Исследование процессов структурообразования триботехнических слоев никотрированных конструкционных сталей в условиях “сухого” трения

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СЛОЕВ НИКОТРИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ “СУХОГО” ТРЕНИЯ

RESEARCH OF PROCESSES STRUCTURE FORMATION TRIBOTECHNICAL OF LAYERS NITRIDING CONSTRUCTIONAL STEELS IN CONDITIONS OF “DRY” FRICTION

Маленко П.И. (ТулГУ, г. Тула, РФ)

Malenko P.I. (Federal state budget educational establishment maximum vocational training “The Tula state university”, Tula, Russian Federation)

В статье представлены результаты исследований процессов структурообразования поверхностных триботехнических слоев никотрированной конструкционной стали 25ХЗМЗНБЦА с использованием технологии статического окисления.

In clause the results of researches of processes structure formation superficial tribotechnical f layers nitriding of constructional steel 25ХЗМЗНБЦА with use of technology of static oxidation are submitted.

Ключевые слова: никотрирование, статическое окисление, сталь, фазы, трение.

Keywords: nitriding, static oxidation, steel, phases, friction.

Никотрирование сталей позволяет в значительной степени улучшить их эксплуатационные характеристики и, в первую очередь, износостойкость и антифрикционность [1,2]. В результате никотрирования на поверхности деталей формируется одно- или двухфазный слой, характеризуемый соответствующими показателями скорости изнашивания и коэффициента трения [3].

Традиционно прогнозирование долговечности никотрированных покрытий осуществлялось по исходным, то есть статическим, характеристикам ε и γ^/-карбонитридных фаз. Такой подход не является корректным, так как в процессе трения нитриды (Ме_mC_n) и карбонитриды Me_m(N,C)_n вступают во взаимодействие с окружающей средой и в значительной степени химически модифицируются или даже совершенно исчезают.

Были проведены эксперименты по статическому окислению никотрированной конструкционной стали 25ХЗМЗНБЦА с использованием технологии оксимолибденирования [4]. Процесс никотрирования осуществляли по известному рациональному режиму в течение 8 часов при температуре 580 ⁰С в равнопорциальной насыщающей смеси на основе аммиака и эндогаза. Статическое окисление при оксимолибденировании проводили при температуре 580 ⁰С в парах водного раствора молибдената аммония. Исследовали 7 различных режимов окисления в зависимости от расхода реагента q и времени окисления τ_окисл (табл. 1).

Основными фазами в исходном состоянии в структуре карбонитридного слоя и подповерхностного среза диффузионной зоны являются: раствор азота и углерода в α-Fe; карбиды хрома (Cr₇C₃) и железа (Fe₃C), карбонитрид Fe₃(N,C) и нитриды Fe_2-3N (ε-фаза) и Fe₄N (γ^/-фаза).

Таблица 1-Режимы статического окисления никотрированной стали 25ХЗМЗНБЦА

Номер режима окисления	Расход водного реагента молибдената q, г/мин	Длительность окисления τ_окисл, мин
Режим №1	30	20
Режим №2	60	20
Режим №3	30	40
Режим №4	60	40
Режим №5	30	60
Режим №6	60	60
Режим №7	90	60

В таблицу 2 сведены данные по содержанию нитридных, оксидных и карбонитридной фаз в поверхностных слоях для каждого режима окисления.

Таблица 2-Содержание основных фаз в статически окисленных никотрированных покрытиях на стали 25ХЗМЗНБЦА

Режим обработки поверхностного слоя

Основные фазы поверхностного слоя

a-Fe

Fe₃C

Cr₇C₃

Fe₃(N,C)

Fe₂N

Fe₂-₃N

Fe₄N

Fe₃O₄

Fe₂O₃

Fe₃N

FeO

Mo₈O₂₃

Никотрирование

Окисление по №2

Окисление по №3

max

Окисление по №4

max

Окисление по №5

max

Окисление по №6

max

Окисление по №7

max

Результаты статического окисления показывают, что во всех случаях окисления никотрированного слоя основной фазой является магнетит Fe₃O₄. Кроме того, на всех режимах оксимолибденирования формируется также гематит Fe₂O₃, содержание которого по сравнению с магнетитом в 10 раз меньше (табл. 3).

Как видно из таблицы 3 максимальное количество магнетита Fe₃O₄ (в таблице обозначено символом *) образуется в поверхностном слое после обработки по режимам №3, №4 и №5. При этом микротвердость с поверхности принимает также наибольшие значения от 3300 до 5600 МПа. Меньшее содержание Fe₃O₄-фазы в покрытиях (режимы №1, №6 и №7) способствует, как правило, снижению микротвердости на поверхности до 2500...3000 МПа. В окисленных слоях, полученных по режимам №6 и №7, как показал анализ интенсивности дифракционных линий, основной фазой является уже не магнетит, а гематит Fe₂O₃ (табл. 2).

