УДК 620.18: 669-419:621.771

         621.785.532

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРЫ  МНОГОСЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ТОЛЩИНУ ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ ПРИ АЗОТИРОВАНИИ

 

STUDY OF STRUCTURAL PARAMETERS MULTILAYER MATERIALS THE THICKNESS OF THE DIFFUSION LAYER DURING NITRIDING

 

Плохих А.И., Сафонов М.Д. (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, РФ)

Plokhikh A.I., Safonov M.D. (MSTU n.a. N.E. Bauman, Russia)

 

В работе приведены результаты металлографического исследования по установлению влияния степени структуризации многослойных металлических материалов на параметры диффузионного слоя при проведении химико-термической обработки азотированием.

The results of metallographic studies of the structure of multilayer metal material after nitriding. The relation between the thickness of the laminar layers of the material and the thickness of the diffusion layer.

 

Ключевые слова: слоистые композиты, многослойные материалы, горячая прокатка, микроструктура, химико-термическая обработка, азотирование, диффузия

Key words: layered composites, multilayer materials, hot rolling, microstructure, chemical heat treatment, nitriding, diffusion

 

Использование азота в качестве легирующего элемента в сталях  известно достаточно давно.  Помимо упрочнения поверхностного слоя в деталях машин при проведении химико-термической обработки (ХТО), введение азота в сплавы металлургическим путем позволяет уменьшить в сплавах содержание никеля, марганца и других аустенитообразующих элементов, увеличить содержание в сплавах элементов ферритообразователей, положительно влияющих на механические и коррозионные характеристики сплавов. А также  улучшить характеристики технологической пластичности путем расширения интервала существования аустенита в высокотемпературной области. Анализ публикаций [1, 2] показывает, что азот способен так же образовывать твердые растворы внедрения в аустените и феррите и увеличивать количество аустенита и стабилизировать аустенит по отношению к γ→α и γ→ε превращениям.  

Вместе с тем, в современной технике обработка азотированием занимает важное место среди способов ХТО. По эффективности повышения износостойкости азотирование превосходит известные процессы цементации и нитроцементации. Однако возможности азотирования использованы лишь частично.

Теория и практика ХТО показывает, что существенное влияние на процессы диффузии легирующих элементов оказывают несовершенства кристаллического строения. Известно, что в металлических материалах значение коэффициента зернограничной диффузии на порядки превышает значения коэффициента объемной диффузии. Поэтому, несмотря на возможные трудности, перспективной может оказаться идея формирования особого вида ориентированной ламинарной микроструктуры, строение которой увеличивало бы скорость и глубину проникновения легирующих элементов при поверхностном насыщении деталей машин (рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Схема проникновения легирующих элементов в полиэдрической (а) и ламинарной структуре (б)

 

Для проведения исследования были использованы многослойные композитные заготовки, которые в начале производственного цикла состояли из 100 чередующихся между собой карточек двух отличающихся по составу  сталей, толщиной 0,5 мм, длиной  200 и шириной 50 мм, по 50 штук каждой марки. По экспериментальному технологическому маршруту [3, 4], указанные заготовки прошли два полных технологических цикла изготовления. В качестве объектов исследования были выбраны образцы, полученные после первого технологического цикла, с толщинами слоев 100 и 20 мкм соответственно.

Азотирование было проведено в газовой среде при температуре 540 оС, со степенью диссоциации аммиака от 20 до 40 %, в течение 45 ч.

Исследование микроструктуры многослойных образцов показало, что глубина проникновения диффузанта при проведении азотирования зависит от толщины ламинарных слоев материала. Установлено, что в многослойных образцах, имеющих толщину ламинарного слоя 100 мкм, глубина проникновения азота в среднем составляет около 120 мкм. Достаточно четко при химическом травлении, проявляется диффузионный фронт азота, проникающего с опережением по границам ламинарных слоев (рисунок 2). Такая же картина в целом сохраняется и на многослойных образцах, имеющих толщину ламинарного слоя 20 мкм. Однако глубина проникновения азота увеличивается и составляет около 250 мкм, с учетом более темного по травлению слоя на поверхности образца (рисунок 3).

