Легирование стали азотом. Влияние азота на свойства марганцовистой стали

При отсутствии в стали элементов, образующих нитриды при большой температуре (Ti, Al, Zr, V), после образования?-Fe возникает выделение азота из раствора в виде включений нитридов железа (Fe2N, Fe4N, Fe8N). Это выделение может длиться продолжительное время после остывания и, так как оно проистекает в основном при низкой температуре, выделившиеся включения дисперсны (размером порядка 10-3 мкм). Дисперсные включения нитридов железа размещаются по кристаллографическим плоскостям и, мешая перемещению дислокаций, вызывают чрезмерную хрупкость металла. Следствием этого является понижение ударной вязкости и относительного сужения, при одновременном росте твердости и прочности.

Как и выделение нитридов железа, понижение ударной вязкости повышается при продолжительном хранении или эксплуатации стальных изделий, достигая минимума спустя 20--40 суток, потому описываемое явление получило название старения. Старение может быть ускорено искусственно, если закаленное железо или сталь подвергать холодной пластической деформации, повышающей скорость распада твердого раствора и выделения нитридов железа. В следствии старения ударная вязкость может понизиться в четыре--шесть раз, поэтому склонность к старению является недостатком стали. Она свойственна для малоуглеродистой стали, не раскисленной алюминием или ванадием.

Воздействие азота на механические свойства стали изображено на рисунке 3.

Рисунок 3 - Воздействие азота на механические свойства стали

Присадка в сталь элементов, связывающих азот в нитриды при больших температурах, ликвидирует склонность стали к старению. Подобными элементами являются следующие:

• 1) алюминий, образующий нитриды в основном во время затвердевания и в твердом металле до температуры превращения?-Fe в?-Fe;
• 2) ванадий и цирконий, образующие нитриды во время кристаллизации;
• 3) титан, образующий нитриды в жидкой стали и во время кристаллизации.

Наибольшее использование приобрел алюминий, обширно используемый и в качестве раскислителя. При обыкновенных концентрациях азота и алюминия в твердом металле образуются нитриды. Однако включения этих нитридов, выделяясь при более высокой температуре, имеют на два-три порядка крупные размеры, чем включения нитридов железа, потому они не оказывают такого воздействия на движение дислокаций и не вызывают старение.

Таким образом, спокойная сталь, раскисленная алюминием, не склонна к старению. Тем не менее и в стали, раскисленной алюминием, может наблюдаться снижение ударной вязкости. Это выражается при высоком содержании азота и алюминия (например, 0,01% N и 0,2% А1), когда в металле образуется межзеренный излом, проходящий по границам зерен первичного аустенита. Формирование такого излома вызвано ослаблением связи между зернами в результате выделения по их границам включений нитрида алюминия, и оно указывает об ухудшении свойств металла.

Подводя результат всему вышесказанному излишнее содержание азота в стали приводит к снижению предела текучести и временного сопротивления, к тому же он является существенной причиной старения малоуглеродистых сталей. В стали, изготовляемой в электропечах, содержится 0,008-0,012% азота. Так как азот является трудноудаляемой примесью, его негативное влияние можно нейтрализовать путём введения нитридообразующего элемента для получения высокопрочных нитридов. При этом достигается в первую очередь увеличение вязких свойств сталей. Однако для сведения вредоносного влияния азота к минимуму желательно получать сталь с содержанием данного элемента меньше 0,004%.

Растворимость азота в стали и его влияние на свойства стали. Растворимость азота в железе может быть описана уравнениями

• 2 [N] = N 2 (г);
• K N = p N 2 /[N] 2

Следовательно, и растворимость азота, в соответствии с правилом Сивертса, пропорциональна корню квадратному из величины его давления. Так как K N меняется с температурой и различно для разных фазовых состояний, растворимость азота зависит от температуры и скачкообразно изменяется при аллотропических превращениях и плавлении.

Результаты исследований, приведенные в виде изобары на рис. 1, показывают, что растворимость азота в стали резко уменьшается при кристаллизации и во время превращения у-железа в а-железо .