Таблица 3-Относительное содержание оксидов железа и микротвердость в статически окисленном никотрированном слое на стали 25ХЗМЗНБЦА

Номер режима окисления	Относительное содержание оксидов железа				Поверхностная микротвердость H_à, МПа
	Fe₃O₄-магнетит		Fe₂O₃-магнетит
	Индексы дифракционной линии
	(200)	(422)	(112)	(202)
Режим №1	25	20	15	10	3100
Режим №2	35	15	15	10	4300
Режим №3	50^*	20	10	15	5600
Режим №4	45^*	30	15	20	4000
Режим №5	55^*	30	20	20	3300
Режим №6	20	20	55	30	2500
Режим №7	40	25	45	35	2900

Анализ фазового состава “третьего тела”, формирующегося при “сухом” трении никотрированной стали 25ХЗМЗНБЦА показал, что при жестких режимах изнашивания (соответственно >2,0) на микроконтактах поверхности трения происходит интенсивное образование окисных пленок преимущественного состава Fe₃O₄-соединения. При этом возможно кратковременное появление в самом начале трения “белых слоев” толщиной до 2 мкм. В более глубоких слоях формируется срез измельченной структуры, толщина которого с увеличением нормальной нагрузки закономерно возрастает от ~3 мкм до 20...30 мкм и более. Повышение силового σ_k-параметра приводит к размытию границы между зоной с интенсивно измельченной структурой и основой. С другой стороны, протекают процессы окисления ранее сформированного “белого слоя”.

Анализ структур окисленного по режиму №3 никотрированного слоя позволяет констатировать, что оксимолибденирование уменьшает толщину карбонитридного слоя до 8...10 мкм. Причем окисление распространяется на глубину порядка ~6 мкм. Оксидирование по режиму №1 позволяет сохранить больше карбонитридной фазы и, соответственно, толщину никотрированного покрытия на уровне ~15 мкм. Окисление поверхностного среза менее выражено, количество дефектов в окисленной зоне наименьшее. Толщина карбонитридного слоя после обработки по режиму №5 статического окисления минимальная, причем слой утоняется до 2...5 мкм. Наиболее активно “рассасывание” нитридов протекает по границе покрытия и диффузионной зоны.

Таким образом, в процессе статического окисления карбонитридный слой претерпевает следующие физические изменения:

- окисляется с поверхности в контакте с газовым реагентом;

- рассасывается по границе с диффузионной зоной за счет разложения γ^/- и ε-фаз нитридного слоя и диффузии элементов (в том числе и кислорода) вглубь диффузионной зоны. Скорость рассасывания “белого слоя” в связи с возможным повышением температуры термооксидирования составляет ~0,49 мкм/⁰С.

В процессе оксимолибденирования диффузионная зона также окисляется, приобретает характерное волокнистое строение и утоняется. Максимальное окисление достигается при температуре процесса ~610 ⁰С, минимальное - при 520 ⁰С. Толщина утоненной диффузионной зоны h^* составляет: для 3-го режима ~80 мкм; 1-го - 66 мкм и 5-го режима - 50 мкм. Скорость утонения диффузионной зоны с повышением температуры составляет ~0,37 мкм/⁰С.

Заключая анализ возможных фазовых переходов при статическом окислении никотрированных (ε+γ^/)-слоев путем оксимолибденирования, можно отметить следующее.

1. Окисление карбонитридного слоя происходит вследствие растворения Fe₄N(γ^/)-фазы и формирования на ее основе метастабильной FeO-фазы. Последняя при температурах процесса ниже 570 ⁰С или медленном охлаждении может трансформироваться в окислы Fe₃O₄, а при более высоких температурах и в Fe₂O₃. Термодинамически Fe₄N®FeO®Fe₃O₄возможен, так как энергия образования соединений с азотом почти в 2 раза больше, чем кислородных соединений.

2. Окисление границ между карбонитридным слоем и диффузионной зоной и самой диффузионной зоны происходит также через FeO-фазу, формирование феррита и его последующее окисление.

Список использованных источников

1. Семенова, Л. М. Современное состояние и опыт внедрения процессов химико-термической обработки [Текст] /Л. М. Семенова, А. В. Пожарский, А. М. Мешков // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1987. - № 5. - C. 12-14.

2. Власов, В. М. Структура и свойства никотрированных хромомолибденванадиевых сталей [Текст] / В. М. Власов, П. И. Маленко; ТулГУ. - Тула, 1995. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 03.03.95, № 608-В95.

3. Лахтин, Ю. М. Азотирование стали [Текст] / Ю. М. Лахтин, Я. Д. Коган. - М.: Машиностроение, 1976. - 156 с.

4. Власов, В. М. Механизмы порообразования в диффузионных зонах стали 25ХЗМЗНБЦА при никотрировании [Текст] / В. М., Власов, И. М. Симиновский // Внутреннее трение и дислокационная структура металлов. -Тула. - 1990. - C. 195-198.