ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА АЗОТИРОВАНИЯ В СОЛЯНОЙ ВАННЕ NaNO₃ ДУПЛЕКСНОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ

АННОТАЦИЯ

2205 дуплексная нержавеющая сталь была подвергнута азотированию в солевой ванне на основе нитрата натрия (NaNO₃) при температуре от 592 °C до 650°C в течение 1–10 часов. В ходе исследования было проанализировано влияние температуры и времени выдержки на формирование микроструктуры, изменение микротвёрдости и фазового состава материала.

По результатам рентгеноструктурного анализа было выявлено, что после азотирования происходит образование упрочнённого поверхностного слоя, характеризующегося повышенным содержанием азотсодержащих фаз.
Было определено, что микротвёрдость образца увеличилась с 279,7 HV до 296 HV после обработки в ванне, содержащей NaNO₃ + 4,8 % NaCl, при температуре 650 °C в течение 8 часов.

Сравнительный анализ показал, что эффект азотирования в соли NaNO₃ аналогичен результатам, полученным при использовании KNO₃, однако было обосновано, что нитрат натрия является более экономически выгодным реагентом, обеспечивающим схожие характеристики упрочнения.

Таким образом, было установлено, что применение NaNO₃ является эффективным и экономичным методом азотирования дуплексной нержавеющей стали 2205, обеспечивающим повышение твёрдости и улучшение механических свойств материала.

ABSTRACT

2205 duplex stainless steel was nitrided in a sodium nitrate (NaNO₃) salt bath at temperatures ranging from 592°C to 650°C for 1–10 hours. The study analyzed the effects of temperature and holding time on microstructure formation, microhardness, and phase composition.

X-ray diffraction analysis revealed that nitriding resulted in the formation of a hardened surface layer characterized by an increased content of nitrogen-containing phases.

The microhardness of the sample increased from 279.7 HV to 296 HV after treatment in a bath containing NaNO₃ + 4.8% NaCl at 650°C for 8 hours. A comparative analysis revealed that the effect of nitriding in NaNO₃ salt is similar to the results obtained using KNO₃, but it was demonstrated that sodium nitrate is a more cost-effective reagent, providing similar hardening characteristics.

Thus, it was established that the use of NaNO₃ is an effective and cost-effective method for nitriding 2205 duplex stainless steel, providing increased hardness and mechanical properties.

Ключевые слова: дуплексная нержавеющая сталь, соляная ванна NaNO₃, азотирование, микротвердость, рентгеноструктурный анализ.

Keywords: duplex stainless steel, NaNO₃ salt bath, nitriding, microhardness, X-ray diffraction analysis.

Введение

2205 Дуплексная нержавеющая сталь состоит из двух фаз — α-ферритной и γ-аустенитной. Известно, что нитрат натрия (NaNO₃) является одним из наиболее дешёвых источников азотирования стальных листов. Нитратное азотирование используется для модификации поверхности металлов с 2005 года [1–6]. В этом процессе атомы азота из нитрата диффундируют в поверхность металла при температуре плавления нитратной соли [1–6]. После азотирования твердость и предел прочности металлов увеличиваются. Изменения механических свойств зависят от типа нитратной соли, температуры и времени азотирования, свойств исходного материала, добавок и других параметров [5]. Дуплексная нержавеющая сталь содержит примерно 50 % α-ферритной и 50 % γ-аустенитной фаз. α-ферритная фаза имеет кубическую объёмно-центрированную решётку (ОЦК), а γ-аустенитная — кубическую гранецентрированную (ГЦК). Обе фазы способны поглощать небольшие атомы углерода (С) и азота (N) как межузельные элементы. Растворимость С и N в α-ферритной фазе при комнатной температуре крайне низка [7], однако поглощённые атомы С и N делают сталь более прочной [7].

В предыдущей работе [6] мы исследовали изменения механических свойств дуплексной нержавеющей стали, подвергнутой азотированию в ванне из нитрата калия (KNO₃). Так как нитрат натрия (NaNO₃) дешевле нитрата калия (KNO₃), в настоящем исследовании изучалось влияние более дешёвой соли — NaNO₃ — на изменения механических свойств дуплексной нержавеющей стали после азотирования в солевой ванне.

Материалы и методы исследования

В данном исследовании для азотирования использовались листы дуплексной нержавеющей стали марки ASME-SA-240-07-S31803 (2205 DSS). Толщина листа составляла 1 мм. Соотношение двух фаз — α-ферритной и γ-аустенитной — было примерно равным. Химический состав дуплексной нержавеющей стали приведён в таблице 1 [5, 6]. В качестве источника азотирования применялась соль нитрата натрия (NaNO₃) с чистотой 99 %. Нитрат натрия — это неорганическое соединение с плотностью 2,257 г/см³, температурой плавления 308 °C и температурой кипения (разложения) 380 °C.

Для сравнения: плотность нитрата калия (KNO₃) составляет 2,11 г/см³, температура плавления — 334 °C, а температура кипения (разложения) — 400 °C.

Таблица 1.

Химический состав листа дуплексной нержавеющей стали (вес. %).

Хлорид натрия (NaCl) также использовался в качестве добавки [4]. Для проведения процесса азотирования листов дуплексной нержавеющей стали применялась электрическая печь [4]. Для удаления оксидных плёнок с поверхности образцы после азотирования закаливали в холодной воде. Все образцы подвергались травлению и полировке до зеркального блеска перед испытаниями. Профили микротвёрдости по толщине азотированных образцов измерялись методом Виккерса при нагрузке 300 г. Микроструктура исследовалась с помощью оптического микроскопа. Содержание азота (N) и кислорода (O) определялось при помощи спектрометра Elemental Q8 MAGELLAN. Для определения изменений структурных свойств до и после азотирования применялся рентгеновский дифрактометр (XRD).

