автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка процесса ионного азотирования с предшествующей ему пластической деформацией для повышения контактной долговечности никельсодержащих низкоуглеродистых сталей мартенситного класса

1Г 6 ЙШКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Э. БАУМАНА

На правах рукописи

ЕЛИСЕЕВ ЭДУАРД АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ С ПРЦЩЕСТВУЩЕЙ ШУ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КОНТАКТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ НИКЕЛЬСОДЕРЙАЩИХ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЬК СТАЛЕЙ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка

металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете имени Н.Э. Баумана.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

- Официальные оппоненты: доктор технических наук,

заведующая лабораторией КУКСЁНОВА Л.И.

кандидат технических наук, заведующий лабораторией ГРИШИН В.И.

заседании диссертационного совета К 053.16.13 Московского Государственного Технического .Университета им. Н.Э. Баумана по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская, 5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КО1 ТУ им. Н.Э. Баумана

Телефон для справок 267-09-63

Автореферат разослан 1995 года.

ГЕРАСИМОВ С.А.

Ведущее предприятие: АО НИИТАВТОПРОМ

Задита диссертации состоится \_1995 года на

Учёный секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент

Подписано к печати 2 «(/01995 г. Типография МГТУ Объём 1 пл

Заказ 11°

Тирах 100 экз.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Азотирование как метод повышения долговечности деталей машин широко применяется в различных отраслях промышленности. Он имеет ряд преимуществ по отношению к другим методам. Азотированные детали обладают высокой износостойкостью (в 1,5...3 рава вше, чем, например, цементованные), теплостойкостью, доходящей до 500 °С, сопротивляемостью схватыванию; имеют меньшую деформацию, чем цементованные нитроцементован-ные.

Одним из недостатков азотированных сталей "вляетс- их низкая контактная выносливость, что не позволяет использовать такие стали ^ля высоконагружаемых деталей малин. П01 ому высоко-нагружаемые и высокоточные детали машин, например зубчатые колёса, изготавливаются с применением цементации и последующего обязательного зубошлифования. Последнее значительно увеличивает трудоёмкость изготовления деталей (30...40 X . всей трудоёмкости), а также создает в поверхностном слое структурные дефекты в виде прижогов и растягивающих остаточных напряжений. 8 свяэи с этим повышение контактной выносливость азотированных сталей является насущной задачей, поскольку изготовление высокоточных азотированных деталей возможно осуществить без последующего шлифования.

Проводимые на кафедре "Металловедение и техническая обработка" МГТУ им. Н.Э. Баумана систематические исследования азо-тирох иных сталей позволили установить основные причины их низкой контактной выносливости :

- образование по границам зёрен в ааотировг; нем слое и в сердцевине выделений, приводящих к охрупчиванию;

- высокий уровень микродеформации кристаллической решётки а-фазы азотированного слоя;

- образование на поверхности хрупких нитридов железа; -

- низкая прочность сердцевины.

В данной работе основное внимание уделено изучению влияния химического состава сталей и предшествующей азотированию обработки на перераспределение химических элементов между объёмом и границами зёрен.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы заключается в повышении контактной долговечности азотированием ьиэко-угдеродистых сталей мартенситного класса (с содержанием углеро-

да 0,15. .. 0,22 %) и использованием пластической деформации перед азотированием.

В работе решались следующие задачи:

1. Исследование влияния никеля и режимов термической обработки на структуру диффузионного слоя и сердцевины азотированных низко: "леродистых сталей мартенситного класса.

2. Исследование влияния повышения степени дефектности матрицы после воздействия : ластической деформации на структуру азотированного слоя низкоуглеродистых сталей мартенситного класса.

3. Исследование "ияния никел? на контактную долговечность азотировнных ни: »углеродистых сталей мар .'енситного класса.

4. Исследование влияния пластической деформации, предшествующей азотированию, на контактную долговечность азот-оованной низ углеродистой стали мартенситного класса 16Х2НЗМФБАЮ-Ш.

Научная новизна работы.

1. Ме^дом оже-электронной спектроскопии установлены зако-ном1 ности распределения легирующих элементов (N1, Сг, Мо. V4. и азота между диффузионной границей и объёмом ^ерна в азотированном слое низкоуглеродистых сталей мартенситного класса, а также влияние пластический деформации, предшествующей азотированию, на эти закономерности.

2. Установлена взаимосвязь меаду средним количеством никеля в стали и содержанием этого легирующего элемента к азота на диффузионной границе в азотированном слое.

3. На основе электронномикроскопических исследован"й выявлено влияние никеля на размер и плотность распределения нитридов легирующих элементов пр объёму з^рен в аэотлрованном слое.

