автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Азотирование в условиях термогазоциклических воздействий

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫИ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

I 3 СЕЗ ШЗ На правах рукописи

Анвар Ахмед Ибрагим Халиль

АЗОТИРОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ ТЕРМОГАЗОЦИКЛИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

(

специальность. 05.02.01. - Материаловедение в машиностроении (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996 г.

Работа выполнена в Московском Государственном автомобильно-дорожном институте (Техническом Университете ) на кафедре Металловедения и термообработки.

Научные руководители - доктор химических наук, профессор

ч Д.ПШашков,

- заслуженны)"! деятель науки и техники РФ, доктор технических наук. профессор Ю.МЛахтин

Официальные оппоненты . - доктор технических наук г

профессор М.Г.Карпман,

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Б.И.Ческис

Ведущая организация - А.О. "Фрезер"

Защита состоится " 995 г_ в /^ ча.

сов на заседании диссертационного совета Д 053.30.03 при Московском Государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу : 125829, Москва, ГСП-47, Ленинградский проспект, д.64, в ауд.42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направить в адрес диссертационного совета.

Телефон для справок: 155-01-59

Р А^Р

Автореферат разослан " " ^ч—-- 1996 г.

"Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

М.А.Потапов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие машиностроения и автомобильной промышленности в современных условиях требует не только разработки новых сплавов и композиционных материалов, но и совершенствование существующих технологии термической и химико-термической обработки (ХТО). ХТО сочетает химическое и термическое воздействие с целью изменения химического состава, строения и свойств поверхностного слоя металла или сплава, что обеспечивает повышение поверхностной твердости, износостойкости, контактно-усталостной прочности и других свойств деталей машин и «инструмента.

Одним из широко используемых в настоящее время в машиностроении процессов ХТО является газовое азотирование в непрерывном потоке аммиака. Главным недостатком этого процесса является длительность процесса насыщения, что приводит к неоправданному высокому расходу газов, энергии и значительному выбросу вредных продуктов в воздушную атмосферу. Поэтому важной задачей в научном и практическом отношении является разработка высокоэффективных процессов азотирования без ухудшения физико-механических свойств деталей машин.

'"Цель" работы. Разработка регулируемых ресурсосберегающих технологий газового азотирования:

1) технологии газоцнклического азотирования, заключающейся в пе-риодическом чередовании при постоянной температуре циклов насыщения в проточном аммиаке и деазотирования на втором цикле при максимально возможном снижении азотного потенциала насыщающей атмосферы;

2) технологии термогазоциклического азотирования, заключающейся в том, что насыщение на первой стадии проводится в проточном аммиак? при одной температуре, а деазотнрование на второй стадии - при белее высокой температуре.

Научная ;:отг«зна. В работе впервые определены кинегические закономерности формирования диффузионного слоя при газоциклическом и термогязоциклическом азотировании. Во-вторых, изучены кинетические закономерности рассасывания ннтридной зоны и зоны

внутреннего азотирсзания при деазотпрованин на второй стадии. В-третьих, исследованы структура, фазовый состав и распределение азота в диффузионном слое при газо- и термогазоцнклическом азотировании.

Практическая ценность. Практическое значение работы заключается в разработке ресурсосберегающих регулируемых технологий азотирования в условиях газоциклических и термогазоциклических воздействий, позволяющих получать азотированные слои е¿заданным составом и свойствами, при этом достигается сокращение расхода аммиака от 2 до 10 раз по сравнению с обычным азотированием в проточном аммиаке при идентичных температурно-временных параметрах _ процессов. Кроме того, применение газоцнклического и термогазоцик-лического азотирования приводит к существенной интенсификации процесса насыщения.

Апробация. Результаты работы докладывались на 53 и 54 научно-методической конференции МАДИ (ТУ) в 1995 и ¡996 гг.

Объем работы. Диссертация состоит из введения и 4 глав на 142 страницах машинописного текста, выводов, литературы из 107 источников, таблиц 8 и 59 рисунков.

