CC BY
54
УДК 621.785.53
ПОВЫШЕНИЕ ЖАРОПРОЧНОСТИ СТАЛИ 5ХНВ ЗА СЧЕТ ВНУТРЕННЕГО АЗОТИРОВАНИЯ А.Г.Костаношвили1, А.В.Высоцкая2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Для обеспечения длительной прочности и жаростойкости пресс-форм, изготовленных из сплава 5ХНВ, был исследован метод внутреннего азотирования в условиях высоких рабочих температур и механических нагрузок для получения изделий с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности. Ил. 4. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: внутреннее азотирование; механические свойства; эксплуатационные свойства, пресс-форма; жаропрочность; термическая обработка.
INCREASING HEAT RESISTANCE OF 5XHB STEEL DUE TO INTERNAL NITRIDING A.G. Kostanoshvili, A.V. Vysotskaya
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
To provide durable strength and heat resistance of molds made of 5ХНВ alloy, the authors examined the method of internal nitriding under the high operating temperatures and mechanical loads in order to produce products with high dimensional accuracy and low surface roughness. 4 figures. 3 sources.
Key words: internal nitriding; mechanical properties; performance characteristics; mold; heat resistance; heat treatment.
Для обеспечения эксплуатационных свойств пресс-форм, изготовленных из сплава 5ХНВ, в условиях высоких рабочих температур и механических нагрузок для получения изделий с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности недостаточно было применения традиционного метода упрочнения.
Сталь в пресс-форме для литья под давлением находится в тяжелых условиях зксплуатации. Нагрев рабочей поверхности формы расплавленным металлом и охлаждение внутренней части формы вызывает значительные напряжения.
Был применен новый метод упрочнения, основанный на явлении внутреннего азотирования, которое обеспечивает избирательное взаимодействие диффундирующего азота с легирующими элементами, растворенными в никельхромовой основе. Образующаяся при этом дисперсная нитридная фаза отличается стабильностью при температуре эксплуатации.
Повышаются рабочие температуры и жаростойкость серийных хромоникелевых сплавов при использовании нового, применительно к этой группе материалов, способа химико-термической обработки, основанного на явлении внутреннего азотирования.
Азотирование - способ химико-термической обработки, состоящий из диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде.
Азотированный слой состоит из нитридной зоны и
зоны внутреннего азотирования. Развитая нитридная зона отвечает за повышение коррозионной стойкости и предела выносливости. Развитая зона внутреннего азотирования подходит для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках и высоких давлениях. Механизм образования диффузионного слоя заключается в том, что в начальный период азот проникает в а-железо, не изменяя его решетки, пока не будет достигнут предел насыщения при данных условиях, определяемый изотермическим разрезом диаграммы состояния при температуре диффузии. Образовавшийся при этом азотистый феррит нельзя рассматривать как совершенно однородный раствор. Азотистая фаза представляет собой раствор с наличием обычных концентрированных флуктуаций от среднего состава раствора. Увеличение содержания азота в растворе при этом ведет к увеличению числа размеров флук-туаций обогащения [1].
В настоящей работе рассмотрено влияние упрочненного азотированием материала на предел прочности и предел длительной прочности. Практика исследования показала, что после внутреннего азотирования изделие обладает повышенной прочностью и коррозией.
Экспериментальным методом была проведена сравнительная оценка зависимости длительной прочности сплава 5ХНВ, подвергнутого традиционной закалке (8600 С) и отпуску (5600С), и сплава после термической обработки - закалки (8600 С) и отпуска
1Костаношвили Амиран Георгиевич, старший преподаватель кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: (3952) 306535.
Kostanoshvili Amiran, Senior Lecturer of the Department of Designing and Standardization in Mechanical Engineering, tel.: (3952) 306535.
2Высоцкая Александра Васильевна, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: (3952) 411478.
Vysotskaya Alexandra, Associate Professor of the Department of Designing and Standardization in Mechanical Engineering, tel.: (3952) 411478.
(560 С) с последующим внутренним азотированием. Химический состав стали 5ХНВ (масс. %) приведен ниже.
СТАЛЬ С Сг № W
5ХНВ 0,5-0,6 0,5-0,8 1,4-1,8 0,4-0,7
Перед азотированием поверхности исследуемых образцов очищались от следов окалины, ржавчины и других загрязнений. Незначительные загрязнения удаляли обезжированием бензином. После термической обработки и азотирования поверхности шлифовались для получения точного размера и удаления обезуглероженного слоя с последующим обезжирова-нием спиртом.
Внутреннее азотирование производили в печи СШВЛ в технически чистом азоте или смеси азота с аргоном в статических условиях (без продувки рабочего объема газом). Температура азотирования 5305500 С, продолжительность до 15-20 ч. Механические свойства исследовались по стандартным методикам: ГОСТ 1497- 84 «Методы статических испытаний на растяжение. Определение механических характеристик»; ГОСТ 10145- 81 «Метод испытания на длительную прочность». Образцы для внутреннего азотирования диаметром 10 мм длиной 100 мм вырезали из проката в состоянии поставки.
