CC BY
63
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 • 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Расчет влияния предварительной термической обработки перед азотированием на размер зародышей нитрида железа. # 11, ноябрь 2012 Б01: 10.7463/1112.0496755
Курихина Т. В., Герасимов С. А., Симонов В. Н.
УДК. 669-1
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана tatiana [email protected] gerasimov [email protected] simonov [email protected]
Введение
Консерватизм технологии азотирования не учитывает влияния предварительной термической обработки на размер зародышей нитрида железа, формирующихся перед азотированием. Установлено [1], что режимы предварительной термической обработки влияют на наноструктуру и соответственно на свойства сплавов. Каждой температуре соответствует своя структура, которая влияет на механические свойства сталей. Проведенными исследованиями структуры азотированных сталей в МГТУ им Н.Э. Баумана [2] подтверждено влияние основных факторов на механические свойства азотированных изделий. К ним относятся:
1) размер и плотность нитридных выделений;
2) типы связей кристаллических решеток твердого раствора и нитридов железа -когерентный, полукогерентный , некогерентный;
3) мисфит - параметр несоответствия кристаллических решеток у7у;
4) объемная доля и характер распределения фаз нитрида железа;
5) химический состав зародышей фаз нитрида железа.
Впервые в работе С.А. Герасимова показано [3], что в процессе диффузионного насыщения сталей формирование структуры может происходить аналогично распаду пересыщенных твердых растворов в стареющих сплавах. В зависимости от состава сталей и температуры азотирования формируются следующие виды структур: структура, характеризующаяся образованием однослойных зародышей нитридной фазы, полностью когерентных с решеткой матрицы - начальная стадия зарождения нитрида железа; структура с частичной когерентностью нитридной фазы (размер нитридов составляет 24 нм), структура с нарушением когерентности решеток матрицы и нитридов железа (размер нитридов «10 нм).
Подобные эффекты наблюдались и в стали 38Х2МЮА [4]
Цель работы - расчет влияния температурно-временных параметров предварительной термической обработки конструкционных сталей на начальные стадии формирования тонкой структуры перед азотированием.
Научная новизна - с помощью программы «Тегшоёт», разработанной на кафедре «Материаловедения», МГТУ им Н.Э. Баумана, рассчитаны критические радиусы зародышей нитрида железа, параметры диффузии; кинетические параметры зарождения и роста фазы Ре41М", время формирования заданной объемной доли у! фазы при изотермической выдержке в процессе высокого отпуска.
Материал и методы исследования
В соответствии с диаграммой состояния Бе-К, представленной на рисунке 1, в равновесном состоянии находятся а и у твердые растворы азота в железе.
а)
°с
700 600 SÛO m зоо 200 100
ч N
а
J /
/ г
Î L
О 0,02 0,Oit- 0,06 0,08 0,1 N, % по массе б)
Рис. 1. Равновесная диаграмма состояния Fe-N (а) фрагмент диаграммы состояния; (б) область растворимости азота в феррите [5].
а- фаза представляет собой азотистый феррит с ОЦК решеткой с периодами (в зависимости от содержания азота) 0,2866 - 0,2877 нм. Азот занимает октаэдрические поры в решетке а - Fe. Растворимость азота в а - фазе при эвтектоидной температуре не превышает 0,11%, снижаясь при комнатной температуре до 0,004 % ( рисунок 1.б.).
у - фаза соответствует твердому раствору на базе нитрида Fe4N. Зона гомогенности при 590°С, лежит в пределах 5,3 - 5,75% N, yf- фаза кристаллизуется в ГЦК решетку из атомов железа с упорядоченным расположением атомов азота в центрах элементарных кубов. Расчеты проведены для бинарного сплава Fe-5,6%N по массе.
Предварительную термическую обработку (ПТО) проводили в лабораторных камерных печах как для бинарного сплава Fe - 5,6%N , так и для легированной стали 38Х2МЮА. Стали закаливали при 950°С с охлаждением в воде. Цель закалки получение пересыщенного твердого раствора. Последующую термическую обработку
высокотемпературный отпуск проводили при 500°С, 550°С, 600°С. Время нагрева при отпуске составляло 2 ч и 10 ч [6, 7]. Проведение закалки и последующего высокотемпературного отпуска при 500°С в течение двух часов и 10 ч перед азотированием приводит к образованию более мелких нитридов. В период инкубационного распада образуются зародыши критических размеров нитридных частиц, в основном когерентные и полукогерентные кристаллической решетке твердого раствора. По темнопольным изображениям был установлен размер нитридов 3,5 нм [4].
Результаты и обсуждения.
