Moskva, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
UDC 621.785.53
The article presents a comparative research of the nitrogen hardening effect on the impact hardness and coldbrittleness characteristics of alloy steels of the following grades 38Cr2MoAl and 40CrNi2MoA. Nitrogen hardening processes with saturating media interchange in the form of either an ammonia-air mixture or pure ammonia, in which the temperatures and duration of the process varied, are viewed. An experimental study was conducted to establish a correlation between the parameters of the nitrogen hardening process and the impact hardness of the samples in the temperature range from + 20 to -60 °C. The results of impact bending tests are presented, proving the dependence of viscosity on the test temperature and nitrogen hardening modes. A microstructure of the nitrited layers has been analyzed, including metallographic studies and measurement of microhardness with the construction of hardness profiles in depth. It is found that the temperature and time of the stage nitrogene hardening process have a significant effect on the formation of the surface layer, its microhardness and, as a result, on the toughness and cold stability of steels. The article presents a comparative research of the nitrogenization effect on the impact hardness and coldbrittleness characteristics for alloy steels of grades 38Cr2MoAl and 40CrNi2MoA. Rational nitrogenization modes are proposed to maximize the impact strength of 40CrNi2MoA nitrited steel for operation at normal temperatures and in subzero temperatures
nitrogenization, alloy steel, impact hardness, coldbrittleness, microstructure, microhardness
Введение
Процесс азотирования – широко используемый способ поверхностного упрочнения, который значительно повышает твёрдость, износостойкость, усталостную прочность, а некоторых случаях, и коррозионную стойкость стальных деталей [1]. Этот процесс является разновидностью химико-термической обработки и заключается в насыщении стальной поверхности азотом. Чаще всего азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, легированные хромом, никелем, молибденом, алюминием. Сформированный азотированный слой упрочняется за счёт выделения нитридов легирующих элементов, что значительно улучшает механические характеристики стали, в том числе, в сложных условиях эксплуатации.
Так, азотированные изделия из конструкционных среднеуглеродистых легированных сталей используются в арктической инфраструктуре [2]. Проблема безотказности силовых деталей машин в арктических условиях и северных регионах усугубляется тем, что они испытывают как статические, так и динамические нагрузки в условиях низких температур [3]. Это накладывает дополнительные требования к ударной вязкости и хладостойкости сталей.
В подавляющем большинстве случаев азотирование, как и другие виды поверхностного упрочнения, оказывает негативное воздействие на эти характеристики свойств [4 − 6]. Влияние различных процессов азотирования на ударную вязкость сталей в различных температурных диапазонах остаётся малоизученным вопросом. В ВИАМ разработаны режимы азотирования низкоуглеродистых сталей аустенитного класса, позволяющих сохранить удовлетворительную вязкость при отрицательных температурах [7]. Для сталей мартенситного класса применено стадийное азотирование с изменением состава насыщающей среды, сохраняющее вязкость при комнатной температуре на 77 % по сравнению с неазотированной сталью [8].
Описанные результаты получены на высоколегированных низкоуглеродистых сталях. Однако предлагаемые для них режимы азотирования не могут быть напрямую использованы для среднеуглеродистых сталей, поскольку они по своей природе более склонны к охрупчиванию. В связи с этим, изыскание технологических решений по минимизации негативного влияния азотирования на вязкость традиционных азотируемых сталей сохраняет свою актуальность. Концепция стадийного азотирования в газоциклическом режиме [9] в данном случае может быть взята за основу.
Целью работы является определение технологических режимов азотирования среднеуглеродистых конструкционных сталей, обеспечивающих максимально возможное сохранение ударной вязкости сталей, в том числе, при отрицательных температурах, а также установление взаимосвязи между условиями азотирования и ударной вязкостью сталей с учётом закономерностей микроструктурных изменений.
Методика исследования и применяемое оборудование
Для экспериментальных исследований использованы образцы сталей марок 38Х2МЮА и 40ХН2МА, химические составы которых представлены в табл. 1. Выбор высококачественных сталей с пониженным содержанием серы и фосфора (< 0,025 %) обусловлен соображениями снижения негативного влияния этих примесей на вязкость и хладноломкость.
