Исследование формирования нитридоксидных слоев с предварительным оксидированием

АННОТАЦИЯ

В последние годы на базе азотирования были разработаны нитрооксидные покрытия, которые получаются при двухстадийной технологии, заключающей в азотировании на первой стадии процесса и парооксидирования на второй стадии. Такая обработка обеспечивает высокие физико-механические характеристики упрочненных изделий.

Следует отметить, что этот технологический процесс может быть усовершенствован за счет предварительного оксидирования, позволяющего ускорить получение нитрид-оксидных покрытий.

ABSTRACT

In recent years, nitrooxide coatings have been developed on the basis of nitriding, which are obtained with a two-stage technology, which consists in nitriding at the first stage of the process and steam oxidation at the second stage. This treatment provides high physical and mechanical characteristics of the hardened products.

It should be noted that such a technological process can be improved by pre-oxidation, which allows accelerating the production of nitride-oxide coatings.

Ключевые слова: предварительное оксидирование, азотирование, парооксидирование, деоксидирование, нитридоксидный слой, легирующих элементов, микроструктуры, фаза.

Keywords: pre-oxidation; nitriding; steam oxidation; deoxidation; nitride oxide layer; alloying elements; microstructure, phase.

Введение: При азотировании предварительно оксидированных поверхностей, оксидные пленки подвергаются деоксидированию. При этом часть кислорода уходит в газовую атмосферу и часть в глубь металла и образуют окислы легирующих элементов. В результате которой уменьшается концентрация легирующих элементов в твердом растворе, и ускоряется диффузия азота.

Исследовали процессы предварительного оксидирования при 550, 580 и 620°С в течение 5-30 минут. Оксидирование при этом проводили в атмосфере парах воды по схеме, показанной на рис. 1.

Для предварительного оксидирования образцы из стали 40Х и 38Х2МЮА нагревали в атмосфере аммиака до температуры оксидирования. С достижением температуры процесса прекращали подачу аммиака и муфель с образцами начинали непрерывно подавать водяной пар. При этом поддерживали стабильность предварительно заданной температуры оксидирования. После предварительного оксидирования образцы вынимали из муфеля и охлаждали на воздухе до комнатной температуры.

Время

Рисунок 1. Схема технологического процесса предварительного оксидирования.

 время нагрева;  время предварительного оксидирования;  время охлаждения;

Обнаружено, что с увеличением времени оксидирования оттенок получаемой оксидной пленки изменяется от светлосерого до темносерого цвета.

Микроструктурный анализ предварительно оксидированных образцов показал, что толщина оксидных пленок в зависимости от времени подчиняется параболическому закону при всех температурах оксидирования [1] (рис. 2). Анализ рис. 1 и 2 свидетельствует, что толщина оксидных пленок при предварительном оксидировании, но и от температуры.

Рисунок 2. Зависимость толщины оксидной пленки от продольжительности предварительного оксидирования и температуры: 1-550^оС; 2-580^оС; 3-620^оС.

На рис. 3. приведены микроструктуры оксидных пленок, полученных на стали 38Х2МЮА при температурах 550°С, 580°С и 620°С и различных продолжительностях предварительного оксидирования.

Рентгеноструктурные и микроструктурные анализы показали, что при кратковременном предварительном оксидировании (5-30 мин) стали 38Х2МЮА и 40Х, на поверхности образуется равномерный слой оксидной пленки (рис. 3.) толщиной 1,0-5,2 мкм в зависимости от температуры оксидирования и состоящих в основном из Fе₃О₄.

Оксидная пленка полученная при предварительном оксидировании (5-30 мин) при 550°С толщиной 0,7 - 2,7 мкм, состоит в основном из Fе₃О₄ и небольшого количества Fе2О₃. После предварительного оксидирования (5-30 мин) при 530°С, оксидные пленки толщиной 1,5-3,5 мкм, состоит из Fе₃О₄ и Fе₂О₃. При предварительном оксидировании (5-30 мин) при температуре 620°С на поверхности образуется оксидная пленка толщиной 2,5-5,2 мкм, которая состоит в основном из Fе₃О₄ и наблюдаются следы Fе₂О₃ и FeO.

Рисунок 3. Микроструктуры оксидных пленок, полученные в течение (10-30 мин) при температурах: а-550^оС; б-550^оС; в-550^оС.

В следующем разделе рассмотрены результаты исследования влияния кратковременного предварительного оксидирования на формирование азотированного слоя при газовом азотировании.

Рисунок 4.Схема технологического процесса азотирования с предварительным оксидированием.

-время нагрева; время предварительного оксидирования; - время азотирования; -время охлаждения; -температура предварительного оксидирования;  – температура азотирования.

