Микротвердость диффузионных нитроксидных слоев

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты проведенных исследований по азотированию для упрочнения разнообразных сталей и сплавов, деталей машин и инструментов, работающих в различных условиях эксплуатации.

ABSTRACT

The article presents the results of studies on nitriding for hardening a variety of steels and alloys, machine parts and tools operating in various operating conditions.

Ключевые слова: азотирование, предварительное окисление, твердость, диффузионный, слой, нитридная зона, поверхность, сталь.

Keywords: nitriding, pre-oxidation, hardness, diffusion, layer, nitride zone, surface, steel.

Для повышения долговечности деталей машин используются различные методы термической и химико-термической обработки. Среди методов поверхностного упрочнения можно выделить применение процессов азотирования, цементации, нитроцементации, диффузионной металлизации, гальванические и химические покрытия.

Перспективными технологиями поверхностного упрочнения деталей машин, способными составить конкуренцию гальваническим способам получения защитных покрытий, являются низкотемпературные методы азотирования.

Азотирование широко применяется для упрочнения разнообразных сталей и сплавов, деталей машин и инструментов, работающих в различных условиях эксплуатации. В настоящее время разработано множество технологических вариантов получения нитроксидных диффузионных покрытий, обеспечивающих достаточно высокие физико-механические свойства [2].

Целью данной работы является получение диффузионного нитроксидного защитного покрытия с наилучшими физико-механическими свойствами, в частности, микротвердость в трехстадийном процессе азотирования, который состоит из предварительного оксидирования, азотирования, последующего оксидирования в парах воды.

При азотировании с предварительным окислением и последующим оксидированием такие технологические факторы, как температура и время насыщения, а также температурно-временные параметры предварительного окисления, оказывают существенное влияние на твердость поверхностной зоны.

Значение микротвердости нитридного слоя, полученного при предварительном оксидировании, несколько выше, чем у нитридного слоя без предварительного оксидирования.

Микротвердость при азотировании с предварительным оксидированием повышается по всей толщине поверхностного нитридного слоя и зоны внутреннего азотирования. Это повышение наблюдается при всех рассмотренных температурах (550, 580 и 620 °С) и зависит от времени предварительного оксидирования, т.е. имеется определенное оптимальное время предварительного оксидирования для каждой из рассмотренных температур, которые благоприятствуют формированию оксинитридного защитного слоя не только с высокой микротвердостью, но и другими хорошими физико-механическими свойствами.

Микротвердость нитридно-оксидного слоя после последующего оксидирования повышается до 11,8 ГПа по сравнению с микротвердостью азотированного слоя – 10,2 ГПа [1].

Кроме того, влияние на изменение микротвердости поверхностного нитридного слоя и зоны внутреннего азотирования оказывает температура последующего оксидирования.

На рис. 1 приведен график зависимости микротвердости на поверхности образцов от режимов обработки при азотировании в температуре 580 °С в течение 2 часов.

Рисунок 1.  Распределение микротвердости по толщине нитридного (1) и нитрид-оксидного слоя (2, 3). Сталь 38Х2МЮА:

1 – предварительное азотирование: 580 °С; 2 часа; 2 – предварительное оксидирование: 580 °С; 7 мин + азотирование: 580 °С; 2 часа; 3 – предварительное оксидирование: 580 °С; 7 мин + азотирование: 580 °С; 2 часа + парооксидирование: 550 °С; 30 мин

Из кривых в рис. 1 видно, что наибольшая твердость на поверхности получается после обработки в режиме 3, что соответствует оптимальному режиму нитрооксидирования по нашей технологии при данной температуре.

Для исследования были использованы нитридоксидированные образцы из стали 38Х2МЮА. Микротвердость диффузионных покрытий измеряли на приборе ПМТ-3.

Как видно из рис. 1 при азотировании с предварительным окислением и последующим оксидированием такие технологические факторы, как температура и время насыщения, а также температурно-временные параметры предварительного окисления, оказывают существенное влияние на твердо­сть поверхностной нитридной зоны [3].

Рисунок 2. Распределение микротвердости по толщине нитридного (1) и нитрид-оксидного слоя (2, 3). Сталь 38Х2МЮА:

1 – предварительное оксидирование: 550 °С; 10 мин + азотирование: 550 °С; 2 часа + парооксидирование: 550 °С; 30 мин; 2 – предварительное оксидирование: 580 °С; 7 мин + азотирование: 580 °С; 2 часа + парооксидирование: 550 °С; 30 мин; 3 – предварительное оксидирование: 620 °С; 5 мин + азотирование: 620 °С; 2 часа + парооксидирование: 600 °С; 30 мин

На рис. 2 приведен график зависимости микротвердости на поверхности на образцах из стали 38Х2МЮА от предварительного и последующего парооксидирования при обработке в оптимальных режимах на различных температурах.

Исследование микротвердости диффузионных слоев показало, что максимальная твердость поверхностного оксинитридного слоя после оптимальных режимов предварительного окисления несколько выше, чем у нитридного слоя без предварительного окисления (рис. 2).

Повышение микротвердости обнаруживается практически по всей толщине поверхностного нитридного слоя и зоны внутреннего азотирования. Такое повышение твердости, по-видимому, связано с образованием оксинитридного слоя и одновременно влиянием кис­лорода на процесс ускорения диффузии азота по всей толщине диф­фузионного слоя.

При оксидировании оксинитридного слоя происходит дальней­шее повышение твердости в поверхностных слоях (рис. 1 кри­вая 3). Вероятно, это связано с перераспределением азота и кис­лорода при дополнительной обработке и достижении оптимального содержания азота и кислорода в нитридной зоне, что подтверждает­ся результатами рентгеноструктурного анализа, образованием фа­зы ε и γ', обладающей высокой твердостью.

Установлено, что увеличение температуры насыщения приводит к уменьшению твердости в поверхностных слоях оксинитридной зоны (рис. 2), пик максимальной твердости с понижени­ем температуры насыщения смещается в сторону границы нитридной зоны, при этом соответственно уменьшается толщина зоны с повышен­ной твердостью [3].

Характер изменения распределения твердости после трехстадийной химико-тер­мической обработки показывает, что поверхностная оксидная пленка обладает меньшей твердостью (4,0–5,0 ГПа), чем твердость оксинитридного подслоя, имеющего высокую твердость (до 8,5–12,5 ГПа). Такое распределение твердости у штоков амортизаторов, обработанных по нашей технологии, благоприятно влияет на процесс трения и изнашивания работающих в постоянно изменяющихся нагрузках, способствуя хорошей прирабатываемости соприкасающихся поверхностей и обеспечивая положительный градиент механических свойств по сечению. Это подтверждается результатами испытаний.

Таким образом, при оптимальных трехстадийных режимах азотирования с пред­варительным оксидрованием в поверхностной оксинитридной зоне наблюдается повышение твердости, и дополнительная окислительная обработка в конце процесса также приводит к увеличению твердости.

Cписок литературы:

1. Бойназаров У.Р. Разработка технологии нитрооксидирования с предварительным окислением : дис. … канд. техн. наук. – М., 1993.
2. Бойназаров У.Р., Юршев В.И., Петрова Л.Г. Изгибная прочность оксинитридных покрытий // Всероссийская научно-методическая конференция (Оренбург, 23–25 января 2020 г.). – С. 490–494.
3. Теория и технология азотирования / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган (Россия), Г.И. Шпис, З. Бемер (ФРГ). – М. : Металлургия, 1991.