Другие элементы влияют на растворимость азота жидкой стали. Это влияние характеризуется параметрами взаимодействия. Их знак и величина показывают, что в порядке усиления влияния растворимость азота увеличивают молибден, сера, марганец, алюминий, хром, ванадий, титан. Понижают растворимость азота Ni, Р, С.

Уменьшение растворимости азота в стали при кристаллизации и во время превращения у-железа в а-железо является основной причиной влияния азота на свойства стали.

При отсутствии в стали элементов (Ti, Al, Zr, V), образующих нитриды при высокой температуре, после образования а-железа начинается выделение азота из раствора в виде включений нитридов железа (Fe 2 N, Fe 4 N, Fe 8 N). Это выделение может продолжаться длительное время после охлаждения и, так как оно происходит в основном при низкой температуре, выделившиеся включения очень дисперсны. Порядок их размера 10 -3 мкм.

Дисперсные включения нитридов железа располагаются по кристаллографическим плоскостям и, препятствуя перемещению дислокаций, вызывают охрупчивание металла. В результате этого падает ударная вязкость и уменьшаются относительные сужение и удлинение при одновременном повышении твердости и прочностных свойств .

Как и выделение нитридов железа, падение ударной вязкости увеличивается с течением времени хранения или эксплуатации стальных изделий, достигая минимума через 20-40 суток. Поэтому описываемое явление получило название старения .

Азот в стали вызывает старение, оно может быть ускорено искусственно, если закаленное железо или сталь подвергнуть холодной пластической деформации, увеличивающей скорость распада твердого раствора и выделения нитридов железа.

В результате старения ударная вязкость может уменьшиться в 4-6 раз . Поэтому склонность к старению является существенным пороком стали. Она характерна для малоуглеродистой стали, не раскисленной алюминием или ванадием.

Присадка в сталь элементов, связывающих азот в стали, в нитриды при высоких температурах, устраняет склонность стали к старению . К числу таких элементов относятся: алюминий, образующий нитриды в основном во время затвердевания и в твердом металле до температуры превращения у-железа в a-железо; ванадий и цирконий, образующие нитриды во время кристаллизации; титан, образующий нитриды в жидкой стали и во время кристаллизации.

Наибольшее применение получил алюминий , широко используемый и в качестве раскислителя. При обычных концентрациях алюминия и азота в стали он образует нитриды в твердом металле. Но размеры включений этих нитридов, выделяющихся при более высокой температуре, на 2-3 порядка больше размеров включений нитридов железа. Поэтому они не оказывают такого влияния на движение дислокаций и не вызывают старение.

Следовательно, металл, раскисленный алюминием, имеет низкое содержание азота в стали, и она не склонна к старению. Однако и в стали, раскисленной алюминием, может наблюдаться понижение ударной вязкости. Это проявляется при высоком содержании азота и алюминия (например, 0,01% N и 0,2% Al), когда в металле образуется межзеренный излом, проходящий по «границам зерен первичного аустенита. Образование такого излома вызвано ослаблением связи между зернами вследствие выделения по их границам включений нитрида алюминия и оно свидетельствует об ухудшении свойств стали.

Азотирование, в процессе выполнения которого поверхностный слой стального изделия насыщается азотом, стало использоваться в промышленных масштабах относительно недавно. Такой метод обработки, предложенный к использованию академиком Н.П. Чижевским, позволяет улучшить многие характеристики изделий, изготовленных из стальных сплавов.

Суть технологии

Азотирование стали, если сравнивать его с таким популярным методом обработки данного металла, как цементация, отличается рядом весомых преимуществ. Именно поэтому данная технология стала применяться в качестве основного способа улучшения качественных характеристик стали.

При азотировании стальное изделие не подвергается значительному термическому воздействию, при этом твердость его поверхностного слоя значительно увеличивается. Важно, что размеры азотируемых деталей не изменяются. Это позволяет применять такой метод обработки для стальных изделий, которые уже прошли закалку с высоким отпуском и отшлифованы до требуемых геометрических параметров. После выполнения азотирования, или азотации, как часто называют этот процесс, сталь можно сразу подвергать полировке или другим методам финишной обработки.