4. Показано влияние пластической деформации, предшествующей азотированию, на величину нитридов легирующих элементов и уровень микродеформа—та кристаллической решётки й-фазы в азотированном слое.

5. Установлено влияние никеля на карбидообраэован;,е и перераспределение легирующих элементов в сергчевине азотированных теплостойких сталей.

Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности. С использованием выработанных рекоменда чй составлено техническое условие на сталь для изготовления деталей машин, работающих с высокими контактными нагрузками. Разработана технология поверхностной пластической деформации, предшествующей азотированию, что позволило повысить гхштактно-усталост

ный ресурс низкоуглеродистых азотированных сталей мартенситного класса в раза.

Новый материал и комплексная технология его обработки внедрены для изготовления зубчатых колёс угледобывающего комбайна К-500 на АО ГМЗ г. Н.-Новгород. По этой технологии изготовлена опытная партия зубчатых колёс ремизно-подъёмной каретки ткацкого станка. Проведённые испытания подтвердили эффективность её применения.

Новизна предложенных мероприятий поди рждена авторским свидетельством на изобретение и патентом.

Апробация работы. Основные положения работы обс-'жденн на научных семинарах кафедры ' .'еталловедение и термическая обработка" МГТУ "м. Н.Э.Баумана.

Публикации. По теме диссертации опубликовано две научные статьи, получено авторское свидетельство на изобретение и положительное решение на патент.

Объём и структура работы. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 9 таблиц; состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы из 137 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении установлено направление проведения р; Юты, поставлена цель исследования, показана его научная новизна и излол ш основные положения, которые выдвигаются автором для гаяиты.

В первой главе на основании, анализа литератур ых источников показано влияние азотирования, а также пластической деформации на превращения в сталях.

Свойства азотированного слоя определяются размерами и плотностью распределения нитридов легирующих элементов. Показано, что увеличение степени дефектности матрицы привод!-" к обр. .зеванию во время азотирования в основном нитридов легирующих элементов частично когерентных или некогерентных с матрицей. Выделение таких нитридов обусловливает снижение микродеформаций решётки а-фазы азотированного лоя, что пс ожительно сказывается на эксплуатационных свойствах азотированных сталей.

Одним из наиболее эффективных способов увеличения степени дефектности матриц)'. перед азотированием является пластическая

деформация. Установлено, что влияние пластической деформации на микроструктуру мартенсита заключается в возникновении тексту.эы деформации. С увеличением степени деформации текстурные компоненты проявляются более чётко. Влияние пластической деформации на субструктуру мартенсита выражается в изменении плотности и распредели :ия дислокаций, изменении тетрагональности мартенсита вследствие перераспределения углерода. В связи с необходимостью предотвращения во врем:, азотирования релаксации образовавшихся после деформации дефектов обоснован выбор технологии азотирования в плазме тлеющего разряда: такрч технология позволяет ускорить насыщение с али азотом в первые часы проведения процесса.

Принимая во внимание результаты исследовательских работ, выполняемых на кафедре "Металловедение и термическая обработка" МГТ. им. Н.Э. Баумана, можно сделать предположение о существенном влиянии никеля на структуру азотированного слоя теплостойких сталей В частности, показано существенное влияние никеля на 1 змохность образования фаз на границах зёрен азотированного слоя и их морфологию. На основании изучениг других источников установлено, что никель может входить в состав г'-фазы (Ре4Ю. замещая атомы желез- в узлах ГПК решётки. Причём, содержание авота в таком нитриде железа понижается.

Как правило азотирование проводят в температурном интервале развития обратимой отпускной хрупкости (480...БЬО °С). Вследствие длительных выдержек (десятки часов) возможно изменение полученных после высокого отпуска структуры и свойсв сердцевины азотированных сталей. Причиной такого изменения является перераспределение примесныу элементе! (БЬ, Р. п. Б. Аб) между объемом и границами зёрен. Показана возможность перераспределения легирующих элементов, например никеля, между объёмом и границами зёрен при чг (пературно-временных параметрах азотирования. Отмечено, что сведения об ускорении выделения примесных элементов на границах зёрен атомами легирующих элементов, в частности никелем, носят противоречивый хпактер. Установлено, что увеличение протяжён ости границ зёпен уменьшает склонность стали к охрупчиванио.

Дальнейшие исследования связаны с изучением влиянй: никеля и пластической деформации на структуру и контактную долговечность азотированных сталей.