и. ГАЗОЦИКЛИЧЕСКОЕ И ТЕРМОГАЗОЦИ-КЛИЧЕСКОЕ • АЗОТИРОВАНИЕ АРМКО-ЖЕЛЕЗА

Процесс газоциклического азотирования - изотермический процесс. Газовый цикл состоит из двух полуциклов. На первом полуцикле проводили обычное азотирование в потоке аммиака. На втором полуцикле проводили деазотирование в атмосфере аммиака при закрытом входе и выходе газа из контейнера установки для обычного азотирования, т.е. в атмосфере практически полностью диссоциированного аммиака. В дальнейшем этот газовый цикл азотирования повторялся.

Процесс газоциклического азотирования, т.е. азотирования при постоянной температуре, проводили при разных температурах. Например, для армко-железа, которое было выбрано модельным материалом. азотирование в условиях газоциклических воздействий проводили при 570"С и 600"С. Общее Еремя процесса составляло 6 часов, при этом продолжительность каждого полущила составляла 0,5: 1.0: 1.5;

-33,0 н 6.0 часов. Каждый цикл состоит из двух равных по времен)! полуциклов. При этом количество газовых циклов -составляло соответственно 6; 3; 2: I и0,5(это обычное азотирование).

Степень диссоциации аммиака в каждом первох! полуцикле.т.е. на стадии насыщения, контролировали через каждые 15-20 мин с помощью водяного диссоциометра. При температуре насыщения 570"С степень диссоциации аммиака составляла 25-30% . а при температуре 600"С - 40-45%. На кахдом втором полуцикле степень диссоциации аммиака возрастает и составляет 68-70% при 570" С и 94-98% - при 600я С. -

При термогазоциклическом азотировании очень важным условием при исследовании является правильный выбор температурного интервала термоциклирования. Нами выбирался интервал температур при термоциклировании так, чтобы процесс насыщения азотом на первой стадии газового цикла происходил ниже температуры эвтектоид-ного превращения по диаграмме состояния железо-азот, т.е. при температурах ниже 591° С. При азотировании образцов из армко-железа эта температура составляла 570" С. Затем на второй стадии цикла проводили деазотирование образцов, причем деазотирование проводили не в окружающую атмосферу, а в глубь образцов. Для ускорения процесса деазотирования использовали фактор изменения объема в сплавах железа с азотом при эвтектоидном превращении. По диаграмме состояния железо-азот при нагреве азотистый эвтектоид (Л.+ В"") переходит в азотистый аустенит при 591" С. при этом объем уменьшается. Ожидать ускорения насыщения образцов азотом в этом случае не приходится, так как азотирование приводит к увеличению объема, т.е. фазовые превращения, идущие в сплаве с уменьшением объема, будут,естественно, тормозить процесс азотирования.

При охлаждении же сплавов железа с азотом до температур ниже 591 "С азотистый аустенит будет переходить в азотистый перлит, л объем при этом будет увеличиваться. Поэтому в этом случае мы можем ожидать ускорения процесса азотирования, так как эти два процесса идут с увеличением объема и в результате фазовое превращение в сплаве будет термодинамически инициировать процесс азотирования.

. Исходя из этих соображений нами и выбиралась верхняя граница термоциклирования при газоциклнческом азотировании образцов из чистого железа и составляла она в наших экспериментах 600" С. Кроме

того, при этом га^поглощающая способность образцов, а следовательно, и концентрация азота в поверхностных слоях образцов должна возрастать по сравнению с обычным азотированием.

Толщину азотированного слоя определяли по глубине нитридной зоны и зоны внутреннего азотирования при микроструктурном анализе. Для этого из азотированных образцов изготавливали поперечные микрошлифы. Микроструктуру выявляли методом травления в 2% спиртовом растворе азотной кислоты. Выявленные^ микроструктуры исследовали на микроскопе "ЫеорЬоГ при увеличениях от 100 до 1000. Нитридная зона всегда имеет четкую межфазную границу раздела с диффузионным подслоем, т.е. зоной внутреннего азотирования. Толщину. нитридной зоны определяли на микротвердомере ПМТ-3 с помощью микровинта, для измерения диагоналей отпечатков. Толщину зоны внутреннего азотирования определяли тоже на твердомере ПМТ-3. Зона внутреннего азотирования состоит из азотистого феррита и выделений Ъ '-фазы в виде игл внутрн зерен азотистого феррита, хорошо видимых при микроструктурном анализе. Расстояние от края нитридной зоны до той границы, когда в азотистом феррите отсутствуют иглы й '-фазы, характеризует толщину зоны внутреннего азотирования.