Азотирование стали заключается в том, что металл подвергают нагреву в среде, характеризующейся высоким содержанием аммиака. В результате такой обработки с поверхностным слоем металла, насыщающимся азотом, происходят следующие изменения.

• За счет того, что твердость поверхностного слоя стали повышается, улучшается износостойкость детали.
• Возрастает усталостная прочность изделия.
• Поверхность изделия становится устойчивой к коррозии. Такая устойчивость сохраняется при контакте стали с водой, влажным воздухом и паровоздушной средой.

Выполнение азотирования позволяет получить более стабильные показатели твердости стали, чем при осуществлении цементации. Так, поверхностный слой изделия, которое было подвергнуто азотированию, сохраняет свою твердость даже при нагреве до температуры 550–600°, в то время как после цементации твердость поверхностного слоя может начать снижаться уже при нагреве изделия свыше 225°. Прочностные характеристики поверхностного слоя стали после азотирования в 1,5–2 раза выше, чем после закалки или цементации.

Как протекает процесс азотирования

Детали из металла помещают в герметично закрытый муфель, который затем устанавливается в печь для азотирования. В печи муфель с деталью нагревают до температуры, которая обычно находится в интервале 500–600°, а затем выдерживают некоторое время при таком температурном режиме.

Чтобы сформировать внутри муфеля рабочую среду, необходимую для протекания азотирования, в него под давлением подается аммиак. Нагреваясь, аммиак начинает разлагаться на составные элементы, данный процесс описывает следующая химическая формула:

2NH 3 → 6H + 2N.

Атомарный азот, выделяющийся в процессе протекания такой реакции, начинает диффузировать в металл, из которого изготовлена обрабатываемая деталь, что приводит к образованию на ее поверхности нитридов, характеризующихся высокой твердостью. Чтобы закрепить результат и не дать поверхности детали окислиться, муфель вместе с изделием и аммиаком, который в ней продолжает оставаться, медленно охлаждают вместе с печью для азотирования.

Нитридный слой, формирующийся на поверхности металла в процессе азотирования, может иметь толщину в интервале 0,3–0,6 мм. Этого вполне достаточно для того, чтобы наделить изделие требуемыми прочностными характеристиками. Обработанную по такой технологии сталь можно не подвергать никаким дополнительным методам обработки.

Процессы, протекающие в поверхностном слое стального изделия при его азотировании, достаточно сложны, но уже хорошо изучены специалистами металлургической отрасли. В результате протекания таких процессов в структуре обрабатываемого металла формируются следующие фазы:

• твердый раствор Fe 3 N, характеризующийся содержанием азота в пределах 8–11,2%;
• твердый раствор Fe 4 N, азота в котором содержится 5,7–6,1%;
• раствор азота, формирующийся в α-железе.

Дополнительная α-фаза в структуре металла формируется тогда, когда температура азотирования начинает превышать 591°. В тот момент, когда степень насыщения данной фазы азотом достигает своего максимума, в структуре металла формируется новая фаза. Эвтектоидный распад в структуре металла происходит тогда, когда степень его насыщения азотом достигает уровня 2,35%.

Клапана высокотехнологичных двигателей внутреннего сгорания обязательно проходят процесс азотирования

Факторы, оказывающие влияние на азотацию

Основными факторами, которые оказывают влияние на азотирование, являются:

• температура, при которой выполняется такая технологическая операция;
• давление газа, подаваемого в муфель;
• продолжительность выдержки детали в печи.

На эффективность протекания такого процесса также оказывает влияние степень диссоциации аммиака, которая, как правило, находится в интервале 15–45%. При повышении температуры азотирования твердость формируемого слоя снижается, но процесс диффузии азота в структуру металла ускоряется. Снижение твердости поверхностного слоя металла при его азотировании происходит из-за коагуляции нитридов легирующих элементов, входящих в его состав.

Для ускорения процесса азотирования и повышения его эффективности применяют двухэтапную схему его выполнения. Первый этап азотирования при использовании такой схемы выполняют при температуре, не превышающей 525°. Это позволяет придать поверхностному слою стального изделия высокую твердость. Для выполнения второго этапа процедуры деталь нагревают до температуры 600–620°, при этом глубина азотированного слоя достигает требуемых значений, а сам процесс ускоряется практически в два раза. Твердость поверхностного слоя стального изделия, обработанного по такой технологии, не ниже, чем аналогичный параметр изделий, прошедших обработку по одноступенчатой методике.