Для ударных испытаний были изготовлены стандартные образцы размером 10×10×55 мм с U-образным надрезом (рис. 1). Предварительная термическая обработка стали 38Х2МЮА заключалась в нормализации, а стали 40ХН2МА включала закалку с 850 °С в масле и отпуск при 620 °С, которая обеспечивала получение структуры зернистого сорбита. Данная структура сердцевины обладает наиболее высокими показателями ударной вязкости.
Перед азотированием образцы прошли подготовку поверхности, которая включала шлифовку и очистку ацетоном для удаления загрязнений.
Азотирование проводилось в электропечи с системой контроля диссоциации аммиака. В качестве насыщающей среды использовали аммиак и смеси аммиака с воздухом. Параметры азотирования варьировались в соответствии с разработанной матрицей режимов (табл. 2).
На азотированных образцах проводили испытания на ударный изгиб на установке TestSystems при различных температурах от 20 до - 60 °С по ГОСТ 9454-78 [11]. Захолаживание образцов осуществлялось в климатической камере; в качестве хладагента использовался жидкий азот. Значения ударной вязкости KCU рассчитывались по измеренным показателям поглощённой энергии удара и усреднялись по трём измерениям. Расчёт производился по формуле
KCU = А/S₀, (1)
где А − работа, затраченная на разрушение образца, Дж; S₀ − площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см².
На разрушенных образцах проводили исследования изломов с визуальной оценкой вязкой и хрупкой составляющих. Из образцов, подвергнутых ударным испытаниям, изготавливали микрошлифы для металлографического анализа и измерения микротвёрдости. Оптическая микроскопия проводилась с использованием металлографического микроскопа
μVizo-MET.
Испытания на микротвёрдость проводились на приборе ПМТ-3 с использованием нагрузки 100 г. Профили микротвёрдости по толщине азотированного слоя строили на основе измерений микротвёрдости по глубине с определённым шагом.
Результаты проведённых исследований
Фазовый анализ системы указывает на возможность образования в поверхностном слое азотированной стали нитридов железа. При относительно низких температурах азотирования поверхностный слой состоит преимущественно из ε-фазы Fe2-3N, которая обеспечивает значительную твёрдость, но способствует охрупчиванию. Более высокие температуры азотирования и большая длительность процесса способствуют образованию γ'-фазы Fe4N, которая сохраняет баланс между твёрдостью и вязкостью.
Исследования микроструктуры показали, что традиционное азотирование стали 38Х2МЮА в аммиаке при 540 °С формирует диффузионный слой на базе зоны внутреннего азотирования (рис. 2). В азотированном слое толщиной ~ 70 мкм выявляются игольчатые включения нитридов легирующих элементов.Разбавление аммиака воздухом при стадийном азотировании меняет строение слоя: в нем образуется нитридная зона, толщина которой зависит от температуры и продолжительности процесса (рис. 3). Нитридная зона, выделяющаяся на микрошлифах в виде белой нетравящейся полосы, обеспечивает повышение поверхностной твёрдости (рис. 4).
Профили микротвёрдости по глубине слоя имеют заметный перепад, что связано как со снижением концентрации азота, так с изменениями в фазовом составе слоя.
Азотирование при относительно низких температурах приводит к наиболее высокой твёрдости слоя и резкому ее падению от поверхности к сердцевине. Этот твёрдый поверхностный слой благоприятен для износостойкости, но может оказаться слишком хрупким.
Наблюдаемые профили твёрдости коррелируют с фазами, присутствующими в системе железо-азот. Режимы, приводящие к преимущественному образованию ε-Fe2-3N, характеризуются более высокой твёрдостью, но также и большими градиентами твёрдости. Напротив, условия, благоприятствующие образованию γ'-Fe4N, приводят к более плавному перепаду твёрдости и потенциально лучшей вязкости.