Во второй главе приведено4описание методик исследование и особенностей использованного оборудования. Исследовались про

л

мышленные стали 16Х2НЗМИВАЮ-Ш, 16ХЗНМВФБ-Ш; экспериментальное низкоуглеродистые стали мартенситного класса 15ХЗГ1К&-Ш, 15ХЗН1МФ-Ы. 15ХЗН2КФ-Ш, 20ХЗНЗМ£>-Ш и низкоуглеродистые экспериментальные стали с различными добавками никеля 20, 20Н1, 20Н2, 20НЗ. Все представленные низкоуглеродистые стали мартенситного класса подвергали закалке после выдержки 0,5 часа при температуре 920 °С в масло и отпуску 580 °С, 2 часа. Азотирование производилось в плазме тлеющего разнда на опытно-промышленной установке типа Ион-30 в среде химически чистогс азота.

Пластическая деформация осуществлялась двумя способами: вк лаживанием и гидродробеструйной обработке !. Вы: аживание производилось на винторезнс .1 токарном станке резцом с контролируемым ра^чусом режущей кромки без снятия стружки. Поверхностная обработка дробью производилась на промышленной установке ГДЗУ-К-ШЦЗ(2-16) с постоянной удельной кинетической энерги'1 дроби и переменной длительностью её воздействия.

Электронномикроскопические исследования азотированного слоя и сердцевины методами тонких фольг и угольных экстракционных реплик на просвет проводились на электронном микроскопе ТЕЗЬА ££5-540. Использовались методы ь.икродифракции и светло-польного и тем^опольного ко-трастов.

В работе изучалась степень микродеформации кристалл-<ческой решётки а-твёрдого раствора по уширенио интерференционных линий от плоскостей (110) и (220). Съёмка рентгеногра^д осушенгвля-лась на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3.

Имический анализ моноатомных поверхностей материалов производился методом оже-электронной спектроскопии. Исследования осуществлялись на оже-спектрометре фирмы мар ш ЛАМР-ЮБ. Анализ спектров оже-электронов проводился путём 8аписи их после электрического дифференцирования и расшифровки на ПЭВМ.

Испытания на контактную усталость осуществлялись в соответствий с ГОСТ 25.501-78. Исследования контактной долговечности по схеме качения без проскальзывания с точечным чштат ом проводилось на машинах МКВ-К при напряжении балах - 5000 МПа. Исследования контактной долговечности по схеме качения с прос-кальзьг^нием при линейном контакте проводилось на роликовых стендах при напряжении бгтах - 2300 МПа.

В третьей главе представлены результаты исследования химического состава границ зёрен в азотированном слое низкоу.леро-дистых сталей марте- ситного класса и влияния никеля на структу-

ру и химический состав границ зёрен азотированного слоя и сердцевины этих сталей.

Установлено влияние, никеля на карбил-образование в азотированных сталях. На основании электронком»кроеконических исследований тонких фольг на просвет и экстракционных реллик показано отличиг во внутризёренной структуре экспериментальных сталей 1БХЗГ1ШВ-Ш и 20ХЗНЗМФБ-Ш после высокого отпуска 550°С, 50 часов. В никельсодержащей "¡тали в отличии от безникелевой обнаружены более дисперсные карбидные выделения иглообразной формы, равномерно распредели :ые по объём1' зерна. Кроме того, в стали, содержащей нике; . около 3 7., 20ХЗНЗМФВ-1 отсутствуют протяжённые выделения карбидов^ в отличии от сталей, содержащих никель д., 1 7., например, 15ХЗН1МЕВ-Ш. По ыюгам описанных исс-едований еде л вывод о необходимости ввдения в азотируемую сталь не менее 1,5. ..2 7. этого легирующего элемента.

С целп подтверждения влияния никеля на карбидообразование при ысоком отпуске исследовались экспериментальные углерод ..> тые стали (20, 20Н1, 20Н2, ?0НЗ). Микростр стуру изучали после вакалки 940 °С в подсоленную ледяную воду и отпуска 520 °С. 2 часа + 500 °С, 60 часов. Установлено, что в стали 20НЗ, в отличии от стали 20. отсутствуют протяжённые выделения цементита по гргчицам 8ёрен, а также наблюдается более равномерное распределение цементитных выделений между границей и объёмом з^рна.

На основании оже-спектросконических исследований изломов сталей с различным содержанием никеля выявлены закономерности перераспределения этого легирующего элемента между границей и объёмом верна после различ' х опера1 .й термической обработки. Установлено,.что после закалки от температуры 920 °С концентрация никеля на границах зёрен в 2...2,5 раза меньше, чем в объёме, т.е. он облад; л отрицательной адсорбционной активностью по отношению к • раницам зёре1: (горофобностью), когда сталь находится в аустенитном состоянии. После отпуска образцов по режиму Б80 °С, 2 часа + 500 °С, 24 часа + 540 °С. 40 часов, воспроизводящего температурно-временные параме": л агитирования, обнаружено не равномерное распределение никеля на границах зёрен. На этих границах образуются скопления, в которых его количество доходит до 30...40 7. по ма^се. Такие скопления образуются вследствие обеднения других участков границ. Кроме того, установлено, что с увеличением содер(жалия никеля в стали повышается его средняя ютнцентрания на границах. Обнаружено одинаковое по-

вышение количества фосфора и серы на границах вбрен в сумме не более, чем до 22 по массе, во всех экспериментальных сталях вне зависимости от содержания никеля.

