Изменение фазового состава и свойств сталей в процессе азотирования и его влияние на работоспособность деталей резинотехнического машиностроения Коновальцев Владислав Иванович

Содержание к диссертации

Введение

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ АЗОТИРОВАНИЯ И СВОЙСТВАХ ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ 7

1.1. Взаимодействие железа с азотом 7

1.2. Современные представления о природе твердости азотированного слоя 12

1.3. Износостойкость и усталостная прочность азотированных сталей 19

1.4. Заключение и постановка задачи 25

2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 28

2.1. Используемые материалы 28

2.2. Технология газового азотирования 30

2.3. Рентгеноструктурный фазовый анализ 32

2.4. Измерение горячей твердости 36

2.5. Световая микроскопия 39

2.6. Исследование тонкой структуры азотированного слоя 41

2.7. Измерение микротвердости 41

2.8. Испытания на износ в среде резины 41

2.9. Испытания на усталостную прочность 44

3. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ АЗОТИРОВАННОГО СЛОЯ В ПРОЦЕССЕ НАСЫЩЕНИЯ 47

3.1. Влияние насыщения промышленных сталей азотом на температуру эвтектоидного превращения 47

3.2. Изменение фазового состава армко-железа в процессе азотирования 48

3.3. Азотированный слой углеродистых сталей 56

3.4. Формирование фазового состава на легированных сталях 62

Выводы 70

4. ФОРМИРОВАНИЕ ТВЕРДОСТИ АЗОТИРОВАННОГО СЛОЯ УГЛЕРОДИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ НАСЫЩЕНИЯ И ОХЛАДЦЕНИЯ 72

4.1. Твердость азотированного слоя армко-железа и углеродистых сталей 72

4.2. Формирование твердости диффузионного слоя при азотировании легированных сталей 83

Ввводы 91

5. ВЛИЯНИЕ АЗОТИРОВАНИЯ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ 93

5.1. Влияние режимов насыщения на азотированный слой сталей 93

5.1.1. Непрерывный двухступенчатый режим насыщения 93

5.1.2. Циклическое азотирование сталей 97

5.1.3. Двухступенчатый циклический режим насыщения 99

5.2. Усталостная прочность азотированных сталей 108

5.2.1. Влияние азотирования на циклическую прочность стали 40Х 108

5.2.2. Изменение усталостной прочности стали 38ХМЮА после азотирования пд различным режимам 111

5.3. Износостойкость азотированных сталей в резиновых смесях 113

5.3.1. Особенности износа поверхностей припереработке резины 113

5.3.2. Влияние азотирования на износостойкость углеродистых сталей, сталей 40Х и 38ХМЮА 114

Выводы 123

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 125

Литература 128

ПРИЛОЖЕНИЕ 138

• Взаимодействие железа с азотом
• Используемые материалы
• Влияние насыщения промышленных сталей азотом на температуру эвтектоидного превращения
• Твердость азотированного слоя армко-железа и углеродистых сталей
• Влияние режимов насыщения на азотированный слой сталей

Введение к работе

Увеличение срока службы машин при одновременном снижении их металлоемкости за счет упрочнения ответственных деталей - одна из насущных задач современного машиностроения. Резинотехническое машиностроение не является исключением. Прессформы и червячные ма-* шины,смесители и форматоры-вулканизаторы, котлы и девулканизато-ры - далеко не полный перечень выпускаемых машин и конструкций.

На заводах резинотехнического машиностроения для упрочнения деталей машин широко применяются различные виды термической и химико-термической обработки (ХТО).Одним из наиболее широко распространенных видов ХТО является азотирование в газовых средах. Азотируют такие детали, как червяки и насадки,штоки и гильзы,шестерни и прессформы. Основным недостатком данного процесса химико-термической обработки является его большая продолжительность (порядка 48-96 часов по двухступенчатому режиму). Поэтому неслучайно большинство исследований направлено на поиски путей интенсификации процесса азотирования с одновременным повышением физико-механических свойств диффузионного слоя. В свою очередь эти вопросы невозможно решить без всестороннего изучения особенностей формирования диффузионного слоя, его фазового состава при температуре процесса и после охлаждения, влияния параметров азотирования на износостойкость в среде резины и предел выносливости.

Долгое время в научной литературе не было единого мнения о последовательности формирования диффузионного слоя,обуславливающей его исключительну/высокую твердость. Применение высокотемпературного рентгеноструктурного анализа дало возможность экспериментально определить последовательность образования фаз на поверхности. Однако этот метод не позволяет установить, какие изменения претерпевают внутрилежащиеслои при насыщении, последующих охлаждении и вторичном нагреве, как влияют структурные превращения на основные свойства азотированного слоя^?

В настоящей работе предпринята попытка ответить на некото- -рые поставленные вопросы, а также подобрать оптимальный режим насыщения с целью получения лучшего комплекса физико-механических свойств деталей машин резинотехнического машиностроения при одновременной интенсификации процесса азотирования.