Исследования ударной вязкости стали после традиционного азотирования в аммиаке показали, что она снижается в разы и практически не зависит от температуры испытаний (рис. 5). Рассчитанный по методике оценки доли вязкой составляющей порог хладноломкости неазотированной стали составляет
- 70 °С [12], тогда как оценка по экспериментальной кривой на основе минимально
допустимой вязкости (30 Дж/см2) даёт значение - 40 °С.
Параметры KCU азотированной стали падают до неприемлемых значений
3...5 Дж/см2, что составляет 10…12 % от исходной вязкости при комнатной температуре. Изломы азотированной стали после испытаний при всех температурах имеют строение, характерное для межкристаллитного хрупкого разрушения, а ответные части разрушенных по такому механизму образцов точно совмещаются (рис. 6). Сильное охрупчивающее действие традиционного азотирования объясняется выделением в диффузионном слое нитридов легирующих элементов игольчатой формы (рис. 3).
Результаты испытаний показали, что ударная вязкость стали 40ХН2МА в исходном состоянии после типовой термообработки в существенно меньшей степени подвержена негативному влиянию отрицательных температур, чем сталь 38Х2МЮА. При температуре - 60 ⁰С значение КСU у стали 40ХН2МА (~ 36 Дж/см2) существенно выше, чем у 38Х2МЮА
(~ 26 Дж/см2). В изломе стали после испытаний имеются признаки вязкого разрушения и пластической деформации (рис. 7). Температурная кривая ударной вязкости имеет пологий вид (рис. 8), что говорит о слабом влиянии отрицательных температур. Эти преимущества можно напрямую связать с наличием в стали 40ХН2МА никеля, понижающего порог хладноломкости.
Cтадийное азотирование стали 40ХН2МА позволяет сохранить гораздо более высокую ударную вязкость, чем традиционное газовое азотирование классического нитраллоя. Для оценки охрупчивающего влияния азотирования был введён параметр относительной вязкости KCUаз/KCUисх, выраженный в процентах. После стадийного азотирования этот параметр составляет при разных температурах испытаний 60…90 % в зависимости от температуры и продолжительности азотирования. В наибольшей степени сохраняет ударную вязкость стали при комнатной температуре процесс азотирования в режиме 560 ⁰С, 10 ч (рис. 8). Однако вязкость стали при этом резко падает с понижением температуры испытаний.
После азотирования при более низкой температуре 530 ⁰С характер изменения вязкости с понижением температуры испытаний гораздо более плавный (рис. 8), т.е. азотированная по этому режиму сталь оказывается менее чувствительной к действию отрицательных температур. Ударная вязкость сохраняется выше критического значения (30 Дж/см2) вплоть до - 50 ⁰С. Ударная вязкость во всем диапазоне температур испытаний сохраняется на 83…85 % от вязкости неазотированной стали.
Для температуры азотирования 500 °С результаты по ударной вязкости менее удовлетворительные: значения KCU не превышают 22…24,5 Дж/см2 (табл. 3). Но даже в этом случае ударная вязкость в разы выше по сравнению с вязкостью стали после традиционного азотирования в аммиаке.
Обнаружена общая для всех режимов азотирования закономерность, что увеличение продолжительности процесса от 10 до 20 ч приводит к падению ударной вязкости стали и усиливает негативный эффект низких температур (табл. 3). Это объясняется спецификой строения азотированного слоя, полученного при разных режимах азотирования. Увеличение продолжительности азотирования приводит к росту нитридной зоны и образованию нитридных «усов» по границам зёрен (рис. 3, б), этим и объясняется увеличение хрупкости. Поэтому оптимальными для сохранения вязкости являются слои с нитридной зоной минимальной толщины.
В результате проведённых исследований построена диаграмма для выбора рациональных режимов стадийного азотирования стали 40ХН2МА для работы при комнатной температуре и при отрицательных температурах вплоть до - 60 ⁰С на основе максимально возможного сохранения ударной вязкости (рис. 9). Из диаграммы видно, что для работы при комнатной температуре наиболее рациональным является стадийное азотирование при 560 ⁰С в течение 10 ч, тогда как при отрицательных температурах вплоть до - 60 ⁰С предпочтительно азотирование при более низкой температуре 530 ⁰С.