Известно, что предварительное окисление влияет на процесс химико-термической обработки. Формирование тонких оксидных пленок при кратковременном окислении позволяет ускорить процессы высокотемпературной химико-термической обработки (цементации и нитроцементации).

В то же время известно тормозящее влияние предварительного окисления на формирование азотированного слоя [1] в интервале температур 450 - 550°С при длительных выдержках (более 0,5 час).

В этой связи представляло интерес выяснить влияние предварительного оксидирования при кратковременных выдержках (5-30 мин) на формирование азотированного слоя.

Исследование проводилось на образцах из армко-железа и легированных улучшаемых сталях 40Х и 38Х2МЮА.

Предварительное окисление проводили в атмосфере паров воды непосредственно перед азотированием в той же печи. После оксидирования атмосферу паров воды заменяли на аммиачную при тех же температурах обработки. Процесс азотирования проводили в аммиаке со степенью диссоциации 25-45%. После окончания процесса образцы охлаждали в печи в атмосфере аммиака до 180-200°С. Окончательные охлаждения образцов проводили в масле. Схема технологического процесса азотирования с предварительным оксидированием приведена на рис. 4.

Рисунок 5. Влияние времени предварительного оксидирования на толщину нитридной зоны.

а- 550 ^оС; б - 580 ^оС; в - 620 ^оС.

Исследовали влияние режима предварительного окисления на изменение толщины азотированного слоя. Было показано, что существует оптимальное время предварительного оксидирования, которое позволяет ускорить формирование азотированного слоя.

Рисунок 6. Влияние времени предварительного оксидирования ( на толщину нитридной зоны на стали 38Х2МЮА. ×500.

Режимы обработки: предварительное оксидирование 550^оС; азотирование 550^оС, 2 часа.

Существенное изменение толщины слоя при азотировании с предварительным оксидированием достигается при оксидировании в течение 5-10 мин, при всех рассмотренных температурах химико-термической обработки, независимо от продолжительности процесс последующего азотирования. На рис. 5 показана возможность ускорения процесса азотирования при предварительном оксидировании по сравнению с азотированием без предварительного оксидирования [2, 4, 5].

На рис. 6 - 8 приведены микроструктуры нитрид-оксидного слоя на стали 38Х2МЮА полученные при азотировании на предварительно оксидированных и неоксидированных поверхностях, которые подтверждают выводы об ускоряющем влиянии кратковременного предварительного оксидирования на насыщение стали азотом.

Рисунок 7. Влияние времени предварительного оксидирования () на толщину нитридной зоны на стали 38Х2МЮА,

Режим работы: предварительное оксидирование 580^оС; азотирование 580^оС, 2 часа.

Из рис. 5. видно, что оптимальные выдержки предварительного оксидирования, обеспечивающие максимальное увеличение толщины азотированного слоя, с повышением температуры смещаются в область меньших продолжительностей процесса.

Рисунок 8. Влияние времени предварительного оксидирования на толщину нитридной зоны на стали 38Х2МЮА,  

Режим работы: предварительное оксидирование 620^оС; азотирование 620^оС, 2 часа.

Выводы. Полученный фазовый состав нитрид-оксидных покрытий после азотирования и парооксидирования предварительно оксидированных поверхностей анологичен  фазовым состовом нитрид-оксидными слоями полученный при двух стадийной обработки заключающей в азотировании и последующей парооксидировании.

Увеличение времени предварительного оксидирования более 10 мин резко снижает скорость диффузионного насыщения азотом, что сопровождается уменьшением толщины нитридного слоя. Очевидно, с ростом толщины слоя оксидных пленок их рассасывание при низкотемпературном и кратковременном азотировании становиться затруднительным.

Список литературы

1. Лахтин Ю.М., Любкин А.А. Влияние предварительного окисления на процесс азотирования некоторых сплавов железа. Химико-термическая обработка стали и сплавов. Машиностроение. М. 1969. С.17-23.
2. Бойназаров У.Р. Разработка технологии нитрооксидирования с предварительным оксидированием. Дисс. на соиск. учен. степ. к.т.н. Москва -1993 г.
3. У.Р.Бойназаров, Т.Х.Раззоков. Микротвердость диффузионных нитрооксидных слоев. Журнал "Universum: технические науки". Россия. 2020 г. 26 июль.
4. У.Р.Бойназаров, В.И.Юршев, Л.Г.Петрова. Изгибная прочность оксинитридных покрытий. Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы Всерос. науч.-метод. конф. (с междунар. участием), с 490-495, 23-25 янв. 2020 г., Оренбург, Россия.
5. Ю.М.Лахтин, Я.Д.Коган, В.Е.Кольцов, У.Р.Бойназаров. Влияние предварительного оксидирования на процесс кратковременного азотирования. «Металловедение и термическая обработка металлов» журнал № 3. Москва-1993 г.