Формирование характеристик поверхностного слоя стали 50ХФА, подвергнутого азотированию в шахтной печи Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621

О. Г. Чернета, А. Н. Коробочка, А. В. Загробский

ФОРМИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СТАЛИ 50ХФА, ПОДВЕРГНУТОГО АЗОТИРОВАНИЮ В ШАХТНОЙ ПЕЧИ

Этот метод обработки позволяет получить высокие износостойкие свойства поверхности стали 50ХФА со следующими характеристиками: твердость покрытия в пределах Нц55 = 5200...6874 МПа, на глубину до = 70......80 мкм и с наличием в поверхностном слое нитридов типа Рв3Ы, Гв4М.

В настоящее время для упрочнения поверхностных слоев деталей автомобилей широко используют азотирование и методы позволяющие формировать в поверхностных слоях деталей износостойкие, нитридсодержащие структуры (лазерное легирование, ионно-плазменное азотирование и т. д., что позволяет реализовать высокую концентрацию подводимой энергии, локальность обработки поверхностного участка материала без нагрева остального объёма материала деталей и нарушения его структуры и свойств). Методы ионной имплантации позволяют вводить примесные атомы непосредственно в поверхностные слои твердых тел на существенные глубины, создавая высокие концентрации и зоны проникновения.

Азотирование образцов проводили на промышленной печи азотации ОАО "АЗОТ" г. Днепродзержинска. Печь шахтного типа с полезным объёмом 4,5 м3, выполнена в виде герметичной камеры теплоизолированной и футерованной огнеупором и снабженной электронагревателями. Процесс азотирования производился по режиму: нагрев деталей до 550-600 °С в атмосфере частично диссоциированного аммиака. Аммиак подавали в нижнюю часть через перфорированную насадку трубопровода. Нагреваясь, аммиак диссоциирует на азот и водород (ЫИ3 +Ре = Ы(Ре)+3/2Н2). Водород покидает камеру печи через выхлопную свечу, а аммиак насыщает поверхностные слои металла. Избыточное давление газообразного аммиака поддерживали на уровне 0,3 МПа. Азотирование проводили в течении 96 часов при температуре 520 °С. Диссоциация аммиака в первые 10 часов составляла 23-30 %, в остальное время - 70 %. Для исследования использовали заготовки из стали 50ХФА.

Исходная микроструктура стали 50ХФА, подвергнутая азотированию в поперечном сечении на расстоянии от поверхности около 1 мм, представляет собой феррит с дисперсными вкраплениями цементита (рис.1, а).

Рис. 1. Исходная микроструктура (а) и торец детали (б) из стали 50ХФА, подвергнутые азотированию, х1000

В табл. 1 приведены усредненные значения микротвердости Н0^ азотированного образца, полученные измерением её значений по глубине. Микротвердость сердцевины азотированного образца из стали 50ХФА составила Н ^50^ =2932 МПа, что, как следует из таблицы 1 приблизительно в 2 раза ниже твердости химико-термической обработки. На рис. 2 приведена графическая зависимость микротвердости азотированных образцов в зависимости от толщины азотированного слоя.

Наблюдаемый на рис. 2 характер изменения микротвердости обусловлен особенностями структуры азотированных образцов. Анализ микроструктуры азотированных поверхностных слоев образцов показал, что структура состоит из протяжен-

© О. Г. Чернета, А. Н. Коробочка, А. В. Загробский 2006 г.

а

б

ных участков светлой составляющей с прожилками, распространяющихся вглубь образцов (рис. 1, б).

Рентгенодифрактометрический анализ азотиро-

Таблица 1 - Микротвердость стали 50ХФА, подвергнутой азотированию

Расстояние от поверхности, мм Микротвердость Нсред МПа

0,00 6874±23

0,02 6423±12

0,04 5384±27

0,06 5296±29

0,08 5060±24

0,12 4913±13

0,16 4844±17

0,24 4638±19

0,32 4325±25

0,40 4099±28

0,50 3501±24

0,60 2932±18

0,70 2834±26

Сердцевина 2932±23

1к>.Н1Ь

■ II I

F j t ici мр л 1Р.ГЛ1Л i п 111 зш

Рис. 2. График распределения микротвердости азотированных образцов

ванной поверхности образца (рис. 3), свидетельствует о том, что интенсивность линии (110) a-Fe (феррита), самой интенсивной в дифракционном спектре чистого железа, в азотированном образце выражена слабо.