Типы азотируемых сталей

Обработке по технологии азотирования могут подвергаться как углеродистые, так и , характеризующихся содержанием углерода в пределах 0,3–0,5%. Максимального эффекта при использовании такой технологической операции удается добиться в том случае, если ей подвергаются стали, в химический состав которых входят легирующие элементы, формирующие твердые и термостойкие нитриды. К таким элементам, в частности, относятся молибден, алюминий, хром и другие металлы, обладающие подобными характеристиками. Стали, содержащие молибден, не подвержены такому негативному явлению, как отпускная хрупкость, которая возникает при медленном остывании стального изделия. После азотирования стали различных марок приобретают следующую твердость:

Легирующие элементы, находящиеся в химическом составе стали, увеличивают твердость азотированного слоя, но вместе с тем уменьшают его толщину. Наиболее активно на толщину азотируемого слоя оказывают влияние такие химические элементы, как вольфрам, молибден, хром и никель.

В зависимости от сферы применения изделия, которое подвергается процедуре азотирования, а также от условий его эксплуатации для осуществления такой технологической операции рекомендуется использовать определенные марки стали. Так, в соответствии с технологической задачей, которую необходимо решить, специалисты советуют применять для азотирования изделия из следующих марок сталей.

38Х2МЮА

Это сталь, которая после азотирования отличается высокой твердостью наружной поверхности. Алюминий, содержащийся в химическом составе такой стали, снижает деформационную стойкость изделия, но в то же время способствует повышению твердости и износостойкости его наружной поверхности. Исключение алюминия из химического состава стали позволяет создавать из нее изделия более сложной конфигурации.

40Х, 40ХФА

Данные легированные стали используются для изготовления деталей, применяемых в области станкостроения.

30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА

Эти стали служат для производства изделий, подвергающихся в процессе своей эксплуатации частым циклическим нагрузкам на изгиб.

30Х3МФ1

Из данного стального сплава изготавливаются изделия, к точности геометрических параметров которых предъявляются высокие требования. Для придания более высокой твердости деталям из данной стали (это преимущественно детали топливного оборудования) в ее химический состав могут добавлять кремний.

Технологическая схема азотирования

Чтобы выполнить традиционное газовое азотирование, инновационное плазменное азотирование или ионное азотирование, обрабатываемую деталь подвергают ряду технологических операций.

Подготовительная термообработка

Такая обработка заключается в закалке изделия и его высоком отпуске. Закалка в рамках выполнения такой процедуры осуществляется при температуре около 940°, при этом охлаждение обрабатываемого изделия производят в масле или воде. Последующий после выполнения закалки отпуск, проходящий при температуре 600–700°, позволяет наделить обрабатываемый металл твердостью, при которой его можно легко резать.

Механическая обработка

Эта операция заканчивается его шлифовкой, позволяющей довести геометрические параметры детали до требуемых значений.

Защита участков изделия, которые не требуют азотирования

Осуществляется такая защита путем нанесения тонкого слоя (не более 0,015 мм) олова или жидкого стекла. Для этого используется технология электролиза. Пленка из данных материалов, формирующаяся на поверхности изделия, не позволяет азоту проникать в его внутреннюю структуру.

Выполнение самого азотирования

Подготовленное изделие подвергают обработке в газовой среде.

Финишная обработка

Этот этап необходим для того, чтобы довести геометрические и механические характеристики изделия до требуемых значений.

Степень изменения геометрических параметров детали при выполнении азотирования, как уже говорилось выше, очень незначительна, и зависит она от таких факторов, как толщина слоя поверхности, который подвергается насыщению азотом; температурный режим процедуры. Гарантировать практически полное отсутствие деформации обрабатываемого изделия позволяет более усовершенствованная технология – ионное азотирование. При выполнении ионно-плазменного азотирования стальные изделия подвергаются меньшему термическому воздействию, благодаря чему их деформация и сводится к минимуму.

