ИССЛЕДОВАНИЕ  ОСОБЕННОСТЕЙ  ФОРМИРОВАНИЯ  СТРУКТУРЫ  ДИФФУЗИОННОГО  СЛОЯ  ПРИ  ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ  НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ  СТАЛИ

Семенова  Лидия  Михайловна

д-р  техн.  наук,  профессор  ВолгГТУ,  г.  Волгоград

Бахрачева  Юлия  Сагидулловна

канд.  техн.  наук,  доцент  Волгоградского  филиала  МИИТ,  г.  Волгоград

E-mail: 

RESEARCH  OF  FEATURES  OF  FORMATION  OF  STRUCTURE  OF  THE  DIFFUSIVE  LAYER  AT  THERMOCYCLIC  NITROCEMENTATION  OF  STEEL

Semenova  Lydia  Mikhaelovna

Doctor  of  Technical  Sciences,  Professor  of  Volgograd  State  Technical  University,  Volgograd

Julia  Bakhracheva

Candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  Professor  of  Moscow  State  Transport  University  (MIIT),  the  Volgograd  branch,  Volgograd

АННОТАЦИЯ

Показана  возможность  управления  структурой  и  свойствами  диффузионного  слоя  при  термоцикличской  нитроцментации  стали. 

ABSTRACT

Possibility  of  management  is  considered  by  structure  and  properties  of  a  diffusive  layer  at  a  thermocyclic  carbonitriding  of  steels.

Ключевые  слова:  термоцикличская  нитроцментация,  многокомпонентная  диффузия,  микроструктура  диффузионного  слоя.

Keywords:  thermocyclic  carbonitriding,  multicomponent  diffusion,  microstructure  of  a  diffusive  layer.

В  последние  десятилетия  на  основе  синергетического  подхода  разрабатываются  новые  технологии  управления  структурой  и  свойствами  материалов.  Одним  из  таких  методов  является  химико-термическая  обработка  стали.  Особенно  ярко  нелинейные  эффекты  проявляются  на  стадии  многокомпонентной  диффузии.  Наиболее  перспективным  следует  считать  применение  процессов  нитроцементации,  в  которых  используются  переменные  технологические  параметры,  приводящие  к  дестабилизации  равновесия  между  сталью  и  технологической  атмосферой.  Поэтому  представляет  большой  научный  и  практический  интерес  исследование  особенностей  формирования  структуры  и  свойств  диффузионных  слоев  в  условиях  дестабилизации  равновесия  между  сталью  и  газовой  средой.  Знание  качественных  и  количественных  закономерностей  формирования  структурно-фазовых  состояний  при  нитроцементации  лежит  в  основе  усовершенствования  технологий  химико-термической  обработки,  повышающей  износостойкость  и  прочность  изделий.

Периодическое  изменение  температуры  процесса  сопровождается  изменением  растворимости  углерода,  азота  и  легирующих  элементов  в  аустените,  что  приводит  к  появлению  дополнительных  потоков  в  системе.  Происходит  выделение  избыточных  фаз  при  охлаждении  в  виде  карбонитридов,  которые  обедняют  аустенит  углеродом,  азотом  и  увеличивают  поступление  углерода  и  азота  из  атмосферы  в  металл  при  последующем  нагреве.  Изменение  удельного  объёма  системы  из-за  образования  новых  фаз  приводит  к  повышению  концентрации  дефектов  кристаллического  строения,  в  результате  чего  активизируются  процессы  диффузионного  переноса  углерода  и  азота  в  стали.  Происходит  изменение  общей  концентрации  диффундирующих  элементов,  усложнение  диффузионных  потоков,  что  приводит  к  значительным  структурным  и  фазовым  изменениям,  возникновению  напряжений  и  их  частичной  релаксации,  генерации  и  стоков  дислокаций  и  повышение  плотности  неравновесных  вакансий,  возрастанию  внутренней  энергии  системы,  измельчению  зерна  аустенита  и  мартенситных  кристаллов,  увеличению  межзёренного  объёма  и  включению  электронной  подсистемы  в  процесс  структурообразования  [1]. 

Технологическая  атмосфера  при  нитроцементации  оценивается  двумя  параметрами:  углеродным  и  азотным  потенциалом.  Азотный  потенциал  обеспечивается  введением  в  печное  пространство  аммиака.  Особенностью  его  является  термическая  нестабильность  (табл.  1).  При  температурах  выше  700⁰С  аммиак  диссоциирует  на  азот  и  водород:

2NH₃  =N₂+  3H₂

Таблица  1.