Наибольшую интенсивность имеют дифракционные линии высокоазотистой фазы Fe3N (рис. 3).

Интенсивность линий, соответствующих фазе Fe4N, свидетельствует о ее меньшей объемной доле в поверхностном слое. Из этого следует, что азотирование обеспечивает формирование в поверхностном слое стали 50ХФА двух высокоазотистых фаз - Fe3N и Fe4N, которые в виде сплошных полей и массивных прожилок обусловливают высокую твер-

» Е =¡ _ -г-г

.'5

Рис. 3. Дифрактограмма азотированной поверхности стали 50ХФА

дость поверхностного слоя азотированного образца (Н = 6870 МПа для поверхности и Н =

4100......4200 МПа на расстоянии 0,4мм от неё).

Повышенная микротвердость по сравнению с сердцевиной подповерхностного слоя азотированного образца на глубине до 0,5...0,6 мм (рис. 2) связана с диффузионным насыщением матрицы металла азотом, сопровождающимся образованием изолированных частиц высокоазотистых фаз (FeзN и Fe4N) и азотистого феррита. Расстояние от поверхности равное 0,5......0,6 мм является предельным

для проникновения азота в металл при выбранных режимах азотирования. Поэтому начиная с этого расстояния уровень значений микротвердости становится характерным для оттожженной стали

50ХФА с феррито-цементитной матрицей (Н^5еед =

2850......3000 МПа). Исходная структура стали

50ХФА является ферритно-цементитной, а фазовые и структурные превращения в этой стали при охлаждении после нагрева в у-область однозначно описываются в справочной литературе [1] изотермическими и термокинетическими диаграммами превращения аустенита (рис. 4).

В зависимости от скорости охлаждения аусте-нит в стали рис. 4 следует, что в зависимости от скорости охлаждения аустенит в стали 50ХФА распадается с образованием структур ферритно-пер-литного или бейнитно-мартенситного типов [2-3].

Выводы

Установлено, что азотирование приводит к образованию диффузионного слоя толщиной от 0,6......0,8 мм с более высокими показателями твердости чем основной материал, что обусловлено образованием в поверхностном слое высокотвердых сплошных слоев нитридов FeзN и Fe4N с прожилками, направленных вглубь основного металла.

Рис. 4. Диаграмма состояния системы Ре-Ы1 [3]: а - Бе - азотистый феррит - твердый раствор азота в а - Бе ; у-Бе - азотистый аустенит - твердый раствор азота в у-Бе;

у -Бе - нитрид железа Ре4Ы - область гомогенности при 590 °С - 5,3......5,75 % (по массе);

е - нитрид железа Ре3Ы - область гомогенности при 20 °С - 8,1......11,07 % (по массе);

нитрид железа Ре2Ы - область гомогенности - 11,07......11,18 % (по массе)

Список литературы

1. Попов А.А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада охлажденного аустенита. Справочник термиста. - М.: МашГиз, 1961. - С. 480.

2.

3.

Нестеренко А.М. Кристаллизация и структура карбидных фаз легированных железоуглеродистых сплавов. Дис. канд. техн. наук: 01.04.13. - М, 1975. - С. 85-94.

Х. Дж. Гольдшмидт. Сплавы внедрения. - М.: "Мир", 1971. - С. 163, 331.

Поступила в редакцию 15.05.2006 г.

Цей метод обробки дозволяе одержати висок зносостйю властивост'1 поверхнi стал i 50ХФА з наступними характеристиками: meepdicmb покриття в межах

Hц55 = 5200...6874 МПа, з глибиною до h = 70......80 мкм i з наявнстю у поверхневому

шар '1 нiтридiв типу Fe3N, Fe4N.

This method of treatment gives high wear-resistant properties to surface of steel 50HFA and following coating characteristics: the hardness of coating - H ц55 = 5200...6874 MPa by coating depth of h=70......80 mkm with structure on surface by nitrics Fe3 N, Fe4 N.