Усталостная прочность улучшаемой стали 30ХГТ после высоко- и низкотемпературной нитроцементации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.14.18.296

УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ УЛУЧШАЕМОЙ СТАЛИ 30ХГТ ПОСЛЕ ВЫСОКО- И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ

© 2016 Н. А. Костин1, Е. В. Трусова2

1канд. техн. наук, доцент кафедры общетехнических дисциплин e-mail: nikolay-kostin@yandex. ru 2канд. техн. наук, доцент кафедры общетехнических дисциплин e-mail: ev. trusova@yandex. ru

Курский государственный университет

В работе исследованы образцы стали 30ХГТ в нормализованном состоянии при различных температурных режимах для определения повышения усталостной прочности при низкотемпературной нитроцементации. Исследована структура нормализованной стали 30ХГТ в азотисто-углеродном пастообразном карбюризаторе.

Ключевые слова: усталостная прочность стали, нитроцементация.

Химико-термическая обработка является наиболее эффективным методом повышения усталостной прочности стальных изделий, поскольку она изменяет свойства их поверхностных слоёв, где концентрируются максимальные напряжения от внешних нагрузок и развиваются усталостные явления. Наиболее универсальным методом упрочняющей обработки, широко используемым в промышленности, является нитроцементация, которая повышает твёрдость и износостойкость деталей, а также улучшает их усталостные свойства.

Однако влияние нитроцементации на усталостные характеристики сталей ещё недостаточно изучено и, по нашим сведениям, неоднозначно, что делает исследования в этом направлении актуальными.

Для исследования была выбрана конструкционная сталь 30ХГТ, которая широко используется для изготовления деталей, работающих при знакопеременных нагрузках (валы, оси и др.), основным требованием к которым является высокая усталостная прочность. Сталь содержит относительно небольшое количество углерода и около 1% хрома, что обеспечивает ей при закалке преимущественно мартенситную (без остаточного аустенита) структуру, отличающуюся высокой прочностью, в том числе и при знакопеременных нагрузках.

Тем не менее правомерно предположить, что насыщение поверхности этой стали азотом и углеродом будет способствовать повышению её усталостных характеристик.

Для определения предела выносливости использовали неразрушающий ускоренный метод испытаний, основанный на измерении магнитных характеристик стали, подвергаемой знакопеременным нагрузкам. Для усталостных испытаний были образцы в виде стержней диаметром 8 мм и длиной 180 мм. В средней части образца на длине 50 мм бесцентровой шлифовкой выбирался профиль до диаметра 5±0,02 мм. Тонкая часть образца полировалась. Образцы испытывались на чистый изгиб с вращением частотой 50 Гц (300 цикл/мин). Неразрушающий метод дает возможность испытывать один и тот же образец до и после упрочняющей обработки, что значительно повышает достоверность результатов испытаний, так

как позволяет исключить влияние всех случайных факторов (неоднократности химического состава, дефектов, структуры, внутренних напряжений и др.), имеющих место при испытании разных образцов до разрушения.

При испытании измеряли предел выносливости стали на подготовленных образцах в нормализованном состоянии, после чего проводили обработку, состоящую в нитроцементации с последующей закалкой (высокотемпературный вариант) либо в закалке с последующей нитроцементацией (низкотемпературный вариант). Нитроцементацию проводили в пастообразном карбюризаторе следующего состава (% масс): карбамид (МН2)2СО - 15; железосинеродистый калий К4Бе(СК)б - 15; углекислый барий ВаСОз - 15; сажа газовая ДГ100 - остальное. Смесь компонентов разводили карбометилцеллюлозным клеем КМЦ и наносили на упрочняемую поверхность. После высушивания образцы с нитроцементующим покрытием упаковывали в герметичный контейнер с наполнителем в виде чугунной стружки и помещали в печь, разогретую до заданной температуры.

После нитроцементации снова определяли предел выносливости образцов названным выше методом. Результаты испытаний (средние по трём образцам) приведены в таблице 1.

Таблица 1

Усталостные характеристики стали 30ХГТ до и после упрочняющей обработки по различным вариантам

Вариант Режим обработки Предел выносливости ow, МПа

до обработки после обработки

1 Нитроцементация (900°С, 3ч) + закалка (860°С в масле) + отпуск (150°С, 2 ч) 295 285

2 Нитроцементация (900°С, 3 ч) + закалка 328 265

3 Нитроцементация (900°С, 3 ч) + закалка (860°С в масле) + отпуск (600°С, 2 ч, охлаждение в воде) 322 347

4 Закалка (880°С в масле) + нитроцементация (600°С, 1 ч) 318 335

5 Закалка (880°С в масле) + нитроцементация (600°С, 2 ч) 327 400

6 Закалка (880°С в масле) + нитроцементация (600°С, 3 ч) 322 460

7 Закалка (880°С в масле) + нитроцементация (600°С, 4 ч) 320 460

Полученные результаты свидетельствуют, что для стали 30ХГТ высокотемпературная (900°С) нитроцементация с последующей закалкой не привела к увеличению предела выносливости образцов (табл. 1, варианты 1 и 2). Напротив, эти режимы обработки привели к его снижению. Только в третьем опыте зарегистрировано некоторое повышение величины о№, что, по-видимому, связано с ускоренным охлаждением образцов после отпуска.

Низкотемпературная нитроцементация (650°С), проводимая после закалки и в некотором смысле заменяющая высокий отпуск, привела к заметному повышению предела выносливости стали 30ХГТ. Особенно заметно это повышение при длительности нитроцементации 3 часа и выше, предел выносливости стали увеличился в полтора раза в сравнении с исходным состоянием.