Остаточный  аммиак  в  атмосфере  печи  [2]

Широкий  интервал  значений  в  содержании  остаточного  аммиака  свидетельствует  о  том,  что  помимо  температуры  на  степень  диссоциации  влияют  и  другие  технологические  факторы:  общее  количество  аммиака,  вводимое  в  печное  пространство,  скорость  его  движения  в  печи.  Чем  больше  аммиака  вводится  в  печь,  тем  больше  количество  недиссоциированного  аммиака  сохраняется  в  атмосфере.  Чем  интенсивнее  циркуляция  атмосферы,  тем  больше  количество  остаточного  аммиака  в  печи.  Более  низкие  температуры  нитроцементации  по  сравнению  с  цементацией  позволяют  накапливать  углерод  в  поверхностной  зоне  слоя  и  формировать  классическую  мартенситно-карбидную  структуру  поверхностной  зоны,  используя  автоматическое  регулирование  углеродного  потенциала  технологической  атмосферы.

Общим  для  систем,  обладающих  свойством  самоорганизации,  является  взаимодействие  большого  числа  подсистем,  приводящее  к  коллективным  эффектам  с  характерными  пространственными  масштабами,  существенно  превосходящими  размеры  отдельных  подсистем.  При  изменении  определённых  условий  или  управляющих  параметров  в  системе  могут  образовываться  качественно  новые  структуры  в  макроскопическом  масштабе.  Такие  системы  способны  находиться  в  различных  устойчивых  состояниях,  поддерживаемых  за  счёт  непрерывного  притока  вещества  или  энергии  в  систему.  Следствием  этого  является  развитие  неустойчивости  разных  масштабов,  возникающей  в  результате  конкуренции  стабилизирующих  и  возмущающих  эффектов.  В  результате  в  системе  возникают  крупномасштабные  корреляции,  то  есть  происходит  самоорганизация,  а  сама  система  приобретает  неоднородное  распределение  параметров  (тепла,  деформаций,  повреждений,  концентраций  и  т.  д.).  Этот  процесс  обретения  системой  неоднородностей  самоподобен  и  распространяется  на  другие  масштабы,  что  приводит  к  появлению  у  системы  принципиально  новых  свойств.

Металлографические  исследования  показали,  что  после  ХЦТО  в  интервале  температур  650—700⁰С  через  3  цикла  микроструктура  поверхностной  зоны  состоит  из  крупных  зерен  феррита  и  мелких  зерен  цементита  размером  около  0,004  мм.  Непосредственно  на  поверхности  наблюдается  тонкая  цементитная  корочка,  толщиной  0,005  мм  (рис.  1). 

Рисунок  1.  Структура  диффузионного  слоя  20Х  после  термоциклической  нитроцементации  Х400:  а)  три  цикла  по  схеме  700—650⁰  С;  б)  три  цикла  по  схеме  800—650⁰  С

Как  видно  из  рисунка,  происходит  заметная  диффузия  углерода  в  феррите  с  формированием  выделений  цементита  внутри  ферритных  зёрен  при  температурах  ниже  эвтектоидного  превращения.  При  температуре  верхней  границы  цикла  выше  температуры  эвтектоидного  превращения  увеличивается  число  перлитных  зёрен.

Зерна  феррита,  примыкающие  к  поверхности,  имеют  повышенную  травимость.  В  этих  зернах  и  в  зернах  перлита  четко  видны  мелкие  включения  цементита  округлой  и  неправильной  формы  размером  до  0,001  мм.  Как  видно  из  результатов  исследований,  диффузия  углерода  при  температурах  650—750⁰С  осуществлялась  как  по  границам  зерен,  так  и  непосредственно  через  зерна  феррита  и  аустенита.

Повышение  температурного  интервала  циклирования  до  700—800⁰С  приводит  после  3-х  циклов  к  появлению  на  поверхности  под  цементитной  корочкой  сплошной  перлитной  полосы  (рис.  1  б).  Границы  между  ферритными  зернами  утолщаются,  на  них  появляются  мелкие  округлые  выделения  избыточной  фазы,  такие  же  выделения  формируются  внутри  ферритных  зерен. 

Изменение  температуры  в  интервале  выше  и  ниже  перлитного  превращения  приводит  к  двухфазной  структуре  аустенитно-ферритной  при  верхней  температурной  границе  циклирования  и  двухфазной  структуре  феррито-цементитной  при  нижней  температуре  процесса.  В  этом  случае  возможно  появление  повышенных  напряжений  вследствие  структурных  превращений  и  замедления  протекания  релаксации  в  связи  с  низкой  температурой  процесса.

Список  литературы:

1.Шапочкин  В.И.,  Семенова  Л.М.,  Бахрачева  Ю.С.  Нитроцементация  в  условиях  периодического  изменения  состава  атмосферы  //  Материаловедение.  —  2010.  —  №  8.  —  С.  52—58.

2.Шапочкин  В.И.,  Семенова  Л.М.,  Бахрачева  Ю.С.,  Гюлиханданов  Е.Л.,  Семенов  С.В.  Влияние  содержания  азота  на  структуру  и  свойства  нитроцементованной  стали  //  Металловедение  и  термическая  обработка  металлов.  —  2010.  —  №  9.  —  С.  12—18.