ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СЛОЕВ НИКОТРИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ “СУХОГО” ТРЕНИЯ

 

RESEARCH OF PROCESSES STRUCTURE FORMATION TRIBOTECHNICAL OF LAYERS NITRIDING CONSTRUCTIONAL STEELS IN CONDITIONS OF “DRY” FRICTION

 

Маленко П.И. (ТулГУ, г. Тула, РФ)

Malenko P.I. (Federal state budget educational establishment maximum vocational training “The Tula state university”, Tula, Russian Federation)

 

В статье представлены результаты исследований процессов структурообразования поверхностных триботехнических слоев никотрированной конструкционной стали 25ХЗМЗНБЦА с использованием технологии статического окисления.

In clause the results of researches of processes structure formation superficial tribotechnical f layers nitriding of constructional steel 25ХЗМЗНБЦА with use of technology of static oxidation are submitted.

 

Ключевые слова: никотрирование, статическое окисление, сталь, фазы, трение.

Keywords: nitriding, static oxidation, steel, phases, friction.

 

Никотрирование сталей позволяет в значительной степени улучшить их эксплуатационные характеристики и, в первую очередь, износостойкость и антифрикционность [1,2]. В результате никотрирования на поверхности деталей формируется одно- или двухфазный слой, характеризуемый соответствующими показателями скорости изнашивания и коэффициента трения [3].

Традиционно прогнозирование долговечности никотрированных покрытий осуществлялось по исходным, то есть статическим, характеристикам ε и γ/-карбонитридных фаз. Такой подход не является корректным, так как в процессе трения нитриды (МеmCn) и карбонитриды Mem(N,C)n вступают во взаимодействие с окружающей средой и в значительной степени химически модифицируются или даже совершенно исчезают.

Были проведены эксперименты по статическому окислению никотрированной конструкционной стали 25ХЗМЗНБЦА с использованием технологии оксимолибденирования [4]. Процесс никотрирования осуществляли по известному рациональному режиму в течение 8 часов при температуре 580 0С в равнопорциальной насыщающей смеси на основе аммиака и эндогаза. Статическое окисление при оксимолибденировании проводили при температуре 580 0С в парах водного раствора молибдената аммония. Исследовали 7 различных режимов окисления в зависимости от расхода реагента q и времени окисления τокисл (табл. 1).

Основными фазами в исходном состоянии в структуре карбонитридного слоя и подповерхностного среза диффузионной зоны являются: раствор азота и углерода в α-Fe; карбиды хрома (Cr7C3) и железа (Fe3C), карбонитрид Fe3(N,C) и нитриды Fe2-3N (ε-фаза) и Fe4N/-фаза).

 

Таблица 1-Режимы статического окисления никотрированной стали 25ХЗМЗНБЦА

Номер

режима окисления

Расход водного реагента молибдената q, г/мин

Длительность окисления τокисл, мин

Режим №1

30

20

Режим №2

60

20

Режим №3

30

40

Режим №4

60

40

Режим №5

30

60

Режим №6

60

60

Режим №7

90

60

 

В таблицу 2 сведены данные по содержанию нитридных, оксидных и карбонитридной фаз в поверхностных слоях для каждого режима окисления.

 

Таблица 2-Содержание основных фаз в статически окисленных никотрированных покрытиях на стали 25ХЗМЗНБЦА

Режим обработки поверхностного слоя

Основные фазы поверхностного слоя

a-Fe

Fe3C

Cr7C3

Fe3(N,C)

Fe2N

Fe2-3N

Fe4N

Fe3O4

Fe2O3

Fe3N

FeO

Mo8O23

Никотрирование

+

+

+

+

+

+

 

 

 

 

 

 

Окисление по №2

+

+

+

+

+

+

+

+

+

 

 

 

Окисление по №3

+

+

+

+

+

+

+

max

+

+

 

 

Окисление по №4

+

+

+

+

+

+

+

max

+

+

 

 

Окисление по №5

+

+

+

+

+

 

+

max

+

+

 

 

Окисление по №6

+

 

+

+

 

+

+

+

max

+

+

+

Окисление по №7

+

+

 

+

 

+

+

+

max

 

 

 

Результаты статического окисления показывают, что во всех случаях окисления никотрированного слоя основной фазой является магнетит Fe3O4. Кроме того, на всех режимах оксимолибденирования формируется также гематит Fe2O3, содержание которого по сравнению с магнетитом в 10 раз меньше (табл. 3).

Как видно из таблицы 3 максимальное количество магнетита Fe3O4 (в таблице обозначено символом *) образуется в поверхностном слое после обработки по режимам №3, №4 и №5. При этом микротвердость с поверхности принимает также наибольшие значения от 3300 до 5600 МПа. Меньшее содержание Fe3O4-фазы в покрытиях (режимы №1, №6 и №7) способствует, как правило, снижению микротвердости на поверхности до 2500...3000 МПа. В окисленных слоях, полученных по режимам №6 и №7, как показал анализ интенсивности дифракционных линий, основной фазой является уже не магнетит, а гематит Fe2O3 (табл. 2).