С помощью разработанной программы «Termodin» рассчитан критический радиус зародышей нитрида железа Fe4N в интервале температур 500-590°С, а также параметр диффузии при каждой изотермической выдержке. Полученные расчетные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Расчетные данные начальных стадий зарождения нитрида железа (Бе4К)
Температура отпуска 1, °С Критический радиус Якр, нм. Коэффициент диффузии D, м /сек
500 1.61109 4.8059-10-18
510 1.83219 6.60393-10-18
520 1.98656 9.0022-10-18
530 2.10941 1.2177Ы0-1/
540 2.21328 1.6349940-17
550 2.30431 2.17959-10-17
560 2.386 2.8856-10-17
570 2.46062 3.79497-10-1/
580 2.52969 4.95897-10-17
590 2.59431 6.43995-10-17
Из таблицы 1 видно, что при увеличении температуры изотермической выдержки диффузионные процессы протекают интенсивнее, следовательно, критический размер зародыша увеличивается от 1,61 им при 1= 500°С и достигает величины 2,59 нм при температуре 590°С.
С помощью программы «Тегшоёт» рассчитан промежуток времени, в течение которого образуется заданная объемная доля у! фазы 1% , 10%, 90% при распаде пересыщенного твердого раствора а. В таблице 2 представлены результаты по кинетике образования начальных стадий зарождения нитрида железа. Для всех расчетных температур определено время зарождения, время роста, требуемое для образования зародыша Бе4К размером 3 нм, скорость зарождения и скорость роста нитрида железа.
Таблица 2.- Расчет кинетики образования зародышей нитрида железа размером 3 нм в
процессе высокотемпературного отпуска.
Температура отпуска 1, °С Время зарождения Тзар, сек Время скорости роста Тр, сек Скорость зарождения п, 1/м^сек Линейная скорость роста с, м/сек Промежуток времени в течении которого образуется объемная доля у' фазы, мин
у 1=1% у 2=10% у 3=90%
500 0.0547225 0.189744 1.3 9 0 99-1006 3.69859-10"09 320.105 575.993 1245.38
510 0.0515035 0.138083 1.004 86-1006 4.93059-10"09 279.866 503.587 1088.83
520 0.0444178 0.101296 914081 6.24174-10"09 240.118 432.066 934.188
530 0.0370236 0.0748855 915980 7.70837-10"09 204.86 368.622 797.014
540 0.0303571 0.0557736 967117 9.37179-10"09 174.548 314.079 679.083
550 0.0246835 0.0418378 1.05396-1006 1.12656-10"08 148.809 267.764 578.945
560 0.0199897 0.0316014 1.17228-1006 1.3422-10"08 127.066 228.641 494.354
570 0.0161652 0.0240289 1.3217-1006 1.58737-10"08 108.732 195.652 423.027
580 0.0130751 0.0183887 1.50385-1006 1.86549-10"08 93.273 167.834 362.881
590 0.0105892 0.0141599 1.72155-1006 2.18018-10"08 80.2235 144.353 312.112
Полученные расчетные данные согласуются с экспериментальными значениями критического размера зародыша, образующегося при распаде пересыщенного твердого раствора а.
Электронномикроскопическое исследование сплава Fe-5,6%N показало, что при распаде мартенсита при температуре старения 500С'С выделяется у!- фаза (Те4М) с периодом а=0,378 нм. В течение одного часа на темнопольных снимках видны нитриды размером 1,1..1,4 нм, которые образуются при распаде пересыщенного твердого раствора, а в течение 10 часов изотермической выдержки размер зародышей нитридов достигает 3 нм [4]. Авторы работы [6] не определили объемную долю у/- фазы экспериментально, поэтому в программе было дополнительно рассчитана объемная доля у'- фазы, образующаяся при изотермической выдержке в процессе высокотемпературного отпуска.
На рисунке 2 представлены кинетические кривые распада сплава Fe- 5,6% N для расчетных температур в интервале 500- 590°С, которые наглядно иллюстрируют изменение закристаллизовавшегося объема V(t) отлава Fe-5,6%N (по массе).
Кривая распада для 590"С Кривая распада для 560"С Кривая распада для 530"С Кривая распада для 500"С Кривая распада для 5Е0"С Кривая распада для 5 50 "С Кривая распада для 520"С Кривая распада для 570"С Кривая распада для 540"С Кривая распада для 510"С
1Ü1 102 ю3 10+
Бремя, мин.
Рис. 2. Кинетические кривые распада а пересыщенного твердого раствора с образованием
заданной объемной доли у1 фазы.
Как видно из графиков, закристаллизовавшийся объем вначале распада растет очень медленно (малое число растущих кристаллов и малая поверхность каждого из них), затем рост резко ускоряется, кривая круто поднимается вверх, и, наконец, когда незакристаллизовавшийся объем уменьшается до 10 % от первоначального, кривая вновь делается пологой.
Заключение
Результаты экспериментальных исследований и расчетов, проведенных в программе «Termodin» согласуются, с погрешностью не более 4 %. В процессе проведения экспериментальных исследований при температуре 500°С в течение одного часа образуются зародыши нитрида железа размером 1,4 нм. Расчетным путем доказано, что критический радиус зародыша составляет 1,6 нм при t=500°C, промежуток времени формирования объемной доли 10 % составляет 9,6 часов, при этом средний радиус кристаллов фазы Fe4N достигает 3 нм для сплава Fe-5,6%N по массе.