Нитридная зона состоит из £ - и & '-фаз. й фаза - это твердый раствор на'основе.нитрида железа N с узкой областью гомогенности от 5.7 до 6.1% (по массе) азота. £ - фаза - это твердый раствор на базе нитрида Рез N с областью гомогенности от 8 до И,2% (по массе) азота.

На рис. 1 представлены кинетически кривые, определяющие закономерности роста нитридной зоны и зоны внутреннего азотирования при газо- и термогазоциклическом азотировании, по сравнению с обычным азотированием. Видно, что рост толщины нитридной зоны и зоны внутреннего азотирования подчиняется параболической зависимости. В общем, с уменьшением продолжительности полуциклов на стадии насыщения и деазотирования общая толщина азотированного слоя возрастает. Наиболее интенсивно растет толщина азотированного слоя при малых длительностях полуциклов - 0.5 и 1 час. Это объясняется тем. что толщина азотированного, аюя и концентрация азота в поверхностном слое образцов в зависимости от продолжительности процесса насыщения при" постоянной температуре изменяются по па-

раболической зависимости, т.е. по затухающей кривой. Аналогичная закономерность наблюдается и при деазотировании. Именно поэтому в первые моменты азотирования наиболее интенсивно идет насыщение образцов азотом. А затем даем деазотпрочание при тон же температуре или при более высокой, и при этом рассасывание слоя наиболее быстро идет тоже в начальные моменты, а затем этот газовый цикл повторяется , т.е. при газо- и термогазоциклическом азотировании мы используем наиболее активные участки процесса насыщения азотом и деазоти-рования.

поа иоа 1000 900-

жило-«оо.-¡00.. 400..

з

з-

е - фаза

6.0/0

Л

1'Г

3.00/1 Ш.5 имя сшл Время пляуфкдпя г, час.

Рис. 1. Зависимость толщины нитркдной зоны (е - и у- фаз), зоны внутреннего азотирования (ЗВА) и азотистого эвтектонда от продолжительности по-луииклов при обшей продолжительности процесса 6.5 часов:

_____газоииклическое азотирование ирмко-железа при 570 "С:

.......то же, но при 600 вС:

_термогазоиикпическое азот мрование армко-железа

§

-б-

При yвe¡IичeяiШ же продолжительности полуциклов до 6 часов общая толщина азотированного слоя уменьшается, что связано, по-видимому. с далеко проходящим процессом деазотнрования на второй стадии.

При этом следует отметить, что с уменьшением продолжительности полуциклов очень резко возрастает зона внутреннего азотирования. Толщина же нитридной зоны растет в основном за счет увеличения £ - фазы, при этом толщина и '-фазы даже иногда слегка уменьшается. Так как толщина зоны внутреннего азотирования намного больше нитридной зоны, то рост общей толщины азотированного слоя происходит в основном за счет зоны внутреннего азотирования.

При газоциклическом азотировании при оптимальной продолжительности полуциклов 0,5 часа толщина азотированного слоя возрастает в 1,5 раза в случае азотирования при 600° Сив 2,25 раза - при 570" С по сравнению с обычным азотированием.

В случае термогазоциклического азотирования рост общей толщины слоя максимален. В этом случае толщина азотированного слоя примерно в три раза превышает толщину слоя, полученную после обычного азотирования.

Полученные экспериментальные данные (см.рис.1) показывают; что при газоциклическом и особенно при термогазоциклическом азотировании наблюдается также значительное увеличение (в 1,5-2.5 раза) толщины £ - фазы, при этом толщина й '-фазы в слое даже несколько уменьшается по сравнению с обычным азотированием в непрерывном потоке аммиака.

При сравнении термогазоциклического азотирования с газоциклическим следует отметить, что при термогазоциклическом азотировании при одной и той же продолжительности полуциклов на стадии насыщения к деазотирования образцов образуются более толстые азотированные слои и более толстые слои £ - фазы.