Причиной такого увеличения толщины азотированного слоя в многослойных материалах может являться ускоренная диффузия азота по межслойным границам с последующим насыщением объемов слоев от них, как от постоянно действующих источников генерирующих диффундирующий элемент [5].

5-I_1

 Рисунок 2 – Преимущественное проникновение азота по межслойной границе  (композиция 08Х18Н10+У8). Толщина ламинарного слоя 100 мкм

 

Обращает на себя внимание то, что глубина проникновения азота в сталь У8 (более темный ламинарный слой) и 08Х18Н10 (более светлый слой) примерно одинаковая. Если в стали 08Х18Н10 глубина проникновения азота соответствует впадине вогнутого мениска, то в стали У8 это толщина участка с более детальной травимостью.

 

5-1_5

 Рисунок 3 – Структура азотированного слоя в многослойном материале (композиция 08Х18Н10+У8). Толщина ламинарного слоя 20 мкм

 

Как показали проведенные исследования, форма мениска, а соответственно и величина профильного угла, во многом определяется химическим составом сталей составляющих композицию многослойного материала [6]. Для более точного прогнозирования глубины проникновения азота в многослойных материалах необходимо учитывать также и разную скорость оттока азота от межслойных границ в соседние слои, учитывая, что стали соседних слоев в многослойных материалах существенно отличаются не только по составу, но и по структуре. Соответственно диффузионная подвижность азота в этих слоях также будет отличаться, что приведет к различию в объемах диффузионных потоков в слои по разные стороны от межслойной границы.

Кроме того, необходимо учесть особый вид «бамбуковой структуры», формирующейся процессе получения многослойных материалов [7], которая оказывает влияние на диффузию по границам зерен внутри самих слоев, что обусловлено наличие дополнительных путей отвода азота от слоевых границ, тем более, что эти границы расположены перпендикулярно межслойным границам.

Таким образом, проведенное исследование показало, что глубина проникновения диффузанта при проведении азотирования зависит от толщины ламинарных слоев материала. Установлено, что уменьшение толщины ламинарных слоев от 100 до 20 мкм, приводит к увеличению диффузионного слоя азота более чем в два раза, в том числе по сравнению с контрольным поликристаллическим образцом.

 

Список использованных источников

  1.  Блинов В.М., Морозова Е.И., АРахштадт.Г., Костина М.В., Плохих А.И. Фазовые и структурные превращения в высокоазотистых аустенитных сплавах Fe-18% Cr.//Металловедение и термическая обработка металлов.-1998.- № 9. –С.13-15.
  2. Блинов В.М., Елистратов А.В., Морозова Е.И., Рахштадт А.Г., Костина М.В., Колесников А.Г., Плохих А.И. Влияние термической обработки на структурные превращения и свойства высокоазотистых хромистых сталей// Металловедение и термическая обработка металлов.-2000.-№ 6. -С.19-24.
  3. Братухин А.Г., Колесников А. Г., Плохих А. И. К вопросу применения субмикро- и наноструктурированного листового проката в интересах авиационной и ракетно-космической техники//Наука и технологии в промышленности. – 2012. – № 4. – С. 43 – 47.
  4. Tabatchikova T.I., Yakovlev I.L., Plokhikh A.I., Del’gado Reina S. Yu. Studying a multilayer material based on stainless steels and produced by hot pack rolling//The Physics of Metals and Metallography – 2014 – V. 115 – Issue 4p. 403 – 412.
  5. Петелин А.Л., Плохих А.И. Модель диффузии по границам слоев в многослойных материалах//Известия ВУЗов. Черная металлургия. – 2013. - №11. – С. 45 – 48.
  6. Плохих А.И. О возможности применения многослойных металлических материалов для деталей машин, упрочняемых ХТО//Известия Волгоградского государственного технического университета – 2013 – Т. 7 – № 6. – С. 13 –17.
  7. Моделирование  процесса пластической деформации многослойных металлических материалов/Плохих А.И., Путырский С.В.//Сборник докладов Международного научно-технического конгресса "ОМД 2014. Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии». Ч.I., С. 221-226

SpyLOG