности. Последнее обстоятельство оказывает большое влияние на ход процесса, так как скорость диффузии через химическое соединение гораздо меньше, чем в твердом растворе.
При нитроцементации сталей в интервале температур 600 ... 650°С (при одновременном насыщении азотом и углеродом) наблюдается быстрый рост диффузионных слоёв, на поверхности которых образуются толстые корки карбонитридов (рис. 2, а). Эти корки имеют сложное строение и состоят из двух зон -поверхностной, представленной карбонитридом, изоморфным с цементитом, и внутренней, представленной гексагональным карбонитридом 8. Под коркой карбонитридов имеется довольно толстый слой твёрдого раствора, обогащённого азотом и углеродом, что свидетельствует о довольно интенсивной диффузии этих элементов через сплошной слой карбонитридов.
Что касается диффузии азота и углерода через карбонитрид 8, то она объясняется широкой областью гомогенности этого карбонитрида - от Бе2(СК) до Бе3(СК). Вопрос диффузии названных элементов через слой карбонитрида, изоморфного с цементитом, неочевиден и требует изучения.
При насыщении стали одним углеродом (цементации) такое явление, как рост цементной корки, наблюдается. Стоит образоваться на поверхности цементируемой стали тонкого слоя карбида железа Бе3С, как интенсивность науглероживания резко снижается и цементация практически прекращается (рис. 2, б).
Рис. 2. Микроструктуры (*250) диффузионных слоёв нитроцементованной (а) и цементованной (б) стали 30Х. Температура обработки 650°С, длительность - 6 ч
Роль азота, который поступает в сталь вместе с углеродом, состоит в расширении области гомогенности карбонитрида с решёткой цементита по углероду. На внутренней границе карбонитридной корки азот, благодаря высокой подвижности, проявляет более высокую активность, чем углерод, а на внешней границе, благодаря высокой науглероживающей способности атмосферы, более высокой активностью обладает углерод. Поскольку в решётке цементита атомы азота и углерода замещают друг друга, создаются условия для установления существенной разницы концентраций углерода на внешней и внутренней границах карбидной корки. В результате этого увеличивается скорость диффузии углерода через корку карбонитрида.
По мере повышения температуры нитроцементации толщина карбонитридной зоны на поверхности стали уменьшается, а её сплошное состояние нарушается (образуются отдельные фрагменты). Уменьшение толщины карбонитридной корки по
мере роста температуры связано с тем, что поступление углерода и азота из насыщающей атмосферы увеличивается медленнее, чем скорость диффузии этих элементов в глубину стали.
При определенной для данных условий температуре всё поступающее из насыщающей среды количество азота и углерода диффундируется в глубину изделия, формируя толстый слой азотистого аустенита и не образуя корки или карбонитридных включений. Такие условия для многих сталей наступают при температурах выше 850°С.
Библиографический список
Трусова Е.В., Костин Н.А., Колмыков В.И. Твердость и внутренние напряжения в нитроцементованных слоях направленного металла штамповых сталей // Металлургия машиностроения. 2011. № 3. С. 44-46.
Костин Н.А., Трусова Е.В. Исследование насыщающей способности азотирующей пасты при низких и высоких температурах нитроцеменации штамповой стали // Ученые записки. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2013. №1 (25). URL: www.scientific-notes.ru/pdf/029-004.pdf (дата обращения: 13.09.2016).
Способ нитроцементации деталей из штамповых сталей: патент № 2501884 от 20.12.13; заявитель: ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет», Авторы: Н.А. Костин, Е.В. Трусова, В.И. Колмыков, Д.В. Колмыков.