 

Таблица 3-Относительное содержание оксидов железа и микротвердость в статически окисленном никотрированном слое на стали 25ХЗМЗНБЦА

Номер режима окисления

Относительное содержание оксидов железа

Поверхностная микротвердость

Hà, МПа

Fe3O4-магнетит

Fe2O3-магнетит

Индексы дифракционной линии

(200)

(422)

(112)

(202)

Режим №1

25

20

15

10

3100

Режим №2

35

15

15

10

4300

Режим №3

50*

20

10

15

5600

Режим №4

45*

30

15

20

4000

Режим №5

55*

30

20

20

3300

Режим №6

20

20

55

30

2500

Режим №7

40

25

45

35

2900

Анализ фазового состава “третьего тела”, формирующегося при “сухом” трении никотрированной стали 25ХЗМЗНБЦА показал, что при жестких режимах изнашивания (соответственно >2,0) на микроконтактах поверхности трения происходит интенсивное образование окисных пленок преимущественного состава Fe3O4-соединения. При этом возможно кратковременное появление в самом начале трения “белых слоев” толщиной до 2 мкм. В более глубоких слоях формируется срез измельченной структуры, толщина которого с увеличением нормальной нагрузки закономерно возрастает от ~3 мкм до 20...30 мкм и более. Повышение силового σk-параметра приводит к размытию границы между зоной с интенсивно измельченной структурой и основой. С другой стороны, протекают процессы окисления ранее сформированного “белого слоя”.

Анализ структур окисленного по режиму №3 никотрированного слоя позволяет констатировать, что оксимолибденирование уменьшает толщину карбонитридного слоя до 8...10 мкм. Причем окисление распространяется на глубину порядка ~6 мкм. Оксидирование по режиму №1 позволяет сохранить больше карбонитридной фазы и, соответственно, толщину никотрированного покрытия на уровне ~15 мкм. Окисление поверхностного среза менее выражено, количество дефектов в окисленной зоне наименьшее. Толщина карбонитридного слоя после обработки по режиму №5 статического окисления минимальная, причем слой утоняется до 2...5 мкм. Наиболее активно “рассасывание” нитридов протекает по границе покрытия и диффузионной зоны.

Таким образом, в процессе статического окисления карбонитридный слой претерпевает следующие физические изменения:

- окисляется с поверхности в контакте с газовым реагентом;

- рассасывается по границе с диффузионной зоной за счет разложения γ/- и ε-фаз нитридного слоя и диффузии элементов (в том числе и кислорода) вглубь диффузионной зоны. Скорость рассасывания “белого слоя” в связи с возможным повышением температуры термооксидирования составляет ~0,49 мкм/0С.

В процессе оксимолибденирования диффузионная зона также окисляется, приобретает характерное волокнистое строение и утоняется. Максимальное окисление достигается при температуре процесса ~610 0С, минимальное - при 520 0С. Толщина утоненной диффузионной зоны h* составляет: для 3-го режима ~80 мкм; 1-го - 66 мкм и 5-го режима - 50 мкм. Скорость утонения диффузионной зоны с повышением температуры составляет ~0,37 мкм/0С.

Заключая анализ возможных фазовых переходов при статическом окислении никотрированных (ε+γ/)-слоев путем оксимолибденирования, можно отметить следующее.

1. Окисление карбонитридного слоя происходит вследствие растворения Fe4N(γ/)-фазы и формирования на ее основе метастабильной FeO-фазы. Последняя при температурах процесса ниже 570 0С или медленном охлаждении может трансформироваться в окислы Fe3O4, а при более высоких температурах и в Fe2O3. Термодинамически Fe4N®FeO®Fe3O4 возможен, так как энергия образования соединений с азотом почти в 2 раза больше, чем кислородных соединений.

2. Окисление границ между карбонитридным слоем и диффузионной зоной и самой диффузионной зоны происходит также через FeO-фазу, формирование феррита и его последующее окисление.

 

Список использованных источников

1. Семенова, Л. М. Современное состояние и опыт внедрения процессов химико-термической обработки [Текст] /Л. М. Семенова, А. В. Пожарский, А. М. Мешков // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1987. - № 5. - C. 12-14.

2. Власов, В. М. Структура и свойства никотрированных хромомолибденванадиевых сталей [Текст] / В. М. Власов, П. И. Маленко; ТулГУ. - Тула, 1995. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 03.03.95, № 608-В95.

3. Лахтин, Ю. М. Азотирование стали [Текст] / Ю. М. Лахтин, Я. Д. Коган. - М.: Машиностроение, 1976. - 156 с.

4. Власов, В. М. Механизмы порообразования в диффузионных зонах стали 25ХЗМЗНБЦА при никотрировании [Текст] / В. М., Власов, И. М. Симиновский // Внутреннее трение и дислокационная структура металлов. -Тула. - 1990. - C. 195-198.