Автор защищает

Методику и результаты рентгеновского фазового анализа по глубине диффузионного слоя непосредственно при температурах азотирования.

Экспериментальные результаты измерения горячей твердости диффузионного слоя в процессе насыщения азотом, последующего охлаждения и при вторичном нагреве промышленных сталей.

Методику и результаты изучения влияния технологических факторов газового азотирования на износостойкость диффузионного слоя в резиновых смесях.

Способ газового азотирования, позволяющий интенсифицировать процесс насыщения при сохранении оптимальных физико-механических свойств диффузионного слоя.

Автор считает приятным долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю доктору техничесішх наук, профессору А.П.Гуляеву за постановку задачи, консультации и постоянное внимание к работе.

Автор глубоко признателен кандидату технических наук В.В.Никитину, принимавшему непосредственное участие в составлении плана и подготовке экспериментальных работ, а также помогавшему ценными советами при анализе результатов экспериментов.

Взаимодействие железа с азотом

Изучению взаимодействия железа с азотом посвящено большое количество работ [1-8 и др.] . Уже в первых исследованиях процесса азотирования Н.П.Чижевским [Ц было обнаружено наличие в диффузионном слое нитридов, которые впоследствии были обнаружены и другими исследователями. Однако вопрос о механизме образования диффузионных слоев и роли химического взаимодействия поверхности железа с окружающей средой долгое время оставался дискуссионным. Существовали два механизма - диффузионный и реактивный.

Д.А.Прокошкиным была выдвинута L3] точка зрения, согласно которой новые азы на поверхности возникают после того, как концентрация диффундируёщего элемента превышает предел его растворимости в исходном твердом растворе. Сторонники другой точки зрения [5-7] считали, что формирование диффузионного слоя начинается не с насыщения до предельной концентрации твердого раствора, а с образования на поверхности тонкого слоя химического соединения.

Более поздние исследования C9J процесса насыщения поверхности железа азотом, проведенные методом высокотемпературного рент-геноструктурного анализа, разрешили этот спорный вопрос. Авторы, изучая последовательность образования фаз в азотированном слое, подтвердили точку зрения Д.А.Прокошкина. Ими показано, что процессу образования на поверхности железа химического соединения предшествует насыщение исходного твердого раствора до предельной концентрации. Итак, диффузионный механизм образования азотированного слоя на сегодняшний день считается доказанным (послойный фазовый рентгеноструктурный анализ при температурах насыщения, проведенный в настоящей работе, также подтвердил эту точку зрения).

Следуя утвердившейся точке зрения, для изучения формирования азотированного слоя рассмотрим существование фаз при взаимодействии железа с азотом согласно диаграмме железо-азот. В настоящее время общепризнана диаграмма, полученная В.Г.Параньепе и др. [10]

На диаграмме состояния об и У обозначены твердые растворы азота в ОЦК и ГЦК решетках железа соответственно, а в , Q и % - нитриды железа.

При насыщении железа и его сплавов азотом последний диффундирует как элемент внедрения, поскольку выполняется правило ХЭГ-ГА III]. Согласно этому правилу твердый раствор внедрения образуется в том случае, когда отношение действительных атомных радиусов растворенного элемента и атомов матрицы не превышает 0,59. Для атомов азота и железа это соотношение составляет 0,55.

Используемые материалы

В отечественном машиностроении, в том числе и в резинотехническом, для изготовления деталей машин, упрочненных азотированием, широко применяются нитраяои типа 38ХША, 40ХНМА, сіталь 40Х и обычные углеродистые стали.

Для решения поставленных в работе задач по повышению эксплуатационной стойкости деталей резинотехнического машиностроения из конструкционных сталей путем оптимального подбора твердости и фазового состава в процессе азотирования, были выбраны следующие марки сталей: стали 20, 45, У8А, 40Х, ЗЄКМЮА.

При материаловедческих исследованиях, связанных с изучением изменений различных характеристик сталей после химико-термической обработки, для сравнения выбирают модельные материалы. В большинстве случаев, для исключения физико-химических процессов, вызываемых присутствием в сталях углерода и легирующих элементов, в качестве модельного материала выбирают армко-железо. Кроме того, с целью выяснения влияния повышенного содержания алюминия на фазовый состав и твердость азотированного слоя, проводились исследования на стали 35ХЫЮ6А.

Влияние насыщения промышленных сталей азотом на температуру эвтектоидного превращения

Так как легирующие элементы оказывают влияние на температуру о- У превращения, некоторые исследователи 28,46 допускают возможность снижения температуры эвтектоидного превращения в многокомпонентной системе ниже 591С, т.е. ниже температуры эвтектоидного превращения в бинарной системе железо-азот. Данные же, полученные с помощью высокотемпературной рентгенографии поверхностей образцов в процессе азотирования 1291 , не показали присутствия У -твердого раствора при температурах азотирования ниже эвтектоидной (ниже 591С). Однако в однозначности такогс ответа может возникнуть сомнение: автором [29] использвался фотографический метод регистрации, т.е. на экспозицию отражений затрачивается определенное время, в результате которого происходит дополнительное азотирование, и слабые отражения могут вуалироваті ся или не успеть зафиксироваться, если они появились в конце экспозиции; кроме того, в результате различных поверхностных эффектов V -твердый раствор в многокомпонентной системе при температуре ниже 5910 на поверхности образца может и не образоваться, а находиться на некоторой глубине диффузионного слоя.