На основании экспериментальных результатеч и анализа литературных источников предложено объяснение влияния никеля на карбидообраэование и перераспределение атомов пр'/месных элементов между границами и объемом зерна. Во-первых, никель, уменьшая величину поверхностной свободной энергии на границе феррит-феррит, способствует коагуляции выделении цементитной фазы, тем самым не допуская образования ее протяжённых выделений на гр.лицах зёрен. Во-вторых, никель уменьшает э..аргию саязи атомов углерода с дефектами решётки и увеличивает диффузионную подвижное:> этих атомов в а-железе, что понижаем вероятность выделения цементита на границах. В-третьих, никель снижает диффузионную подвижность карбидообразуюиих элементов, уг 'ньшая вероятность образования крупноразмерных специальных карбидов. Показано, что присутствие никеля в стали не оказывгэт прямого влияния на выделение атомов примесных элементов на границах зёрен.

Установлено влияние никеля на нитридообразование в азотированных сталях. На основе электронномик'-оскопических исследований показано, что с увеличением содержания никеля в н^зкоуг-леродистых сталях мартенситного класса от 0,72% по 3,02% после азотирования по режиму: темпетатура 550 °С, время азотирования 50 часов; размер нитридных выделений уменьшается от 20...50 нм до 7...10 нм, а плотность их распределения в зерне увеличивается от 0,5 х ю22 м~3 до 2,5 х ю22 м-3. В стали 20ХЗНЭМ®-Ш по сравнению с безникелевой сталью 15ХЗГ1МФБ-Ш повышается доля когерентных матричных выделений, что увеличивает величину микродеформаций кристалличг~.кой решетки «-фазы Влияние никеля на нитридообразование аналогично воздействию ну-еля на .лрбидсюб-разование во время длительного отпуска, описанное выше. Однако в данном случае решающим обстоятельством является то, что никель заметно снижает диффузионную подвижность нитридо- и карбидообразуюиих элементов.

Изучение химического состава границ зёрен в азотированном слое низкоуглеродистых сталей мартенситного класса осуществлялось методом оже-электронной спектроскопии поверхностей изломов. Хрупкий пограничный излом получали при температуре -194 °С Г79К). Излом изготавливался так, чтобы его поверхность распола-

галась перпендикулярно азотированной поверхности образца; В дальнейшем поверхности образцов, существовавшие до изготовле-ия изломов, будем называть физическими поверхностями, а поверхности, полученные после - поверхностями изломов. Азотирование осуществлялось по режиму: 1 ступень - температура 500 °С, время 24 часа; 2 с '/пень - температура 540 °С, время 40,48008.

Установлен химический состав границ зёрен в азотированном слое низкоуглеродистых -талей мартенситного класса. Наибольшее содержание никеля на границах зёрен обнаружено в ближайшем приповерхностном слое и 'бывает при удалении от него. Например, в стали 16Х2НЗМФБ "0-Ш на удалении 10'мкм ог. физической поверхности концентрация этого легирующего элемента составила 10... 15 X массе ,и плавно падает до 3,5...-, 7. на расстоянии 80 мкм. При этс , концентрация азота в указанных точках возрастает от 0,8 X до 1,7 X. С целью изучения распределения легирующих элементов и азота по т-щине диффузионной границы производили распыление мат риала ионами аргона. Под диффузионной границей понимае-^я' область металла прилежащая к кристаллографической границе зерна, в которой содержание легирующих элементов отличается от среднего в зерне. Обнаружено, что на поверхности излома концентрации никеля и азота максимальны и монотонно убывают с уве-лг-екнем глубины распыления, достигая среднего содержания в объёме зерна. Напротив, содержание хрома на этой повс. хности в 1,5.. .3 . раза ниже его среднего содержания в стали и плавно выходит на средний уровень с увеличением глубины распыления. Заметного перераспределения молибдена и ванадия между границами и объёмом зерна не происходи™. Поско-чку диффузгя азота при температурах азотирования является преимущественно зернограничной, очевидно, что трещина распространяется в азотированном сдое по границам зёрен. Исследованием фрактографий, сделанных во вторичных электро1"«. обнаружено , что изучаемые изломы являются хрупкими. Всей совокупностью установленных экспериментальных фактов показано, что области азотированного слоя с наибольшей .соицентрацкей азота (алменно границы чёрен)'в наименьшей степени сопротивляются зарождёнию и распространению трещин, Предполагая, что хрупкая трещина раскалывает;диффузионную границу верна пополам, толщину"этой границы можно оценить: на глубине 10 мкм от физической поверхности в 600 нм. на глубине 80 мкм -в 100. ..150 нм.