В отличие от инновационного ионно-плазменного азотирования, традиционное может выполняться при температурах, доходящих до 700°. Для этого может применяться сменный муфель или муфель, встроенный в нагревательную печь. Использование сменного муфеля, в который обрабатываемые детали загружаются заранее, перед его установкой в печь, позволяет значительно ускорить процесс азотирования, но не всегда является экономически оправданным вариантом (особенно в тех случаях, когда обработке подвергаются крупногабаритные изделия).

Типы рабочих сред

Для выполнения азотирования могут использоваться различные типы рабочих сред. Наиболее распространенной из них является газовая среда, состоящая на 50% из аммиака и на 50% из пропана или из аммиака и эндогаза, взятых в таких же пропорциях. Процесс азотирования в такой среде выполняется при температуре 570°. При этом изделие подвергается воздействию газовой среды на протяжении 3 часов. Азотированный слой, создаваемый при использовании такой рабочей среды, имеет небольшую толщину, но высокую прочность и износостойкость.

Большое распространение в последнее время получает метод ионно-плазменного азотирования, выполняемого в азотосодержащей разряженной среде.

Ионно-плазменное азотирования – взгляд «изнутри»

Отличительной особенностью ионно-плазменного азотирования, которое также называют обработкой при тлеющем разряде, является то, что обрабатываемую деталь и муфель подключают к источнику электрического тока, при этом изделие выступает в качестве отрицательно заряженного электрода, а муфель – в роли положительно заряженного. В результате между деталью и муфелем формируется поток ионов – своего рода плазма, состоящая из N 2 или NH 3 , за счет которой происходят и нагрев обрабатываемой поверхности, и ее насыщение необходимым количеством азота.

Кроме традиционного и ионно-плазменного азотирования процесс насыщения поверхности стали азотом может выполняться в жидкой среде. В качестве рабочей среды, которая имеет температуру нагрева порядка 570°, в таких случаях используется расплав цианистых солей. Время азотирования, выполняемого в жидкой рабочей среде, может составлять от 30 до 180 минут.

Азот обычно вводится в сталь в виде азотированных ферросплавов (феррохрома, ферромарганца), содержащих от 1,5 до 7,0% азота.
Максимальное усвоение азота - около 0,3%. Попытки получить сталь с более высоким содержанием азота приводили к поражению отливок газовыми раковинами. В исследованиях авторов азот вводился в виде азотистого марганца. Химический состав опытных плавок и количество газов в металле приведено в табл. 1.

Степень усвоения металлом азота при небольшом его содержании составляла около 70% от введенного. С увеличением количества вводимого азота степень усвоения его снижается до 55% (пл. М3) и ниже.
Легирование азотом дает небольшое повышение предела текучести стали и уменьшение значений относительного удлинения и сужения (табл. 2).

Характер микроструктуры стали при повышенном количестве азота почти не изменился.
Ударная вязкость, определенная на стандартных образцах с надрезом, при всех температурах испытания ниже, чем для образцов с нормальным количеством азота (рис. 1).
Износостойкость стали при повышении содержания азота увеличивается примерно на 10-15%. Потеря металла за цикл испытания (70 тыс. оборотов при трении качения с 10%-ным проскальзыванием, P = 70 кг) составляет для образцов плавки P1 - 1,04г; плавки M1 - 0,81 г и плавки.

При введении в сталь некоторых элементов, например ванадия, хрома и др., растворимость азота в железе увеличивается в большей степени, чем при введении марганца.
Благодаря этому при введении в сталь, кроме азотистого марганца, азотистого хрома, содержащего 9,0% азота, удалось удержать в металле 57 см3/100 г азота. Степень «усвоения» азота сталью при этом 36%. Поверхность литых образцов была не гладкой, хотя весь объем металла газовых раковин еще не имел.
Химический состав этой группы образцов приводится в табл. 3.
Одновременное присутствие в марганцовистой стали хрома и азота благоприятно отражается на механических свойствах (табл. 4) и микроструктуре. Размер аустенитного зерна уменьшается до № 4-6.
Как следует из табл. 4, азот и хром в марганцовистой стали весьма значительно повышают предел текучести и временное сопротивление, не снижая при этом пластичности стали.

