Поверхностное модифицирование экономно легированной стали 9ХС в азотисто-углеродной среде для повышения износостойкости

Цель. Исследование нитроцементации  стали 9ХС при температуре 560°С  в высокоактивной твердой азотисто-углеродистой среде  на основе аморфного углерода и азотосодержащих компонентов – карбамида и железосинеродистого калия.

Методы. Исследована микроструктура нитроцементованной стали на поперечных шлифах с использованием оптического микроскопа XIMEA с программным обеспечением Axalit, а также с помощью электронного растрового микроскопа Qanta FEG–650 с системой микроанализа фокусированным ионным пучком EBCD. Проведен послойный рентгеноструктурный анализ образцов на дифрактометре ХR–700S в хромовом излучении. Испытания карбонитрированных образцов на изнашивание проводили в условиях трения, аналогичных условиям работы штамповых инструментов. Износостойкость нитроцементованных образцов исследовалась на машине трения СМЦ–2. Испытания проводились как в условиях сухого трения, так и в условиях граничного трения.

Результаты. Экспериментально показана высокая эффективность предлагаемой пасты при данной температуре.  В результате  нитроцементации на поверхности стали образуются модифицированные слои, насыщенные твердыми включениями (ε-фазы), отличающиеся высокой твердостью, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью.

Заключение. По результатам проведённых исследований можно заключить, что нитроцементация штамповой стали 9ХС, проводимая в высокоактивной азотисто-углеродной пасте при температуре карбонитрации (560°С), способствует образованию на поверхности модифицированных слоев, насыщенных  карбонитридами (главным образом гексагональным карбонитридом ε). Модифицированные слои отличаются очень низким коэффициентом трения и очень высокой износостойкостью. Нитроцементованную сталь 9ХС можно использовать для изготовления рабочих деталей штампов вместо более дорогих высоколегированных сталей (например, Х12), что может повысить экономическую эффективность машиностроения.

1. Геллер Ю. А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1983. 525 с.

2. Артингер И. Инструментальные стали и их термическая обработка: справочник. М.: Металлургия, 1982. 311 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. Позняк Л. А., Скрыпченко Ю. М., Тишаев С. И. Штамповые стали. М.: Металлургия, 1980. 243 с.

5. Гуляев А. П., Малинина К. А., Саверина С. М. Инструментальные стали: справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1975. 272 с.

6. Mechanical properties and deformation behavior of additively manufactured lattice structures of stainless steel / P. Köhnen, Ch. Haase, J. Bültmann, S. Ziegler, J. Schleifenbaum, W. Bleck // Materials and Desing. 2018. Vol. 145. P. 205–2017.

7. Металлы и сплавы: справочник / под ред. заслуженного деятеля науки и техники РФ Ю. П. Солнцева. СПб.: АНО НПО Профессионал, 2003. 1066 с.

8. 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.

9. Лахтин Ю. М., Козловский И. С. Основы технологии химико-термической обработки // Термическая обработка в машиностроении: справочник. М.: Машиностроение, 1980. С. 275–368.

10. Патент 2592339 Российская Федерация, МПК С23С 8/76. Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей / Костин Н. А., Колмыков В. И., Костин Н. Н. [и др.]. № 2015111054/02; заявл. 26.03.2015; опубл. 20.07.2016, Бюл. № 20.

11. Механические свойства и характер разрушения ферритных коррозионностойких сталей после высокотемпературного азотирования / В. М. Хаткевич, С. А. Никулин, А. Б. Рожнов, С. О. Рогачев // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. № 4. С. 26–31.

12. 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.

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

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

15. 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.

16. Костин Н. А., Трусова Е. В. Использование нитроцементованной стали ШХ 15 в качестве материала для штамповых инструментов // Вопросы материаловедения. 2017. № 1. С. 31–37.

17. Прокошкин Д. А. Химико-термическая обработка металлов – карбонитрация. М.: Металлургия, 1984. 240 с.

18. Иванов А. С., Богданова М. В. Оптимизация технологии цементации и термической обработки низкоуглеродистых мартенситных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2014. № 8. С. 44–48.

19. Костин Н. А., Колмыков В. И., Трусова Е. В. Особенности процесса науглероживания инструментальных сталей для повышения стойкости штампового инструмента // Auditorium. 2016. № 1. С. 53–58.

20. Temperature effect on deformation mechanisms and mechanical properties of a high manganese C+N alloyed austenitic stainless steel / L. Mosecker, D. T. Pierce, A. Schwedt, M. Beighmohamadi, J. Mayer, W. Bleck, J. E. Wittig // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 642. Р. 71–83.

21. Термодинамические и экспериментальные исследования низколегированных сталей после нитроцементации в атмосферах низкого давления / Т. Моррэй, Ф. Жаке, М. Мансори, А. Фабр, Л. Арралье //.Металловедение и термическая обработка металлов. 2014. № 8. С. 34–39.