Установлена взаимосвязь между содержанием никеля и аз'о^а

на границах зёрен в азотированном слое. С увеличением содержания никеля в стали от 0,16 X до Ь, 02 X его концентрация на границе зерна, например, на расстоянии 20 мкы ат физической поверхности повышается от 1,4 X до 15 %, а концентрация азота падает от 3 X до 1,5 X (рис. 1).

Обнаруженное перераспределение никеля между граыцами и объемом зёрен в азотированное слое принципиально отличается N (а) на границах вере л в азогированнои от перераспределения слое и контактной дг- чговечност (б) от этого элемента в сер-содерлания Ш в стали. дцевине. В азотирова-

нном слое отсутствуют скопления атомов никеля, распред лётных статистически, и имеет место градиент концентрации этих атомов в зависимости от расс шния от фиьичес-кой поверхности. Градиент концентрации никеля и взаимосвязь содержания на границах никеля и азота предложено связать с устоявшимися в литературе представлениями о выделении на границах зо врем- азотирования нитридл железа Ге4Н (у'-фазы). Атомы никеля перемещаются к этой фазе, в которой растворимость никеля выше, чем в «-фазе. Они замещают атомы железа в этой решётке и уменьшают в ней растворимость азота. Чем дальше исследуемая точка на границе отстоит от физической поверхности, тем меньше время существования г'-фазы в ней при температуре «вотирования и тем меньше содержание в этой точке никеля. Дано термодинамическое обоснование возможности ъытеснения никеля из «-твёрдого раствора азота в железе во время азотирования. Перемещение атомов никеля из'а-твёрдого раствора в пограничную фазу, имеющую

а

ГПК решётку, уме! шает свободную ¿нергио системы.

Перераспределение атомов хрома связано с его значительной растворимостью в а-фазе. При нагреве под азотирование атомы хрома перемещайте.. от границ в объём зерна Внедрившиеся атомы азота образуют спецнитриды с атомами хрома, закрепляя слс дтешу-юся картину распределения.

В четвёртой' главе представлены результаты исследования влияния пластической де( jmp'hm, предшествующей азотированию, на структурообразование во время азотирования в сталях с различным содержанием никеля, а также химический состав гра .щ зёрен в азотированном слое.

Исследованием ткроструктуры экспериментальных низкоуглеродистых сталей с различным содержанием никеля (20. 20Н1, 20Н2, 20НЗ),. полученной после пластической деформации методом выглаживания и отпуска 500 °С. 60 часов, установлено отсутствие в никельсодержащей ст^ л 20НЗ протяжённых выделений цементита по границам зёрен и наличие таких выделений в деформированной стали 20. По сравнению с недеформированным состоянием в стали 20НЗ обн сужено полностью равномерное распределение глобулярных це-ментитных выделений по границам и по объёму зерна: цепочки гло-булей избыточной фазы, лекорирующие границы зёрен, отсутствуют совершенно.

Пластическая деформация теплостойких сталей производилась пос..е отпуска 580 °С, Z часа перед азотированием двумя способами: выглаживанием резцом без снятия стружки и посредством гид-родробес'друйной обработки (ГДО) с различной продолжительностью воздействия. Выглаживание - наиболее удобный в лабораторных условиях способ номинирования значительной поверхностной пластической деформации. Следствием i -Улаживания являются как изменения в микроструктуре, связанные с образованием текстуры, так и изменения ь субструк^уре обрабатываемых сталей , приводящие к ивмельче чю блоков. ГДО - наиболее технологичны., способ, поверхностного пластического деформирования деталей, применяемый в промышленности. Она не изменяет микроструктур! сталей, оказывая воздействие лишь на чх субструктуру, главным из которых стало увеличен :е количества дислокаций и других дефектов.

Показано, что низкоуглеродистые стали мартенситного класса обладают достаточной теплостойкостью. Например, твёрдость на поверхяост" стали 16Х2НЗМЕБА10-Ш после выглаживания и отпуска

500 °С, 20 часов г чизилась от 6800 МПа до 4600 МПа, не достигнув твёрлости сердцевины. '. о ест , релаксация дефектов происходит достаточно медленно и диффузия азота во время азотирования будет осуществлят. ся по дефектным областям сталей.

На основании структурных исследований обнаружено, что после азотирования образцов, предварительно обработанных выглажи-в^юем, текстура деформации сохраняется. Размер блоков несколько увеличивается по сравнению с их размером до азотирования. Однако величина блоков меньше, чем в образцах не прошедших предварительную обработку.