Список литературы
1. Герасимов C.A., Жихарев А.В., Березина Е.В., Зубарев Г.И., Прянишников В.А. Новые идеи о механизме образования структуры азотированных сталей // МиТОМ. 2004. № 1. С. 13-17.
2. Герасимов С.А., Жихарев A.B., Голиков В.А. и др. Влияние предварительной термической обработки на структуру и свойства азотированных сталей // МиТОМ. 2000. № 6. С.24-25.
3. Гаврилова А.В., Герасимов С.А., Косолапов Г.Ф., Тяпкин Ю.Д. Исследование структуры азотированных сталей // МиТОМ. 1974. № 3. С. 14-17.
4. Герасимов С.А. Исследование структуры и свойств азотированных сталей: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 1973. 14 с.
5. Paranjpe V.G., Floe C.F., Cohen M., Beuer M.B. The Iron Nitrogen System // Journal of Metals. 1950. Vol. 188, no. 2. P. 261-267.
6. Косолапов Г.Ф., Герасимов С.А., Бабенко Н.П. Тонкая структура и свойства азотированного слоя // Новые сплавы и методы упрочнения деталей машин / под. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: №д-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1981. С. 95-105.
7. Rembges W. Einfluss der Warmebehandlung auf das Nitriedverhalten von Vergutungsstahlen // Z. f. wirtsch. Ferting. 1978. Vol. 73, nr. 6. S. 329-332.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE RAIJMAN MS TU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-040S
electronic scientific and technical journal
Calculation of thermal pre-treatment before nitriding on the size of the nuclei of iron nitride.
# 11, November 2012
DOI: 10.7463/1112.0496755
Kurihina T.V., Gerasimov S.A., Simonov V.N.
Russia, Bauman Moscow State Technical University
tatiana [email protected] [email protected] [email protected]
The authors calculated the effect of temperature and time parameters of thermal pre-treatment of structural steels at the initial stages of formation of a fine structure before nitriding. With the program "Termodin" developed at the department "Materials science" in Bauman MSTU the authors calculated the critical radius of the nuclei of iron nitride, diffusion parameters, kinetic parameters of nucleation and growth phase Fe4N, time of formation of a given volume fraction of Y phase during isothermal holding in the high holiday for binary alloys Fe-5, 6% N by mass. Kinetic curves of decomposition of the supersaturated solid solution with formation of a given volume fraction of y phase were built. The authors also calculated prediction modes of thermal pre-treatment on the size of hardening phases.
Publications with keywords: treatment, nitriding, iron nitride, the critical radius, the factor of diffusion, the volume fraction of a phase, thermal processing
Publications with words: treatment, nitriding, iron nitride, the critical radius, the factor of diffusion, the volume fraction of a phase, thermal processing
References
1. Gerasimov C.A., Zhikharev A.V., Berezina E.V., Zubarev G.I., Pryanichnikov V.A. Novye idei o mekhanizme obrazovaniia struktury azotirovannykh stalei [New ideas on the mechanism of structure forming in nitrided steel]. MiTOM [Metal Science and Heat Treatment], 2004, no. 1, pp. 13-17.
2. Gerasimov S.A., Zhikharev A.V., Golikov V.A., et al. Vliianie predvaritel'noi termicheskoi obrabotki na strukturu i svoistva azotirovannykh stalei [Influence of preliminary heat treatment on structure and properties of nitrided steels]. MiTOM [Metal Science and Heat Treatment], 2000, no. 6, pp. 24-25.
3. Gavrilova A.V., Gerasimov S.A., Kosolapov G.F., Tiapkin Iu.D. Issledovanie struktury azotirovannykh stalei [Investigation of the structure of nitrided steels]. MiTOM [Metal Science and Heat Treatment], 1974, no. 3, pp. 14-17.
4. Gerasimov S.A. Issledovanie struktury i svoistv azotirovannykh stalei. Avtoref. kand. diss. [Investigation of the structure and properties of nitrided steels. Abstract of cand. diss.]. Moscow, 1973. 14 p.
5. Paranjpe V.G., Floe C.F., Cohen M., Beuer M.B. The Iron Nitrogen System. Journal of Metals, 1950, vol. 188, no. 2, pp. 261-267.
6. Kosolapov G.F., Gerasimov S.A., Babenko N.P. Tonkaia struktura i svoistva azotirovannogo sloia [Fine structure and properties of the nitrided layer]. In book: Arzamasov B.N., ed. Novye splavy i metody uprochneniia detalei mashin [New alloys and methods of hardening of machine components]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 1981, pp. 95-105.
7. Rembges W. Einfluss der Warmebehandlung auf das Nitriedverhalten von Vergutungsstahlen. Z. f. wirtsch. Ferting, 1978, vol. 73, no. 6, pp. 329-332. (in German).