В некоторых экспериментах процессы азотирования в условиях газоциклических и термогазоциклических воздействий заканчивались независимо от продолжительности стадии в газовом цикле дополнительным насыщением в течение 30 минут. В результате общая продолжительность процесса азотирования составляла 6,5 часов. Окончание процесса азотирования на стадии дополнительного насыщения обусловлено тем, что при деазотировании на последней стадии наблюдает-

ся рассасывание твердых нитридных фаз. что неблагоприятно отразилось бы на свойствах азотированного слоя.

Рентгеноструктурный фазовым анализ проводили на образцах после обычного азотирования и в условиях газоциклнческих и термо-газоциклических воздействий при общей продолжительности процесса 6 часов, когда процесс азотирования заканчивался на стадии деазоти-рования, т.е. мы изучали процесс деазотировання и влияние на него продолжительности полуциклов на этой стадии.

При температуре 570°С процессы рассасывания нитридной зоны интенсивно проходят только при длительных выдержках (свыше 1.5-3.0 часов), при этом наблюдается увеличение в слое й '-фазы н уменьшение £ -фазы, что указывает на деазотирование в глубь образцов.

При повышении температуры газоцнклического насыщения до 600° С процессы деазотировання на второй стадии газового цикли рачительно интенсифицируются. Рост интенсивности отражений Ре^при уменьшении интенсивности линий £ - и й '- фаз свидетельствует о по явлении в нитридной зоне чистого железа в результате рассасывания нитридов. При этом £ -фаза на поверхности образцов полностью рассасывается за 1,0 час и интенсивность отражении линий от этой фазы близка к нулю.

" Наиболее интенсивно идет деазотирование при термогазоннкли-ческом азотировании. Так, £ -фаза полностью рассасывается при длительности полуциклов в процессе деазотировання в течение 0.5 часа, при этом, судя по интенсивности отражений линий (110) для Яе^.в слое резко возрастает количество Ре,*..

Проведенный послойный рентгеновский, фазовый анализ образцов после термогазоциклического азотирования, которое заканчивалось стадией деазотировання, также выявил на поверхности образцов повышенную интенсивность линии чистого железа, что свидетельствует о деазотировании нитридной зоны и появлении в ней чистого железа. Это, естественно, приводит к ухудшению физико-механических свойств поверхности изделия и поэтому в работе рекомендуется.заканчивать процесс азотирования на стадии насыщения.

Именно для этах режимов газо- и термогазоциклического азотирования. когда длительность полуцнклов. обеспечивающих наиболее интенсивное рассасьгеание нитридной зоны, небольшая, и характерен

наиболее интенси-чый рост диффузионного слоя при последующем дополнительном 30-ти минутном заключительном насыщении.

Послойный рентгеновский фазовым анализ образцов после тер-могазоциклического азотирования, заканчивающегося дополнительным 30-ти минутным насыщением, при общей продолжительности процесса 6,5 часов и с продолжительностью полуциклов по I часу показал, что на поверхности образцов быстро, т.е. за 0,5 часа образуется £ -фаза и интенсивность отражений линий для этой фазы резко возрастает, а количество Ие^при этом понижается до нуля. По мере удаления от поверхности количество £ -фазы уменьшается, а Рел - увеличивается.

Распределение азота по толщине азотированного слоя проводили на растровом микрозондовом электронном микроскопе (РЭМ) марки 1лпск - с помощью приставки для рентгеноспектрального анали-

за. Основной принцип работы приставки - микроанализатора заключается в том, что поток электронов, созданный электронной пушкой и имеющий определенную длину волны, взаимодействует с микрообъемами поверхности объекта - микрошлифа и вызывает характеристическое рентгеновское излучение. В нашем случае длина волны этого излучения была свойственна только азоту, входящему в состав азотированного слоя. При сканировании микрозонда по поверхности микрошлифа результаты анализа непрерывно регистрировались в виде концентрационной кривой вдоль линии на сканирующем участке. Измеряя интенсивность характеристического излучения на исследуемых образцах и сравнивая ее с кятвнсивностью излучения от эталона, имеющего известное содержание азота, рассчитывалось процентное содержание азота в изучаемых образцах. В качестве эталона использовали образцы из нитрида титана "ПИ.

