Исследование особенностей формирования диффузионных слоёв при нитроцементации высокохромистых сталей в сажево-карбонатной среде

Целью работы является установление закономерностей формирования структуры и фазового состава поверхностных (модифицированных) слоёв на хромистой нержавеющей стали 20Х13 при интенсивном насыщении углеродом и азотом, обоснование возможности поверхностного упрочнения деталей из высокохромистых сталей нитроцементацией.

Методы. Исследования проводили на образцах из высокохромистой стали 20Х13, которые подвергались высокотемпературной нитроцементации в пастообразной среде, включающей мелкодисперсную сажу, углекислый натрий и железосинеродистый калий (пастообразователь – водный раствор карбометилцеллюлозы). Микроструктуру исследовали с использованием оптического металлографического микроскопа OLIMPUS OX 51 и сканирующего электронного микроскопа Qanta FEG-650 с системой рентгеноструктурного микроанализа EDAX. Микротвёрдость определяли на микротвердометре Duramit-5, фазовый состав – на рентгеновском дифрактометре XRD-7000S.

Результаты. Нитроцементация высокохромистой стали 20Х13 в интервале температур 820–950°С обеспечивает формирование на поверхности диффузионных слоёв, структура которых представлена тремя зонами: коркой твёрдых карбонитридов на поверхности, заэвтектоидной зоной с твёрдорастворной матрицей и включениями карбонитридов под коркой и переходной зоной, включающей твёрдый раствор, обогащённый углеродом и азотом, с зёрнами основного металла. Микротвёрдость нитроцементованных слоёв на стали 20Х13 после закалки с 1050°С в масле и отпуска при 600°С достигает Нµ 750–800 на поверхности и достаточно плавно уменьшается по глубине нитроцементованного слоя. Глубина нитроцементованных слоёв с повышенной микротвёрдостью (более Нµ 400), в зависимости от длительности обработки, может достигать ~0,5 (860°С, 6 часов).

Заключение. Нитроцементация высокохромистой стали 20Х13 при 820–880°С в активной сажево-карбонатной пасте с добавкой железосинеродистого калия приводит к повышению твёрдости поверхностных слоёв примерно в 4 раза больше твёрдости основы, что в сочетании с высокими механическими свойствами основы позволит значительно увеличить срок службы деталей из высокохромистых нержавеющих сталей типа Х13, работающих в условиях высоких контактных нагрузок.

1. Экспериментальное исследование и математическое моделирование поведения сталей марок Ст3, 20Х13 и 08Х18Н10Т в широких диапазонах скоростей деформации и температурах / А. М. Бригов, Л. А. Игумнов, В. Б. Кайдалов, А. Ю. Константинов, Д. А. Лапшин, А. К. Ломунов, Ф. И. Митенков // Прикладная механика и техническая физика. 2015. Т. 56, № 6. С. 51–57.

2. Ивашко В. В. Исследование влияния режимов нагрева на структуру и свойства нержавеющей стали 20Х13 // Вестник БарГУ. Серия: Технические науки. 2015. Т. 3. C. 45–48.

3. Металловедение. Т. 2. Термическая обработка. Сплавы / под ред. В. С. Золоторевского. М.: МИСиС, 2014. 528 с.

4. Костин Н. А., Трусова Е. В. Процесс карбонитрирования инструментальной стали в активной пастообразной среде // Металлургия машиностроения. 2014. № 2. С. 43–45.

5. Термохимическое исследование образования силицидов, боридов, карбидов в сплаве Fe-NiCr-Cu-Si-B-C / Ф. Р. Капсаламова, С. А. Красиков, А. Ж. Терликбаева, Е. М. Жилина, А. М. Алимжанова // Расплавы. 2023. № 4. С. 414–425.

6. Оценка термической стабильности многослойных наноструктурных покрытий на основе анализа диффузионной подвижности компонентов слоев / А. О. Волхонский, И. В. Блинков, Ю. В. Левинский, Е. А. Скрылева // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2016. № 4. С. 86–93.

7. Steel and its heat treatment / ed. by T. Holm, P. Olsson, E. Troell. Molndal : Swerea IVF, 2012. 712 p.

8. Steel Heat Treatment Handbook / ed. by G.E. Totten, M. A. H. Howes. Second ed. CRC Press, 2006. 1208 р.

9. Металловедение. Т. 1. Основы металловедения / под ред. В. С. Золоторевского. М.: МИСиС, 2014. 496 с.

10. Герасимов С. А., Лаптева В. Г., Куксенова Л. И. Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. 520 с.

11. Наплавка штамповых инструментов с последующей нитроцементацией для их эффективной реставрации / Н. А. Костин, В. И. Колмыков, Е. В. Трусова, Н. Н. Костин // Черные металлы. 2022. № 2. С. 56–61.

12. Особенности формирования микроструктуры при пластической деформации в облученной нейтронами нержавеющей стали 12Х18Н10Т / К. В. Цай, О. П. Максимкин, М. Н. Гусев [и др.] // Вестник НЯЦ РК. 2009. Вып. 4. С. 77–85.

13. Коломийцев Е. В. Коррозионно-усталостная прочность тавровых соединений стали 12Х18Н10Т и методы ее повышения // Автоматическая сварка. 2012. № 12. С. 41–43.

14. Abdul Kareem F. Hassan, Qahtan Adnan Jawad. Estimation of austenitizing and multiple tempering temperatures from the mechanical properties of AISI 410 using artificial neural network // International Journal of Engineering & Technology. 2018. Vol. 7(4.19). P. 778–787. https://doi.org/10.14419/ijet.v7i4.19.27997.

15. Влияние скорости охлаждения при закалке на структуру и твердость сталей типа X13 с различным содержанием углерода / Е. М. Гринберг, С. С. Гончаров, Д. А. Мова, Е. Ю. Кондаурова,Е. А. Суровцева // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2009. № 3. С. 296–306.

16. Смирнов А. Е. Оптимизация технологических факторов вакуумной нитроцементации комплексно-легированных сталей мартенситного класса // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2019. № 2. С. 13–19. EDN THICRG.

17. Вржащ Е. Э. Математическая оптимизация эксперимента при получении качественного диффузионного слоя при нитроцементации стали в электростатическом поле // Приднепровский научный вестник. 2019. Т. 9, № 3. С. 60–64. EDN ADUWTF.

18. Влияние электролитно-плазменной нитроцементации на фазовый состав сплава 40ХНЮ / Н. А. Попова, Е. Л. Никоненко, Г. У. Ерболатова, А. В. Никоненко // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2019. Т. 21, № 3. С. 24–32. https://doi.org/10.15593/2224-9877/2019.3.03. EDN HWJPHC.

19. Грашков С. А., Колмыков В. И. Повышение износостойкости стали ХВГ для деталей топливной аппаратуры дизелей методом нитроцементации // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 1. С. 43–56. EDN TNHSOE.

20. Влияние электролитно-плазменной нитроцементации на структурно-фазовое состояние сталей феррито-перлитного класса / Н. А. Попова, Е. Л. Никоненко, А. В. Никоненко [и др.] // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2019. Т. 62, № 10. С. 782–789. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-10-782-789. EDN IOXGNG.