Результаты и обсуждение

На рис. 1 представлена оптическая микроструктура дуплексной нержавеющей стали, азотированной в солевой ванне NaNO₃ при температуре 650 °C в течение 4 часов (поперечное сечение). Различий в микроструктуре между поверхностным и центральным слоями образца после азотирования в ванне NaNO₃ не наблюдалось.

Рисунок 1. Оптические микроструктуры поперечного сечения листа дуплексной нержавеющей стали, азотированного в солевой ванне NaNO₃ при 650 °C в течение 4 часов: (a) — поверхность; (b) — средний слой

Рисунок 2. Рентгеновские диффракционные профили листов дуплексной нержавеющей стали, азотированных в солевой ванне NaNO₃ при 650 °C (без удаления оксидных плёнок): (a) — исходное состояние; (b) — после 2 часов; (c) — после 4 часов; (d) — после 8 часов; (e) — после 10 часов

На рис. 2 представлены рентгеновские дифракционные профили исходного и азотированного листа дуплексной нержавеющей стали, на поверхности которых не были удалены оксидные плёнки после азотирования в солевой ванне NaNO₃ при температуре 650 °C в течение различного времени.

Определение фазового состава проводилось с использованием программного обеспечения JCPDS. В образцах, азотированных в ванне NaNO₃, были идентифицированы следующие соединения: Fe₃O₄, FeCr₂O₄, Cr₅O₁₂, CrO₂, Fe₂O₃, Cr₂N, Fe₂N, Fe₃N, Fe₄N, α-железо и γ-железо. Соединения Fe₃O₄, FeCr₂O₄, Cr₅O₁₂, CrO₂ и Fe₂O₃ образовались вследствие окисления поверхности листа дуплексной нержавеющей стали во время процесса азотирования.

Как показано на рис. 3, среднее значение микротвёрдости азотированных листов дуплексной нержавеющей стали в солевой ванне NaNO₃ при температурах 600 °C и 650 °C в течение 0–10 часов увеличилось соответственно на 15,2 HV и 16,2 HV.

Рисунок 3. Средние значения микротвёрдости по Виккерсу дуплексной нержавеющей стали, азотированной в солевой ванне NaNO₃, по направлению толщины при температурах 600 °C и 650 °C в течение различного времени

Среднее значение микротвёрдости образца, азотированного в солевой ванне NaNO₃ при 650 °C в течение 8 часов, оказалось наибольшим — 292,5 HV, по сравнению с другими образцами, представленного на рис. 3.

Рисунок 4. Средняя микротвёрдость по Виккерсу листов дуплексной нержавеющей стали, азотированных в солевой ванне NaNO₃ + 4,8 % NaCl, по направлению толщины при температурах 592 °C и 650 °C в течение различного времени

Средняя микротвёрдость при азотировании в NaNO₃ + 4,8 % NaCl при 592 °C оказалась ниже, чем при азотировании в KNO₃ + 4,8 % NaCl при 650 °C, что показано на рис. 4.

Добавление хлорида натрия (NaCl) к солевой ванне NaNO₃ не оказало заметного влияния на изменения микротвёрдости азотированных листов дуплексной нержавеющей стали (см. рис. 4).

Этот результат отличается от данных исследования M. K. Lee [4], однако соответствует результатам азотирования в ванне KNO₃ [5, 6].

Заключение

Было установлено, что эффект азотирования при использовании нитратов натрия (NaNO₃) и калия (KNO₃) является сходным с точки зрения влияния на механические свойства дуплексной нержавеющей стали. Однако, поскольку нитрат натрия является более доступным и экономичным реагентом по сравнению с нитратом калия, было обосновано, что использование NaNO₃ делает процесс азотирования дуплексной нержавеющей стали более рациональным и экономически целесообразным.

Список литературы:

1.  Y. Z. Shen, K. H. Oh, D. N. Lee, Nitriding of steel in potassium nitrate salt bath, Scripta Mat.53(12) (2005) [1345-1349].
2.  Y. Z. Shen, K. H. Oh, D. N. Lee, Nitriding of Interstitial Free Steel in Potassium-Nitrate Salt Bath, ISIJ Int. 46(1) (2006) [111-120].
3.  Y. Z. Shen, K. H. Oh, D. N. Lee, Nitrogen strengthening of interstitial-free steel by nitriding in potassium nitrate salt bath, J. Mat. Sci. Eng. A 434(1-2) (2010) [314-318]
4.  M. K. Lee, D. S. Kim, S. C. Kim, S. W. Han, I. Kim, D. N. Lee, Effect of NaCl and CaCl2 additives on NaNO3 bath nitriding steel, J. Mat. Sci. and Eng. A527(4-5) (2010) [1048-1051]
5.  J. D. Shukurdjanov, Changes on Mechanical Properties of 2205 Duplex Stainless Steel Sheets by Nitrate Salt Bath Nitriding, Master thesis, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Republic of Korea, 2015, pp. [1-66].
6. J. D. Shukurdjanov, I.S. Kim, Mechanical properties changes of KNO3 salt bath nitridied duplex stainless steel: published in Proc. of ICAEMM 2016 conference by World scientific publishing Co. (2016) pp. [47-50].
7.  R. W. K. Honeycombe, H. K. D. H. Bhadeshia, Steels Microstructure and Properties, third ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, UK, 2006, pp. [1-16].