Исследования проводили на образцах из армко-железа после обычного азотирования при температуре 570"С в течение 6 часов в среде проточного аммиака, а также после азотирования в условиях газоциклических и термогазоциклических воздействий. Для этого газоциклическое азотирование проводили при 570"С с продолжительностью , полуциклов по I часу при общей продолжительности процесса насыщения 6 часов. При термогазоциклическом азотировании насыше- .' ние образцов проводили при 570"С а деазотирование - при 600"С с .продолжительностью полуциклов по 0.5 часа и при той же общей про-

должительности процесса насыщения 6.0 часов. Затем после газо- и термогазоциклического азотирования проводили дополнительное азотирование при 570"С в течение 0.5 часа.

На рнс.2 приведены результаты распета содержания азота по сканирующим кривым. Видно, что кривые распределения азота по толщине азотированного слоя проходят через "очень пологий максимум, причем максимум содержания азота находится не на поверхности образцов, находящейся в контакте с насыщающей средой, а внутри нитридной зоны, т.е. на некотором расстоянии от поверхности. На поверхности образцов содержание азота невысокое и составляет примерно 3,5 - 4,8% (по массе). По мере удаления от поверхности содержание азота увеличивается и достигает максимума, причем после, обычного азотирования процентное содержание азота возрастает максимально

5 *з

о

/5 20 25 30

Расстояние от поверхности у, мкм,

Рис. 2. Распределение азота по толщине азотированного слоя на армхо-железе:

1 - обычно« азотирование в проточном аммиаке в течение 6 часов;

2 - газоциклическое азотирование в теченне 6.5 часов (температура

_ -насыщения и деазотнровання - 570 °С с продолжительностью • • " полушислов по 1 часу):

3 - териогазоциклическое азотирование в теченне 6.5 часов (темпера-

тура насыщения - 570 "С. а деазотнровання -600 *С с продолжительностью полушислов по 0.5 часа) г

до 8,5%. а после газо- и термогазоциклического азотирования - до 12%. Это указывает на то, что азотирование в условиях циклических и тер-могазоциклических воздействий идет более интенсивно. Кроме того, максимум содержания азота на кр)той его распределения по толщине слоя очень пологий и сдвигается в глубь слоя при переходе от обычного азотирования к газоциклическому и, особенно, термогазоцикли-ческому азотированию. Это объясняется тем, что при газоциклическом воздействии в процессе азотирования газовый цикл состоит из двух стадий - насыщения образцов азотом и деазотировання их, причем деазотирование идет в глубь образцов и движущей силой этого процесса является наличие градиента содержания азота по толщине слоя. При этом надо учитывать то, что и насыщение образцов при азотировании, и деазотирование их происходит во времени по параболической зависимости, т.е. по затухающей кривой, при этом наиболее активно процесс идет в начальные моменты. Именно на этом и основано ускорение процесса азотирования в условиях газоциклнческих воздействий. Выше на основании микроструктурных и рентгсноструктурных исследований показано, что деазотнрование наиболее активно идет при небольшой длительности подуциклов, по 0,5 - 1 часу. И вот сочетание этих наиболее активных-циклов-насыщения и деазотировання и приводит к ускорению процесса насыщения образцов азотом'и при этом, естественно, максимум его на кривой распределения по толщине слоя сдвигается в.глубь слоя по сравнению с обычным азотированием. . .

При термогазоциклическом же воздействии в процессе азотирования деазотирование на второй стадии вдет более интенсивно, так как в силу вступает второй ускоряющий фактор, а именно, в зоне слоя, где залегает азотистый аустенит, идет эвтектоидное превращение при понижении температуры от 600°С до 570"С. и объем при этом увеличивается, что активизирует процесс оттока атомов азота от поверхности в глубь, образцов и, во-вторых, увеличивает способность к поглощению азота, так как азотирование тоже вдет с увеличением объема и оба эти фактора инициируют друг друга.

III АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛЕЙ В'УСЛОВИЯХ ГАЗО- И ТЕРМОГАЗОЦИКЛИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.

