Низкотемпературная нитроцементация штамповой стали 5ХНМ в пасте на основе карбамида и железосинеродистого калия

Цель исследования. Разработать карбюризатор для нитроцементации на основе аморфного углерода ДГ100 и азотосодержащих компонентов – карбамида (NH2)2CO, железосинеродистого калия K4Fe(CN)6. Исследовать особенности нитроцементации стали Х12МФ в азотоуглеродистой среде при различных температурах.
Методы. Проведены металлографический и рентгеноструктурный анализы нитроцементованных образцов с использованием электронного растрового микроскопа Quanta FEG–650 и дифрактометра ЕММА. Испытания карбонитрированных образцов на изнашивание проводились в условиях, имитирующих работу штамповых инструментов.
Результаты. Эксперименты показали, что модифицированные слои на стали 5ХНМ начинают формироваться уже при температуре 500°С. Глубина этих слоев зависит от температуры обработки: при 550°С глубина составляет около 5 мкм, а при 650°С – 15–20 мкм. Рентгеноструктурный анализ выявил наличие гексагонального карбонитрида ε на поверхности стали, обработанной при 550°С, и карбонитридов двух типов (ε-фаза и фаза, изоморфная цементиту) при 650°С. Микротвердость поверхностных слоев достигает 10 ГПа при 550°С и 8–9 ГПа при 650°С. Глубина диффузионных слоев зависит от содержания карбамида в пасте, тогда как влияние железосинеродистого калия проявляется только при температурах выше 600°С.
Заключение. Нитроцементация в высокоактивной азотисто-углеродной среде является эффективным методом упрочнения штамповых инструментов из стали 5ХНМ. При низких температурах (550°С) происходит преимущественное насыщение азотом, а при 650°С – совместное насыщение азотом и углеродом. Образующиеся карбонитридные слои обладают высокой твердостью и износостойкостью, что делает этот метод перспективным для упрочнения инструментов, работающих в условиях повышенных нагрузок. 

1. Адаскин А.М. Инструментальные материалы в машиностроении. Москва: НИЦ Инфра-М, 2024. 391 с.

2. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]. 8-е изд., стер. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 646 с.

3. Околович Г.А. Штамповые стали для холодного деформирования металлов. Изд. 2-е, перераб. и доп. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. 202 с.

4. Металлы и сплавы: справочник / под ред. Ю.П. Солнцева. СПб.: АНО НПО Профессионал, 2003. 1066 с.

5. Ворошнин Л.Г., Менделеева О.Л., Сметкин В.А. Теория и технология химико-термической обработки: монография. Минск: БИТУ, 2006. 198 с.

6. Герасимов С.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г. Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 520 с.

7. Иванов А.С., Богданова М.В. Оптимизация технологии цементации и термической обработки низкоуглеродистых мартенситных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. № 2. С. 59-62.

8. Тельдеков В.А., Гуревич Л.М. Исследование технологии низкотемпературной нитроцементации для комплексного упрочнения деталей машин // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2021. № 10 (257). С. 64-68.

9. Костин Н.А. Нитроцементация штамповой стали 5ХНМ в универсальной высокоактивной среде // Машиностроение и инженерное образование. 2015. № 4. С. 21-26.

10. Костин Н.А., Трусова Е.В. Исследование насыщающей способности азотирующей пасты при низких и высоких температурах нитроцементации штамповой стали // Учёные записки: электронный журнал Курского государственного университета. 2013. № 1. С. 80-86.

11. Kostin N.A. Pack cyaniding of steel 6KH4M2FS in order to increase heavily-loaded die durability // Metal Science and Heat Treatment. 2020. Vol. 62, no. 5-6. P. 331-335.

12. Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей: патент 2592339 Российская Федерация / Костин Н.А., Колмыков В.И., Костин Н.Н. [и др.]; № 2015111054/02; заявл. 26.03.2015; опубл. 20.07.2016, Бюл. № 20. 6 с.

13. Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей: патент 2600612 Российская Федерация / Костин Н.А., Колмыков В.И., Костин Н.Н. [и др.]; № 2015116958/02; заявл. 05.05.2015; опубл. 27.10.2016, Бюл. № 30. 5 с.

14. Костин Н.А. Особенности закалки штамповых сталей 5ХГС и 5Х3ГС, науглероженных до заэвтектоидных концентраций // Черные металлы. 2020. № 5. С. 31-36.

15. Петрова Л.Г., Сергеева А.С. Контроль фазового состава аустенитных сталей при поверхностном упрочнении методом высокотемпературного азотирования // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. № 6(108). С. 3-11. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-63-11.

16. Бегатов Ж., Джалилова М. Влияние режимов низкотемпературной нитроцементации на структуру и свойства стали 4ХМФС // Belarusian-Uzbek Scientific and Methodologikal Journal. 2022. Vol. 1, no. 2. P. 45-48.

17. Костин Н.А. Повышение эксплуатационных свойств штамповой стали 5Х2ГФ путём создания карбонитридных слоёв химико-термической обработкой // Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. № 8. С. 19-22.