Проведённые исследования позволяют заключить, что усталостную прочность стали 30ХГТ можно значительно повысить низкотемпературной нитроцементацией. Нитроцементация в пастообразном карбюризаторе при температуре 600°С увеличивает предел выносливости этой стали за 3 часа более чем в 1,4 раза по сравнению с исходным состоянием. Дальнейшее повышение длительности низкотемпературного

насыщения не приводит к заметному повышению предела выносливости стали - она остаётся на постоянном высоком уровне.

Для выяснения причин повышения о№ в результате химико-термической обработки стали 30ХГТ по найденным режимам проводили изучение структуры и механических свойств образцов до и после обработки. В таблице 2 представлены результаты измерения твёрдости образцов до химико-термической обработки и после нитроцементации в пастообразном карбюризаторе при различной длительности процесса. Микроструктуры исследованных образцов приведены на рисунке 1.

Таблица 2

Твёрдость образцов стали 30ХГТ в исходном состоянии и после ^ нитроцементации

№ образца Вид упрочняющей обработки Твёрдость НУ100 Предел выносливости о„, МПа

до обработки после обработки

1 Нормализация с 880°С (исходное состояние) 243 231 295

2 Закалка с 880°С в масле + нитроцементация (600°С, 2 ч) 502 255 460

3 Закалка с 880°С в масле + нитроцементация (600°С, 3 ч) 533 253 460

Структура нормализованной стали 30ХГТ представлена феррито-перлитной смесью как в центре образца, так и на краю образца (см. рис.1 а). Такая структура, как известно, типична для улучшаемых сталей. Твёрдость стали 30ХГТ с такой структурой практически постоянна по всему сечению образца и составляет 230...240 НУ, предел выносливости невысокий, порядка 300 МПа.

Рис. 1. Микроструктуры стали 30ХГТ: а - после нормализации; б - после нитроцементации

Закалка и последующая нитроцементация в азотисто-углеродном пастообразном карбюризаторе приводит к образованию на поверхности образцов светлой нетравящейся зоны, которая представляет собой карбонитридную корку цементитного типа (см. рис. 1 б). Структура зон, лежащих ниже карбонитридной корки, состоит в

основном из мартенсита и продуктов его распада, которые отличаются мелкозернистостью. Толщина корки зависит от длительности процесса.

Послойный анализ поверхности исследуемых образцов для определения распределения азота, углерода и других элементов осуществляли на атомно-эмиссионном спектрометре SA-2000 (Surface Analluyzer) фирмы LEKO.

Распределение элементов по сечению диффузионного слоя стали 30ХГТ, нитроцементованной по режиму 600°С в течение 3 часов, показывает, что процесс насыщения сдвинут в область цементации, однако небольшое количество азота (до 0,1%) проникает глубоко под поверхностный слой стали. Повышенное содержание углерода прослеживается до глубины порядка 250 мкм, а азота - до глубины более 1 мм (см. рис. 2).

О 50 100 150 200 250 Расстояние от поверхности, мкм

Рис. 2. Распределение элементов по сечению нитроцементованного слоя стали 30ХГТ и структура нитроцементованного слоя (*400)

Максимальной усталостной прочностью, как показывают наши исследования, обладает нитроцементованный слой с мартенситной структурой. Наличие азота в диффузионном слое приводит к тому, что под коркой карбонитридов при охлаждении

образуется до 20% остаточного аустенита, который и определяет во многом свойства нитроцементованного слоя.

Повышение длительности нитроцементации стали 30ХГТ при определённой температуре (650°С) влияет на предел её выносливости настолько, насколько увеличивает глубину диффузионного слоя. При увеличении глубины диффузионного слоя на стали 30ХГТ от 0,05 мм до 0,12 мм, что достигается при нитроцементации в течение 3 часов, предел усталости возрастает более чем в 1,6 раза (от 250 до 450 МПа); при дальнейшем увеличении глубины нитроцементации усталостная прочность сначала медленно, а затем интенсивно снижается (см. рис. 3).

Общая глудина нитроцЕментоЬанного слоя, мм

Рис. 3. Зависимость предела выносливости стали 30ХГТ от глубины нитроцементованного слоя

(диаметр образца 5 мм)

Проведённые исследования позволяют заключить, что нитроцементация стали 30ХГТ в азотисто-углеродистой пасте позволяет значительно увеличить (в 1,5...1,6 раза) предел выносливости. Нитроцементация при 650°С в течение 3 часов после предварительной закалки обеспечивает максимальный предел усталости этой стали, равный 460 МПа. Мартенситная структура с содержанием до 20% остаточного аустенита наилучшим образом выдерживает циклические нагрузки.

Библиографический список

Трусова Е.В., Костин Н.А., Колмыков В.И. Твердость и внутренние напряжения в нитроцементованных слоях направленного металла штамповых сталей // Металлургия машиностроения. 2011. № 3. С. 44-46.

Костин Н.А., Трусова Е.В. Нитроцементация сталей 40Х13 и 40Х5МФС для повышения стойкости режущего инструмента // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика - 2014: сб. материалов 16-й Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 2. СПб., 2014. C. 90-93.

Костин Н.А. Особенности процесса науглероживания инструментальных сталей для повышения стойкости штампового инструмента / Н.А. Костин, Е.В. Трусова, В.И. Колмыков // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2016. № 1 (9). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/009-009.pdf (дата обращения: 21.09.2016)

Костин Н. А. Повышение эксплуатационных свойств штамповой стали 5Х2ГФ путём создания карбонитридных слоёв химико-термической обработкой // Материаловедение и термическая обработка металлов. 2016. №8 . С. 19-22.

Патент № 2592339: С1. Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей / Н.А. Костин, В.И. Колмыков, Н.Н. Костин, А.Е. Дедов, Е.В. Трусова: Патентообладатель: ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет» от 20.07.16 // Бюл. №20. 2016.