СТРУКТУРНЫЙ ФАКТОР И КИНЕТИКА РОСТА КАРБОНИТРИРОВАННОГО СЛОЯ В СТАЛЯХ

 

Жигунов В.В., Власов В.М., Жигунов К.В., Козина Е.В.

(ТГУ, г.Тула, РФ)

 

It is shown, that the kinetics of formation nitrocarbide layer preliminary deformed steels are defined by a degree of deformation and duration of saturation. Add to technology process nitrocarburizing stabilizing tempering considerably raises thickness nitrocarbide layer and changes character of its dependence on a degree of deformation.

 

Технология получения стальных деталей обычно предполагает начальное формирование заготовки методом пластического деформирования, а для повышения служебных свойств этих деталей часто применяют химико-термическую обработку (ХТО) на основе насыщения сталей азотом и (или) углеродом. Совмещение в пределах одной технологической цепочки предварительной деформации и последующей ХТО обусловило необходимость исследования характера влияния пластической деформации на особенности процесса формирования покрытий.

Целью данной работы явилось изучение влияния деформации и отжига на кинетику процессов низкотемпературного насыщения теплостойких сталей 25Х3М3НБЦА и 30Х3МФ1 азотом и углеродом (никотрирования) и структуру формирующихся при этом диффузионных слоев.

В соответствии с рекомендациями, приведенными в работе [1], процесс никотрирования проводили при температуре 580°C в течение 2, 8 и 12 часов. Давление насыщающей среды выдерживали на уровне 1200 Па при соотношении аммиака и эндогаза в насыщающей смеси в пропорциях 30/70, 50/50, 70/30. Степени предварительной деформации ротационным обжатием составляли 5%, 10%, 20%, 30%, 40% и 50%.

При небольших временах никотрирования (2 ч) глубина диффузионных зон никотрированных сталей увеличивалась с ростом степени деформации практически монотонно (рис. 1). При длительностях процесса насыщения 8 и 12 ч и степенях деформации до 20 – 30% наблюдался, как и в предыдущем случае, рост толщины карбонитридного покрытия, в то время как при бóльших степенях пластической деформации имело место снижение скорости роста карбонитридного слоя. При содержании аммиака в насыщающей среде более 50% максимум на кривой зависимости h = F(ε) смещался в сторону больших значений степени предварительной деформации (рис. 2).

Анализ экспериментальных данных по кинетике нарастания карбонитридного слоя показал, что восходящая (до степеней деформации ε  20-30%) ветвь графика зависимости h = F(ε) может быть описана уравнением , а участок кривой, соответствующий степеням деформации, большим 20-30% (нисходящая ветвь) – уравнением , где  – эмпирические параметры.

Установлено, что показатель степени n для обеих марок сталей уменьшался по мере возрастания времени никотрировании. Это свидетельствовало о том, что эффект ускорения роста карбонитридного слоя с повышением степени предварительной пластической деформации должен снижаться при увеличении времени насыщения. Показатель степени n^*, соответствующий нисходящей ветви кривой, наоборот, закономерно возрастал по мере увеличения времени никотрирования. Это указывало на то, что уменьшение толщины карбонитридного покрытия с повышением степени пластической деформации должно быть тем больше, чем дольше продолжительность режима насыщения.

Кинетические параметры n и n^* при всех времен никотрирования для стали 25Х3М3НБЦА оказывались большими, чем для стали 30Х3МФ1, что указывало на их зависимость от химического состава образцов. В не меньшей степени влияло на степенной закон зависимости толщины слоя от степени деформации изменение состава среды никотрирования.

Для предотвращения коробления деталей в процессе ХТО было рекомендовано проведение после пластического деформирования стабилизирующего отпуска при 600˚C в течение 2-х часов. Исследование его влияния на толщину карбонитридного слоя показало, что при прочих одинаковых параметрах процесса ХТО толщина слоя значительно увеличивалась, и изменялся характер кривой ее зависимости от степени предварительной деформации. В частности, исчезал максимум на кривой зависимости  в области степеней деформации ε = 20-30%.

 

 

Рисунок 1 – Влияние степени холодной пластической деформации на толщину карбонитридного слоя h в сталях 25Х3М3НБЦА и 30Х3МФ1 при составе насыщающей среды 50% аммиака и 50% эндогаза

 

 

Рисунок 2 – Влияние степени холодной пластической деформации на толщину карбонитридного слоя h при времени насыщения 8 ч

 

Результаты электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа поверхностного слоя показали, что в нем в отсутствии стабилизирующего отпуска при всех степенях деформации наблюдались процессы полигонизации и рекристаллизации обработки, причем при степенях деформации до 20% эти процессы шли более активно. Рост и рафинирование зерен, а также формирование уже созданных дислокационных стенок осуществлялось таким образом, что они являлись путями облегченной диффузии для атомов внедрения, что приводило к активному росту карбонитридного слоя. При ε > 20% происходило формирование большого количества «клубковых» дислокационных построений, которые тормозили протекание процессов полигонизации и рекристаллизации обработки. Это не способствовало диффузии атомов азота и углерода, в результате чего происходило замедление роста глубины карбонитридного слоя и диффузионной зоны. Проведение последеформационного стабилизирующего отпуска обусловливало более полную перестройку дислокаций в четкие субграницы с образованием более совершенных по строению и бóльших по размерам субзерен, чем в случае отсутствия этой технологической операции. Наблюдалось изменение дислокационной структуры никотрируемого слоя: – из беспорядочных «клубковых» скоплений возникали однослойные полигональные сетки. Подобные регулярные дислокационные системы при насыщении закреплялись сначала примесными атмосферами, а затем – предвыделениями и выделениями, что увеличивало термическую стабильность созданного субструктурного комплекса и, как следствие, обеспечивало ускоренную диффузию атомов азота и углерода вглубь материала.

Таким образом, скорость насыщения холоднодеформированных теплостойких сталей азотом и углеродом определялась типом дислокационной структуры, сформированной в поверхностном слое до никотрирования. Предварительная деформация приводила к существенному увеличению эффективной толщины никотрированного слоя, особенно в том случае, когда перед химико–термической обработкой деформированные стали подвергались стабилизирующему отпуску при температуре ~600°C, обеспечивающему повышение термической устойчивости дислокационной структуры с высокой плотностью дислокаций, сформированной на этапе пластической деформации.

Литература

1. Зеленко В.К. Физико-механические и эксплуатационные свойства покрытий. – Тула: Изд-во ТГПУ, 1999. – 213с.