Объектом исследования были выбраны стали 40Х и 38Х2МЮА. наиболее часто подвергаемые азотированию в современном машиностроении. Для определения интервала температур при термоциклнро-вэнии в процессе газоциклического азотирования с целью ускорения процесса насыщения нами проводились дилатометрические исследования на дифференциальном оптическом дилатометре системы Шевена-ра. Для этого цилиндрические образцы диаметром 4 мм из стали 40Х, предназначенные для дилатометрических исследований, подвергали обычному азотированию в среде аммиака при 600"С. Микроструктурный анализ показал, что при таких условиях азотирования в диффузионном слое всегда присутствует прослойка азотистого перлита-эвтектоида. При нагреве таких образцов в дилатометре переход азотистого эвтектоида в азотистый аустенит происходит с уменьшением объема, и на дилатометре это фиксируется в виде небольшого скачка в сторону уменьшения расширения. Оказалось, что это эвтектондное превращение происходит при температуре 580"С, в то время как в арм-ко-железе это превращение идет при 591"С. Эти данные показывают, что наличие углерода и хрома в стали 40Х понижает температуру эв-тектоидного превращения на П"С. Исходя из этих данных, темпера-.турный интервал термоциклировання при газоциклическом азотировании стали 40Х можно сохранить такими же. как и при азотировании армко-железа.

Газоциклическое азотирование образцов на стали 40Х и 38Х2МЮА проводили так же. как и армко-железа. при постоянной температуре, т.е. стадию насыщения и деазотировання проводили при одной и той же температуре, т.е. при 570" или 600" С. Продолжительность полуциклов на стадии насыщения и деазотировання была такой же, как и при азотировании армко-железа.

Микроструктурный анализ показал, что карбонитридная зона, состоящая из £ - и й '-фаз, очень хорошо видна, так как имеет четкую межфазную границу раздела. Зона внутреннего азотирования тоже хорошо видна при мнкроструктурном анализе, причем, в стали 40Х она слабо травится, а в стали 38Х2МЮА, наоборот, она сильно травится

по сравненню с сердцевиной образца. В общем следует отметить, что толщина карбонитридной зоны и зоны внутреннего азотирования при газоциклическом азотнрованни резко возрастает, особенно при небольшой продолжительности полуциклов (0.5часа). Измерения толщины карбонитридной зоны и зоны внутреннего азотирования при мнк-роструктурном анализе показали, что с уменьшением продолжительности полуциклов на стадии насыщения и деазотирования толщина карбонитридных фаз ( £ - и й '-фаз) и подслоя возрастают непрерывно и достигают максимального значения при продолжительности полу-цгаслов 0,5 часа, при этом наиболее интенсивное увеличение общей толщины азотированного слоя происходит за счет зоны внутреннего азотирования.

Толщина карбонитридной зоны при газоциклическом азотировании с продолжительностью полуциклов по 0.5 часа заметно возрастает,например, для стали 40Х в три раза по сравнению с обычным азотированием, а зона внутреннего азотирования - в 3.7 раза. При этом следует иметь ввиду, что толщина зоны внутреннего азотирования намного больше карбонитридной зоны и поэтому вклад зоны внутреннего азотирования в увеличение обшей толщины азотированного слоя намного больше.чем за счет карбонитридной зоны.

Повышение температуры при газоциклическом азотировании от .. 570 до 600 °С при сохранении той же продолжетельности полуциклов на стадии насыщения и деазотирования приводит к заметному увеличению как зоны внутреннего азотирования, так и толщины карбонитридной зоны. При этом в микроструктуре азотированного слоя появляется еще прослойка азотистого перлита.

С уменьшением продолжительности п'олуциклов на стадии насыщения и деазотирования толщина азотированного слоя возрастает и достигает максимальных размеров при продолжительности полуциклов 0,5 часа. Следует отметить, что увеличение толщины азотированного слоя происходит в основном за счет роста зоны внутреннего азотирования, при этом незначительно увеличивается и толщина £ -фазы. Например, для стали 40Х толщина зоны внутреннего азотирования после газоциклического азотирования при продолжительности полуциклов по 0.5 часа и при обшей продолжительности процесса 6 часов^ увеличивается в 4.7 раза по сравнению с обычным азотированием при

той же температуре, а толщина £ -фазы - в 2.раза. Толщина же азотистого эвтектоида и й фазы при этом незначительно уменьшается.