Для определения эвтектоидного превращения при азотировании промышленных сталей в настоящей работе использовался дифракто-метр, применение которого значительно сокращает время экспозиции, особенно при съемке только реперных линий. Определение температур ры эвтектоидного превращения проводили методом "исчезающей фазы" [83"] при съемке реперных линий (ПО), С211)об и (III), (200)"У твердых растворов. Съемку вели через I час азотирования с поверхности образца и по глубине слоя. Исследования проводились при температуре 520С и выше (после каждого часа азотирования) через ЮС до появления отражений V -твердого раствора.

Твердость азотированного слоя армко-железа и углеродистых сталей

Исследования результатов азотирования в большинстве случаев сводятся к изучению твердости диффузионного слоя, как к наиболее характерной особенности этого вида химико-термической обработки, и выявлению ее связи со структурой, фазовым составом и другими характеристиками слоя, условиями насыщения (температурой, временем выдержки и др.). Это связано с тем, что твердость, по определению [92] - сложное интегральное свойство, зависящее как от физико-химических и кристаллохимических ( типа кристаллической структуры, валентности, химических связей и пр.), так и от механических, присущих любому твердому телу (упругость, хрупкость, -, пластичность, прочность и др.) факторов.

Измерение твердости азотированного слоя чаще всего проводилось при комнатных температурах после процесса азотирования L4, 8,31 и др.Д или при высокой температуре в вакууме [88] после окон-4 чания процесса насыщения. И лишь в работе [283 проведено определение твердости в процессе азотирования и последующего охлаждения железо-алюминиевых и железо-молибденовых сплавов.

В настоящей работе изучение формирования твердости проводили на специально изготовленной установке (см.гл.2.4 и С87І ) с уменьшенными предварительной и испытательной нагрузками. Полученные в результате измерения горячей твердости данные в процессе азотирования [95]армко-железа и углеродистых сталей при 520С приведены на рис.4.2. Представленный график является совмещением трех: I - изменение твердости во время азотирования; 2 - изменение твердости в процессе охлаждения и 3 - изменение твердости в процессе вторичного нагрева до температуры азотирова ния и после выдержки при этой температуре в течение 2 часов (по следнее должно исключить уменьшение твердости за счет температур ного эффекта при охлаждении), Азотирование при 520С, как видно из графика, приводит к тому, что в первые часы насыщения происходит постепенное возрастание твердости до определенного значения. Как показали рентгено-структурные исследования (см.гл.3.2, 3.3), в это время образуются на армко-железе нитриды, а на углеродистых сталях - карбонитриды железа. Следует отметить, что зона нитридов и карбонитридов железа образуется на поверхности в течение 3-4 часов азотирования и при дальнейшем насыщении растет незначительно (см.рис.3.4, 3.6, 3.7). Следовательно, дальнейший рост твердости может происходить за счет упрочнения матрицы при насыщении азотом.

Влияние режимов насыщения на азотированный слой сталей

Наиболее широко применяемыми сталями для азотирования в оте-, чественном машиностроении являются хромомолибденоалюминиевые стали типа 38ХМЮА. Однако в последнее время на предприятиях, в частности на заводах-резинотехнического машиностроения, применяют азотирование изделий из более дешевой стали 40Х. Поэтому изучешю свойств азотированного слоя именно этих сталей приобретает особое значение для деталей машин резинотехнического машиностроения.

Для повышения износостойкости деталей машин резинотехнического машиностроения до недавнего времени широко применялся (как основной) двухступенчатый режим азотирования по схеме,представленной на рис. 5.1. Выбор такого режима насыщения определялся получением большой толщины диффузионного слоя при достаточно высоко.

После азотирования по двухступенчатому режиму толщина слоя на стали 40Х достигает 0,40-0,45 мм, а на стали 38ХМЮА - 0,55-0,60 мм с максимальными значаниями микротвердости до 51,02 10 МПа и 79,46 10 МПа соответственно (рис.5.2).

Основным недостатком такого процесса является большая длительность насыщения (более 50 часов), что часто способствует снижению некоторых эксплуатационных свойств деталей. Кроме того, при длительном процессе азотирования, как отмечается в монографии С 96] и в работе Г97J , происходит замедление процесса насыщения, которому способствует водород, являющийся неизбежным продуктом диссо-циации аммиака. При температурах азотирования водород вызывает обезуглероживание металла вследствие образования углеводородов и разрушения карбидов, что также было отмечено в настоящей работе (см.гл.3.3).