CC BY
108
УДК 669.539.43
ЦИАНИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ В АЗОТИСТО-УГЛЕРОДНОЙ ПАСТЕ
© 2015 Н. А. Костин1, Е. В. Трусова2
1канд. техн. наук,
доцент кафедры общетехнических дисциплин e-mail: nikolav-kostin@yandex.ru 2канд. техн. наук,
доцент кафедры общетехнических дисциплин e-mail: ev. trusova@yandex. ru
Курский государственный университет
Представлены результаты металлографического и дюраметрического анализов, цианированных образцов. Проведено исследование микроструктуры конструкционной стали после закалки и цианирования в азотисто-углеродной пасте.
Ключевые слова: конструкционная сталь, химико-термическая обработка, цианирование.
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 дешева, 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 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. Цианирование образцов стали 30ХГТ проводилось после стандартной закалки в азотисто-угольной пасте, состоящей из 40% железосинеродистого калия и 60% газовой мелкодисперсионной сажи (пастообразователь - 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%-ным раствором азотистой кислоты в эталоне. Просмотр и съёмку шлифов проводили на оптическом микроскопе ММР 4. Твёрдость по Виккерсу определяли на твёрдомере ТИ-7Р согласно ГОСТ 2999-75 при нагрузке 10 кг, микротвёрдость - на приборе ПИТ -3 при нагрузке 100 г.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Послойный анализ поверхности исследуемых образцов осуществляли на атомноэмиссионном спектрометре SA-2000 фирмы LECO. В основе принципа действия прибора лежит метод GD-OES, то есть атомно эмиссионной 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.
Предел выносливости образцов определяли неразрушающим вихревым 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 действительный предел выносливости металла.
Маркировка термообработки и свойства исследовательских образцов (в каждой партии исследовались по 5 образцов) представлены в таблице 1.
Таблица 1
Предел выносливости и твёрдости образцов из стали 30ХГТ
№ партии образцов Состояние образцов Предел выносливости, а-ь МПа Твёрдость HV10, 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
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: значение
микротвёрдости снижается с Нц=294 на поверхности образца до Нц=254 кгс/мм2 на удалении от поверхности образца ~250 мкм (рис. 1).
I_I 0-J
О
ГО
О. 'v
: CD сО
Е
о
о_
300
250
200
150
100
50
1111
► 1111 1 < > * *
1111
1111
1111
0
2500
500 1000 1500 2000
Расстояние от края образца, мкм
Рис. 1. Изменение микротвёрдости Н^100 по мере удалении от края образца (закалка с 880°С + цианирование при 650°С 3 часа)
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (08)
Костин Н. А., Трусова Е. В. Цианирование конструкционной стали
в азотисто-углеродной пасте
Значение микротвёрдости образцов из стали 30ХГТ в исходном состоянии (после закалки и высокого отпуска) по всему сечению образца находится в интервале Нц=233...249 кгс/мм2 .
На рисунке 2 представлены фотографии типичных микроструктур цианированных образцов. Поверхность образца после цианирования имеет ярко выраженную характерную тонкую (10.15 мкм) нетравящуюся полосу (рис. 2а), представляющую собой карбонитридный слой Fe3 (N,C), обладающий хорошим сопротивлением износу и менее хрупкий, чем чистый цементит Fe3C или нитриды Fe3N. После охлаждения в воде с температуры цианирования диффузионный слой под зоной карбонитридов представлен в основном в мартенситном состоянии (рис. 2б).
а)
б)
Рис. 2. Микроструктуры цианированной стали 30ХГТ : а) поверхность б) сердцевина (*200)
Характерный профиль распределения концентраций C и N по сечению образца представлен на рисунке 3, а концентрации элементов, полученные при исследовании цианированного образца (650°С, 3ч) методом тлеющего разряда - в таблице 2.
Таблица 2
Концентрация элементов в поверхностной зоне
цианированной (650°С, 1ч) стали 30ХГТ __________
Расстояние от поверхности, мкм С,% N,% Cr,% Mn,%
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
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Расстояние от поверхности, мкм С,% N,% Сг,% Mn,%
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
оч 20 1
§ 10-
!
1^-
I
' \
—1 \ \ \ tц=650°с т =1 ч
\ , \ Х^' \ . Т~СгJ
/Г \ ДА \ ч ч ^ х1Ю
/2М
о
5
10
15
20
Расстояние от поверхности, мкм
Рис. 3. Распределение элементов по сечению цианированного слоя стали 30ХГТ: 1 - углерод (С); 2 - азот(Щ 3- хром (Сг); 4 - марганец (Mn)
Повышенное содержание углерода и азота в поверхностном слое, как видно из результатов исследования, соответствуют зоне карбонидов на поверхности образца. Здесь следует отметить, что в данном случае, то есть в случае цианирования при температуре 650°С, процесс насыщения сдвинут в сторону цементации: повышение 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 азота. Тем не менее значительное 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.
Карбонидная 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.
Таким образом, данная технология может быть использована как для упрочнения различных деталей машин на машиностроительных предприятиях, так и для упрочнения восстанавливаемых деталей в условиях ремонтного производства. Применение азотисто-углеродистой пасты при цианировании конструкционных сталей для изготовления и восстановления деталей позволит заметно повысить их прочность и долговечность.
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (08)
Костин Н. А., Трусова Е. В. Цианирование конструкционной стали
в азотисто-углеродной пасте
Библиографический список
Колышков В.И. Эффективный метод упрочнения стали карбидами при химикотермической обработке // Технология и оборудование для новых, прогрессивных методов химико-термической обработки деталей тракторов и с.х. машин. Волгоград: НТО Машпром, 1988. C. 61-64.
Трусова Е. В., Костин Н. А., Колышков В. И. Твердость и внутренние напряжения в нитроцементованных слоях направленного металла штамповых сталей // Металлургия машиностроения. 2011. № 3. С. 44-46.
Костин Н.А. Способ нитроцементации деталей из штамповых сталей / Н.А. Костин, В.И. Колмыков, Е.В. Трусова, Д.В. Колмыков// Патент RU № 2501884 C 2 от 20.12.2013; Заявка № 2011149311/02; опубл. бюл. № 35.