Наиболее резкое увеличение толщины азотированного слоя наблюдается после термогазоцнклического азотирований, при этом общая глубина азотированного слоя растет также в основном за счет зоны внутреннего азотирования. Наибольшая толщина зоны внутреннего азотирования и карбонитридной зоны наблюдается при продолжительности полуциклов на стадии насыщения и деазотнровання по 0,5 часа. Например, для стали 40Х при этом толщина зоны внутреннего азотирования увеличивается в 6 раз, а карбонитридной зоны - в 2 раза по сравнению с обычным азотированием. Такой интенсивный рост толщины азотированного слоя связан с тем, что при деазотировании вступает в силу дополнительный фактор, стимулирующий процесс деа-зотирования образцов. Таким дополнительным фактором является появление в структуре азотированного слоя эвтектоидной зоны при нагреве образцов от 570 до 600"С на стадии деазотнровання. При этой температуре в структуре азотированного слоя появляется азотистый аустенит, который при дальнейшем охлаждении образцов до 570 "С переходит в азотистый перлит с увеличением объема и тем самым активизирует процесс оттока атомов азота от поверхности образцов к сердцевине. ""

При сравнении роста толщины азотированного слоя при термо-газоциклнческом азотировании армко-железа и, например, стали 40Х следует отметить, что в армко-железе рост толщины азотированного слоя по сравнению с обычным азотированием происходит в меньшей степени. Микроструктурньш анализ показал, что в армко-железе толщина эвтектоидной зоны заметно меньше, чем в стали 40Х, поэтому и вклад эвтектоидной зоны в рассасывание азотированного слоя, естественно, будет меньше.

Увеличение толщины азотистого перлита в стали 40Х- связано с тем, что температура азотистого эвтектоидного превращения в этой стали при азотировании понижается от 591 "С для армко-железа до 580 °С и поэтому температура деазотирования 600"С обеспечивает больший перегрев образцов по отношению к температуре эвтектоидного превращения. Это, соответственно, приводит к увеличению при этой температуре толщины азотистого аустенита в диффузионном слое, а

следовательно, и азотистого перлита при последующем охлаждении образцов до 570 'С.-

Рентгеновский фазовый анализ таких образцов качественно подтвердил изменения соотношения фаз в диффузионном слое при газо- и термогазоциклическом азотировании по оптимальному режиму, т.е. при продолжительности полуциклов по 0,5 часа при общей продолжительности процесса 6 часов.

Измерения микротвердости по толщине азотированного слоя проводили после обычного азотирования при 570"С в течение 6,5 часов и после газоциклического и термогазоциклического азотирования с продолжительностью полуциклов по 0.5 часа при обшей продолжительности процесса 6,5 часов, т.е. процесс азотирования заканчивали не на стадии деазотировання, когда на поверхности образцов образуется даже чистое железо, а на стадии насыщения с целью наведения на поверхности твердой В - фазы.

Оказалось, что после газоцнклпческого азотирования микротвердость на поверхности образцов и вблизи нее даже ниже, чем после обычного азотирования. Это связано с тем, что идет более ин-тенчсивный отвод атомов азота от поверхности в глубь образцов при рассасывании слоя на стадии деазотировання. На это указывает также и то, что в зоне внутреннего азотирования кривая распределения микротвердости по толщине азотированного 'слоя располагается выше, чем после обычного азотирования.

Повышение температуры газоцнклпческого азотирования от 570 до 600°С качественно характер изменения микротвердости по толщине азотированного слоя не меняет, но кривая распределения микротвердости по толщине слоя слегка сдвигается в сторону более высоких значений.

Наиболее резкое повышение микротвердостн в азотированном слое получаем после термогазоциклического азотирования с продолжительностью полуциклов по 0,5 часа. Это. как рассмотрено выше, -связано с более интенсивным процессом насыщения образцов азотом за счет того, что в силу вступает второй инициирующий фактор - это появление в азотированном слое зоны азотистого эвтектоида, образование которого при деазотировании образцов ускоряет этот процесс и, соответственно, ускоряет процесс азотирования на последующей стадии насыщения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В работе на основании экспериментальных данных разработаны новые технологические режимы азотирования с целью интенсификации процесса насыщення. Основные результаты исследовании отображены в нижеследующих выводах.