Установлено, что повышение дефектности матрицы применением поверхностной пластической деформации понижает уровень микродеформаций в азотированном слое. Определён оптимальный режим ГДО, обеспечивающий наибольшее снижение уровня микродеформаций. Так на образцах, изготовленных из стали 16Х2НЗМИЗА10-Ш, и обработанных ГДО с длительностью 6 мин/ед пл. ширина интерференционной линии (220). наиболее чувствительная к изменеьлю уровня )"лкроискажений, уменьшается от 52 мрад до 47 мрад.

Показано, что увеличение степени дефектности матрицы посредством применения ПЦЦ перед азотированием приводит к существенному уменьшению Ч1..-ла когегэнтных нитридннх выделений вносящих значительный I -лад в увеличение микродеформаций в азотированном слое. Поскольку плотность дислокаций и других дефектов в наклёпанной стали выше, чем в ненаклёпанной, то атомы нитри-дообразующих элементов приобретают большую подвижность, следствием чего яЕ..лется очевидно образование нитридных выделений значительных размеров, не связанных с решётк*. . матрицы.

Изучение влияния пластической деформации, предшествующей азотированию, на химический состав границ зёрен в азотированном ело', низкоуглер^дистых сталей мартенси^чого класса осуществлялось ме/одом оже-электронно!, спектроскопии. Пластическая деформация образцов осуществлялась методом выглаживания. Установлено, что при изготовлении изломов образцов, охлаждённых до температуры -194 °С (79 К), трещина распространяется по областям г. наибольшей концентрацией азота. Максимальное содержание азота на поверхности излома деформированного образца в отличие от не-деформированного монотонно падает от 2,4 X по массе на удалении 10 мкм от физической поверхности до 1,6 X на удалении 120 т. Концентрация этого элемента по толщине диффузионной границы плавно уменьшается от середины к краю до среднего содержания ■ тт

матрице на всех ..сследованных расстояниях от физической поверхности. Толщину диффузионной границы можно оценить: на глубине 10...35 мкм от физической поверхности в 600 и более нанометров, на глубине 120 ж-л в 250.. .300 нм.

Установлено, что в отличии от недеформированного состояния распределение никеля по толщине диффузионной границы не моно' тонно. Его .концентрация увеличивается от середины диффузионной границы до некоторой толщины, а затем начинает низпадать. То есть кривая распределен!.л проходит че^з максимум - чем больше расстояние от Физической поверхности, тем меньше величина указанного максимума. Как и в недеформированном состоянии максимальная концентрация никеля на гранил верна в азотированном слое предварительно деформированной стали 16Х2КЗМФВАЮ-Ш обнаружена на расстоянии 10 мкм от физической поверхности и составила 25...30 % по-массе. С удалением от физической поверхности до 120 мкм' нгйболйшёе содержание этого элемента падает до 4,25 % по васЬе.

ПоказаноЛчто 'ЙЙ^ическая деформация усиливает перераспределение хрома во сравнёйию с недеформированным состоянием. На сег дине диффузионной границы до расстояния 35 мкм от физической поверхности содержание хрома равно нулю. На других расстояниях - его содержание в 2...3 раза меньше среднего содержания в стали. Кривая распределения хрома по толщине диффузионной границы .проходит через максимум и плавно падает до его среднего сохэржаниз в стали. Как и в случае недеформированного состояния заметного перераспределения молибдена и ванадия между границами и объёме 1 верна не происходит.

На основании обнаруженных отличий в,распределении азота и никеля на диффузионной границе деформированных и недеформиро-ванных образцов показана степ ш влияния дефектности структуры на перераспределение атомов различных химических элементов между границе., и объё1 эм зерна во время азотирования. Вследствие увеличена степени дефектности структуры происходит расширение диффузионной границы, а также увеличение подвижности легирующих элементов в объёме верна. Поэтому, атомы никеля концентрируются на диффузионнбй границе в количестве приблизительно в два раза превышаг-ц^м По максимальному значению их количество в недефор-миро'ва^шых образцах. Атомы никеля, замещая атомы желеаа в V- .азе, переходят в более устойчивое состояние, чем в а-раст-воре. Такой переход сопровождается увеличением энергии актива-.

ции диффузии, а I .едовательно уменьшением диффузионной активности. Рремени азотирования оказывается недостаточно для перемещения атомов никеля к середине диффузионной границы. Высокая диффузионная подвижность упомянутых атомов в «х-фазе и низкая подвижность в т'-фазе на границе приводит к возникновению максимума концентрации никеля на некотором удалении от середины диффузионной границы. Сравнительно невысокая концентрация никеля на середине диффузионной границы деформированных образцов определяет отличия в распределении зде^ь азота по глубине азотированного слоя от иедеформированных образцов: более высокое содержание аэота в абсолютном значении, монотонное уменьшение концентрации от физической поверхности вглубь образца.