По химическому составу сплав отвечает основным требованиям, определяющим эффективность упрочнения методом внутреннего азотирования: азот растворим в никельхромовой основе сплава, его диффузия в рассматриваемом интервале температур протекает достаточно быстро, на поверхности не создается условий для образования сплошных нитрид-ных слоев, препятствующих проникновению азота в металл. Нитридообразующие элементы находятся в твердом растворе, поэтому выделения нитридов мелкодисперсны [2].
При обработке экспериментальных данных использовали теоретическую модель Вагнера [3], описывающую образование зоны внутреннего азотирова-
ств600, МПа
ния в отсутствие поверхностной нитридной зоны. Согласно это модели, кинетика роста насыщенной зоны подчиняется параболическому закону и контролируется диффузией азота. Однако теоретический анализ, особенно применительно к многокомпонентным системам, несовершенен, поэтому сделан ряд допущений, основанный на результатах наблюдений в данной работе. Исходя из этого, рассматриваемый состав представлен как псевдобинарный, состоящий из нейтрального к азоту твердого раствора - основы и растворенных в нем нитридообразователей, для которых реакция происходит на едином фронте практически одновременно [3].
При объемной диффузии скорость перемещения фронта реакции не зависит от парциального давления азота в газовой фазе в тех пределах, в которых адсорбционные процессы на поверхности металла остаются неизменными. Кинетика определяется, главным образом, температурой (рис.1).
Д,мкм
300
200
100
1, °С
Рис.1. Влияние температуры процесса (при продолжительности обработки 4 ч) на протяженность зоны внутреннего азотирования Л
Повышение прочности связано с глубиной зоны внутреннего азотирования и достигает предельного значения при сквозном азотировании (рис. 2).
>600
80
40
0
50 100 200 300 Д;мкм 20 40 60 80 Л/с1, %
Рис. 2. Влияние доли упрочненного материала (А/ф на предел прочности при растяжении и относительное удлинение при температуре испытаний 600°С (Л- протяженность зоны внутреннего азотирования,
в - диаметр образца)
Если продолжительность процесса превышает время сквозного азотирования, то происходит ухудшение свойств, в первую очередь пластичности.
Анализ результатов испытаний показывает, что при температуре 6000С возможно повышение рабочих напряжений более чем вдвое (рис. 3).
показала, что после внутреннего азотирования изделие обладает повышенной прочностью и коррозией до температуры 7000С (рис.4).
m, г
ств, МПа
ств, МПа
0.015
0,010 0.009
0.006
O.OOj
t, °C
б)
Рис. 3. Длительная прочность при 500 °С (а), при 600 °С (б): 1 - после упрочнения методом внутреннего азотирования; 2 - термическая обработка по стандартному режиму (закалка и отпуск)
Для сплава 5ХНВ наилучшие условия внутреннего азотирования протекают при температуре 600 0С. Сплав после внутреннего азотирования имеет повышенную жаростойкость. Окисление сплава 5ХНВ сопровождается интенсивной интеркристаллической коррозией при температурах 700-7500 С, которая усиливается при длительных выдержках за счет образования по границам зерен фазы Cr- W- Ni, что облегчает транспортировку этих элементов к поверхности металла и их унос в виде окислов (рис. 4).
Предшествующее окислению внутреннее азотирование существенно замедляет этот процесс, так как блокирует нитридами пути диффузии. Окисление нитридов происходит на- много медленнее окисления нитридообразующих элементов, интеркристаллитная коррозия подавляется. Для количественных измерений коррозионной стойкости был применен массовый метод по ГОСТ 9.908-85. Практика исследования
Библиографический список
1. Лахтин Ю.М., Коган Ю.Д., Шпис Г.И. Теория и технология азотирование сплавов. М.: Металлургия. 1979. 200 с. азотирования. М.: Металлургия, 1991. 320 с. 3. Wagner C. Kinetics of the Oxidation. Z. Electrochem.,1959,
2. Кипарисов С.С., Левинский Ю.В. Внутреннее окисление и Bd 63, s. 772.
500 550 GDO 650 7DD
Рис.4. Изменение массы образцов в зависимости от температуры испытания
Разрушение образцов под действием больших кратковременных нагрузок происходит по зерну (при низких и средних температурах) и по зерну и границам (при высоких температурах). Повышение прочности связано с глубиной зоны внутреннего азотирования (см.рис.2). Если продолжительность процесса превышает время сквозного азотирования, то происходит ухудшение свойств, в первую очередь пластичности .
Анализ результатов испытаний показывает, что при температуре 500-6000С возможно повышение рабочих напряжений примерно вдвое (см.рис.3). Сталь 5ХНВ после внутреннего азотирования имеет повышенную жаростойкость.
Преимуществом данного метода упрочнения является возможность сочетания его с различными технологическими вариантами получения изделий, в том числе обработки уже готовых деталей. Сталь 5ХНВ сравнительно дешевая и распространенная, что ведет к уменьшению стоимости продукции.
Кинетика роста зоны внутреннего азотирования в интервале температур 300-600°С подчиняется параболическому закону и контролируется диффузией азота в сплаве. Внутреннее азотирование стали 5ХНВ приводит к уменьшению зоны интеркристаллитной коррозии в 1,5-2 раза при температуре до 6000С.