1. Предложены новые процессы азотирования в условиях газоциклических и термогазоциклическнх воздействий.

2. Обоснован температурный интервал при термоциклировании газоциклических процессов .азотирования и показано, что термо-циклирование надо проводить в зоне температур, когда в сплаве происходят фазовые превращения с увеличением объема, тогда азотирование и фазовое превращение будут инициировать друг друга и процесс азотирования резко ускоряется.

3. Для армко-железа и исследованных сталей термоииклнрование при газоциклическом азотировании проводили в интервале от 570 до 600 °С, т.е. в области азотистого эвтектоидного превращения в исследуемых материалах.

4. Показано, что азотирование исследуемых материалов в условиях газоцнклического воздействия при температурах 570 и 600 "С ускоряется по сравнению с обычным азотированием. При этом один газовый цикл состоит из двух полуциклов (стадий). На первой стадии идет насыщение поверхности образцов азотом в среде проточного аммиака, а на второй стадии - деазотированне при той же температуре, но при отключенной подаче аммиака, т.е. это фактически отжиг в среде почти полностью диссоциированного аммиака.

5. Микроструктурный и электронно-микроскопический анализы показали,что при газо- и термогазоииклическом азотировании толщина диффузионного слоя возрастает в основном за счет зоны внутреннего азотирования, при этом наиболее интенсивный рост азотированного слоя происходит при небольшой продолжительности полуциклов -от 0.5 до 1 часа.

-166. При газоциклическом азотировании толщина азотированного слоя з армко-железе возрастала в 1.5 - 2 раза, в исследуемых сталях - до 4 7 раза: а при термогазоциклическом азотировании - в 3 раза для арм-ко-железа и в 6 раз для стали 40Х по сравнению с обычным атотирова-

нием.

7. Рентгеновский фазовый анализ показал, что на стадии деазотирования происходит рассасывание нитридной зоны и зоны внутреннего азотирования, пои этом обшая толшина диффузионного слоя увеличивается. Наиболее интенсивно деазотирование идет в начальные моменты, при этом высокоазотисгая £ - фаза рассасывается, иногда даже полностью и вместо нее на поверхности появляется чистое желе-

30.

8 Для повышения поверхностной твердости и износостойкости необходимо процесс азотирования в условиях газо- и термогазош.кли-ческих воздействий заканчивать не на стадии деазотирования. когда на поверхности вместо твердой нитридной зоны появляется мягкое железо а на стадии насыщения. В этом случае в работе рекомендовано проводить дополнительное 30-ти минутное азот ирование для наведения на

поверхности твердой нитридной зоны.

9 Изучение характера распределения азота по толщине азотированного слоя при сканировании на микроретгсйоспектралыюм анализаторе показало, что максимальное содержание азота находится не „а поверхности, находящейся в контакте с насыщающей средой, а в глубине слоя, при этом кривая распределения азота по глубине слоя проходит через пологий максимум. Положение этого максимума сдвигается в глубь слоя при переходе от обычного азотирования к газоциклическому и. особенно, термогазошшшческому азотированию ^во-вторых, максимальное содержание азота при этом возрастает от Ь., ло

12% (по массе). '

Ю Измерение ыикротзгрдости по толщине азотированного слоя

в сталях показало, что после газош.клического азотирования микротвердость нитридной зоны ниже, а зоны внутреннего азотирования 1ше чей после обычного'азотирования, что объясняется наиоолее „шясигнь™ оттоком атомов азота от поверхности в глубь ооразцов.

Наиболее резкое повышение поверхностно!! твердости, особенно в зоне внутреннего азотирования, происходит после тер.могазоциклпческого азотирования.

Основное содержание диссертации опублнкованно в следующих работах.

1. Анвар Ахмед Ибрагим Халиль. Циклическое азотирование. Тезисы докладов 53 научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ, январь, 1995 г.