В пятой главе представлены результаты сравнительных испытаний на контактную долговечность азотированных низкоуглеродистых сталей мартекситного класса с различным содержанием никеля, а также стали 16Х2НЭШ>БАХ>-и1, обработанной методом гидродробеструйной обработки по различным режимам до азотирования. Азотирование образцов осуществлялось в одной садке по двухступенчатому режиму.

Испытания сталей с различным содержанием никеля проводились по схеме линейно, о контак а. По итогам испытаний построена кривая контактной усталости (рис. 1). С увеличением содержания никеля в теплостойких сталях от 0,16 1. до 3,02 X контактная долговечности, определённая при напряжении бн - 2300 МПа, повышается от 9 млн. циклов до 65 млн. циклов. Такое повышение уровня контагалой, долговечности связано с уменьшением хрупкости вернограничной г'-фазы в никельсодержащих азо.лруемых сталях.

Испытания стали 1оХ2НЗМХ>БАЮ-Д, обработанной методом ГДО с различной длительностью воздействия до азотирования, проводилось по схеме точечного контакта. Устаиовлено. что применение пластической деформации методом ГДО по оптимальному реж®"' повышает контактную долговечность, определённую при напряжении бн = Б000 МПа, приблизительно в 2 раза. Основываясь на теории "слабого звена", причиной повышения контактной долговечности определено улучшение пластических свойств по граничной г'-фазы вследствие увеличения содержания в вей никеля. Пorvaзaнo, что изменение структуры поверхностного слоя на глубине меньшей, чем глубина азотированного слоя, оказывает существенное влияние на сопротивление контактной усталости последнего.

Произведены успешные- натурные испытания низкоинерционной

ремизно-подъёмна каретки новой , инструкции КР-1, зубчатые колёса которой были изготовлены по предложенной комплексной технологии предшествующей азотированию обработки и азотирования. Параметры зубчат! ч муфт: число зубьев - 6Г и 15, модуль - 2 мм, ширина венца - 5 и 4,7 мм, масса - 220 и 70 г, степень точности - 6-В по ГОСТ 1643-81. Предложенная технолоь.я рекомендована к внедрению.

ВЫВОДЫ

1-. Впервые установлен химический состав границ зёрен в , вотированном .июе низкоуглеродистых слалей мартенситног"> класса:

а) в стали 16Х2НЗШБАЮ-Ш наибольшее содержание никеля и азота.отмечено на середине диффузионной границы, оно уменьшается для никеля от 15 % по массе до 3,6 % и увеличивается для азота от 0,8 X до 1,7 X при удалении от физической поверхности от 10 ыкм до 80 мкм.

б) е стали 16Х2НЗ!.'1>БАЮ-ш' на середине диффузионной граница 'концентрация хрома в 1,5...о раза ниже средней концентрации в

СТРПИ;

в) существенного перерераспределения молибдена и ванадия между гранта},ш и объёмам гёрен в азотированном слое не происходит;

г) ыиркна ди£Фуэкс1шой границы изменяется от 600 нм на р~.--стояник 10 мкм от физической поверхности до 100.. .15^ нм на

РАССТОЯНИИ 60 >.«&{;•

л) цс уоладгае диффузионной границы содержание никеля и «юта моною:лю поняхается, а хрома монотонно повыряется до средиого урсгч'.к в стали от середшь» к краю диффузионной границы.

2, Установлено влияние никеля, ¡¡а структуру и свойства азо-тпрэьггаш. теляосто*К5ж сталей мартекситвого класса:

а) вследствие повышения содержания никеля в стали .от 0,72% ;;о 3,02. л по массе после ионного азотирования по режиму: температура, 510 ''С, давление среды 550.. .700 Па, ьремя 50 ча*.^в; глзмср выделений нитридов легирукзе« элементов понижается от ::.0...50 з;м до ','... 1и ны, а плотность их распределения в зернах увеличиваете* от 0,5 х ю22 м-3 до '¿,5 х 1о22 м"э;

0) с увеличением содержания никеля г. стали от 0,16 X до ■',,02 .г по махе.ксЕдонтрацяя этого элемента на границах зёрен в

азотированном слое повышается от 1,4 % до 15 %, а концентрация азота падает от 3 % до 1,5

в) в сердцевине стали 16УЖ'.;"ЗЛл>-Ш (ЕКС-7) после закалки с температуры 920 -"с концентрация никеля на границах зёрен в 2...2,5 раза меньше, чем в объёме зёрен, а после отпуска по режиму: 580 °С, 2 часа + 500 °С, 24 часа + 540 °С, 40 часов; концентрация никеля на границах увеличивается до среднего содержания в стали;

г) в сердцевине низкоуглеродисткх стале* мартенситного класса после отпуска по режиму, указанному в предыдущем пункте, на границе зёрен образуются скопления атомов никеля. С увеличением среднего содержания никеля з стали от 0,99 % до 3,15 7. по массе максимальное содержание этого элемента в скоплениях на границах зёрен увеличивается от 6,4 7. до 30,7 7., а суммарное максимальное содержание атомов фосфора и серы меняется от 27. до О,С*, по массе.