Заключение
Исследование показало, что условия азотирования существенно влияют на структуру и свойства среднеуглеродистых легированных сталей: микротвёрдость и ударную вязкость. Для обеспечения наилучшего баланса твёрдости и вязкости предлагаются процессы стадийного азотирования с чередованием насыщения в смеси аммиака и воздуха. Установлены закономерности влияния температуры и продолжительности стадийного азотирования на ударную вязкость и характер разрушения стали во взаимосвязи с особенностями строения азотированного слоя.
Наибольшее упрочнение азотированного слоя в виде повышения микротвёрдости достигается при менее высоких температурах азотирования, когда образуется поверхностная нитридная зона в виде ε-фазы. Ударная вязкость, наоборот, в наибольшей степени сохраняется при более высоких температурах азотирования и при небольшой длительности процесса, что связано с уменьшением толщины нитридной зоны и изменением ее состава.
В качестве критерия стойкости азотированных сталей к хрупкому разрушению выбран показатель относительной ударной вязкости по отношению к вязкости неазотированной стали. Предложены рекомендации по режимам азотирования с наибольшим показателем сохранности вязкости при комнатной температуре (более 90 %) и при отрицательных температурах (83…85 %). Полученные результаты могут быть применены для оптимизации процессов азотирования с целью повышения эксплуатационных характеристик легированных сталей в различных условиях эксплуатации.
1. Lakhtin Yu.M., Kogan Ya.D., Shpis G.Y., Boehmer Z. Theory and technology of nitriding. Moscow: Metallurgiya, 1991. 320 p.
2. Zhang L., Wang M. The Effect of Nitriding on the Mechanical Properties of Alloy Steels. Journal of Materials Science and Technology, vol. 28. no. 5. 2012. pp. 436−441.
3. Khlusova E.I., Sych O.V. Creation of cold-resistant structural materials for the Arctic. History, experience, current state. Innovation. 2018. no. 1 (241), pp. 85−92.
4. Belashova I.S., Petrova L.G., Frolov M.A. The influence of structural steel treatment technique on their embrittlement under climatic cold conditions. Dynamic and technological problems of mechanics of structures and continuous media: Proceedings of the XXIX-th International Symposium named after A.G. Gorshkov, Kremenki, May 15−19, 2023. Moscow: LLC «TRP», 2023. pp. 59−60.
5. Wang Y. Cold Brittleness of Nitrided Alloy Steels - Experimental Observation. Materials Science and Engineering A., vol. 539. 2012. pp. 259−266.
6. Zhang W., Yan W., Sha W. The impact toughness of a nitride-strengthened martensitic heat resistant steel, Sci. China Technol. Sci., 2012. pp. 1858–62.
7. Alekseeva G.P., Banas I.P., Belyakova V.I. Steels for gears and fuel apparatus parts hardened by chemical heat treatment // Aviatsionnaya Promyshlennost’, 1982. no. 8. pp. 31–32.
8. Petrova L.G., Balashova I.S., Bibikov P.S., Prokofiev M.V. The effect of stadial nitrogenization on the structure and properties of martensitic steel 13X11N2V2MF // Science- intensive technologies in mechanical engineering, 2021. vol. 2021, no. 12 (126), pp. 12−19.
9. Petrova L.G., Belashova I.S. Gas-cycling processes of chemical and Thermal treatment: regulation of the structure of the nitrided layer in iron and steels // Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2024, no. 7 (157), pp. 3−14.
10. State Standard (GOST) 4543-2016. Metal products made of structural alloy steel. p. 53.
11. State Standard (GOST) 9454-78. Metals. Test method for impact bending at low, room and elevated temperatures. p. 12.
12. Pertrova L.G., Belashova I.S., Demin P.E., Frolov M.A. Assessment of the critical temperature of transition to a brittle state of structural steels used in the Arctic region // Problems of expertise in the automotive and road industry. 2023. no. 2 (7). pp. 59−70.