д) никель препятствует образованию по граничь... зёрен в стали 20 протяжённых выделений цементита и способствует более равномерному их распределен™ между границами и обт'мом во время отпуска по режиму: 520 °С, 2 часа + 500 °С, 60 часов;

е) применение зотировг ной никельсодержащей стали 20ХЗНЗМЕВ-Ш по сравнению с безникелевой 15ХЗГ1ШБ-Ш повышает контактную долговечность N50 при испытании по схеме линейного контакта на >ровне напряжений бк = 2300 МПа с 10 млн. циклов до 65 млн. циклов.

3. Устанс злено влияние пластической деформации предшествующей азотированию на структуру и свойства хр лгоникельмолибден-ванадиевых сталей:

а) пластическая деформация способствует преимущественному образованию в гзотированном ._.лое некогерентных с матрицей нит-РИД11ЫХ v33;

б) следствием пластической деформации является повыяение максимальной концентрации никеля на границах зёрен в азотированном слое стали 16Х2НЗ,\®БАЮ-И до 25. ..30 7. по массе и дополнительное снижение концентрации азота до 0.5... 1,0 X;

в) пластическая деформация стали 16Х2Н?>.КБА../-11! методом гидродробеструйиой обработки перед азотированием по режиму: удельная кинетическая энергия „рсби Еуд -- 1,73 кДж/мгс, время обработки единит площади хед пл = 6 мин; повышает контактную долговечность U50 при испытании по схеме точечного контакта на

уровне напряженИ бн - 5000 МПа о 10 млн. циклов до 22 или. циклов.

4. Для изготовления губчатых колёс ремизно-подъёмной каретки новой конструкции для ткацких станков из стали 16Х2Н2Ш£АЮ-Ш опробована комплексная технология, включающая:

- предварительную термическую обработку но режиму:

' 1 цикл - отпуск 650 °С, 2 часа + закалка 975 °С. 1 час, масло; г цикл - отпуск 650 °С, 2 часа + закалка ООО °С, 1 час, масло; 3 цикл - отпуск 650 °С, " часа + эакал а 900 °С, 1 час, масло, отпуск 600 °С, 2 часа;

- пластическую деформацию методом гидродробеструйнсобработки по следующему режиму: удельная кинетическая энергия дроби EyÄ « 1,73 кДж/м2с длительность воздействия не единицу площади тед пл » 6 мин;

-ионное азотирование по режиму: 1 ступень - температура 500 °С, давление среды 400...550 Па, время 24 часа; 2 ступень -температура 540 °С, -авление среды 550...700 Па, время 40 часов.

Применение данной технологии позволило получить контактную выносливость зубчатых колёс реаизно-подъёмной каретки соизмеримую с уровнем цементованных деталей при отсутствии коробления.

5. Новая азотируемая сталь 20ХЗНаж-Ш и комплексная технология её обработки вк-доены для изготовления высоконагружен-ных губчатых колёс угледобываощего комбайна К-500 на АО ГМЗ.

. Основное содержание диссертации отражено в работах: *

1. Влияние предварительной поверхностной пластической деформации на структуру и контактную долговечность азотированной стали 16Х2НЗЯВА&-Щ (ВКС-7) / С. А. Герасимов, Э.А. Елисеев, В.И. Кучерявый и др. /У МиТОМ,- 1994.- №5.- С. 31...33.

2. Влияние размера зерна аустнита на структуру и контактную долговечность азотированной стали / С.А. Герасимов, С.Д. Карпу.чш, Э.А. Елисеев и др. // ЫиТОМ.- 1994,- ЛГ°6.- С. 13...15. '

~ 3. A.c. № 1770445 СССР, МКИ4 С 21 D 1/78. Способ азотирования деталей /.С.А. Герасимов, С.Д. Карпухин, Э.А. Елисеев и лр. -№ 4837500/02; Эаявл. 03.12.90.; Опубл. 20.09.92. Вол. №3° // Открытк., и изобретения. - 1992. г №39. - С. 12-13.

4. Положительное решение по заявке на патент № 5062771/02 от 20.10.92. Азотируемая сталь для тяжелонагруженных деталей иаяки / В.К. Некрасов. С.А. Герасимов, Э.А. Елисеев и др.