Ударная вязкость при всех температурах испытания находится на том же уровне, как для образцов, легированных одним азотом (рис. 2).
Износостойкость стали при совместном легировании ее азотом и хромом повысилась примерно на 15% по сравнению с обычной марганцовистой сталью, испытанной в тех же условиях, т. е. оказалась не выше, чем при легировании стали одним азотом.

На основании результатов лабораторных исследований на одном из заводов были проведены две плавки и отлиты опытные сердечники из марганцовистой стали с присадками азота и, хрома. Химический состав сердечников приведен в табл. 5.
Предварительно металл плавки № 1 раскислялся в печи до содержания закиси марганца и закиси железа 8,1 и 2,0% соответственно. Азот в количестве 0,043% вводился в сталь в виде азотистого марганца после осаждающего раскисления металла в ковше алюминием.
Содержание азота в готовом сердечнике, определенное методом вакуум-плавления, было равно 0,033%. Следовательно, усвоение азота составило примерно 70%. Фактическое содержание азота в стали, вероятно, было более высоким, так как анализ, проведенный обычными методами, всегда дает в какой-то степени заниженные результаты из-за летучести марганца и способности его вступать в химические соединения с выделяющимися из образца газами.

Металл плавки № 2 в печи перед выпуском был легирован кроме марганца феррохромом. После раскисления в ковше алюминием в сталь был присажен азотистый марганец, содержащий 6,0% азота. От каждой опытной плавки отлито по четыре сердечника типа Р50 марки 1/11 и собраны крестовины, которые были пущены в эксплуатацию на различные железные дороги.
На Западно-Сибирской железной дороге за сердечниками было установлено систематическое наблюдение, и данные контрольных обмеров ежегодно-поступают в ЦНИИ. Там же одновременно велось наблюдение за контрольной крестовиной с сердечником из высокомарганцовистой стали массового выпуска, условия эксплуатации которой были аналогичны условиям опытных крестовин.
Многочисленные эксплуатационные наблюдения показали, что наиболее интенсивно изнашивается сердечник из высокомарганцовистой стали в сечении с шириной 20 мм.
Исследования показали, что характер износа у опытных крестовин не изменился по сравнению с крестовинами стандартного производства (наиболee интенсивный износ наблюдался также в первый период эксплуатации), но скорость износа оказалась меньшей и продолжительность службы сердечников увеличилась.
Контрольная крестовина массового производства вышла из эксплуатации после пропуска по ней 152,9 млн. m подвижной нагрузки. Эта износостойкость является несколько выше средней. Две опытные крестовины сняты с пути после пропуска по ним 134,2 и 216,8 млн. т груза. Первая снята не по износу, а по трещине усовика. Остальные две крестовины, одна из которых пропустила более 200 млн. т груза, находятся в эксплуатации, наблюдения за ними продолжаются.
Результаты работ показали, что опытные сердечники из марганцовистой аустенитной стали, содержащей повышенное количество азота, могут пропустить большее количество подвижной нагрузки до предельно допустимого износа по сравнению с сердечниками из стали Г13Л стандартного состава.

25.11.2019

Каждому современному человеку рано или поздно приходится решать, куда поставить компьютерный стол. Оцениваем свободное место в квартире и вперед – подбирать модель,...

25.11.2019

Вопрос, где в квартире расположить ковры, не менее важен, чем умение правильно выбрать ковер. Как это сделать расскажет данная статья....

25.11.2019

В каждой отрасли, где происходит производство жидкой или вязкой продукции: в фармацевтическом деле, в косметической отрасли, в пищевом и химическом секторах – везде...

25.11.2019

На сегодняшний день обогрев зеркал является новой опцией, позволяющей сохранить чистую поверхность зеркала от горячего пара после приёма водных процедур. Благодаря...

25.11.2019

Штрих код является графическим символом, изображающим чередование полосок чёрного и белого цвета либо других геометрических фигур. Его наносят в составе маркировки...

25.11.2019

О том, как грамотно выбирать топку для камина, задумываются многие хозяева загородных жилых имений, которые хотят создать в своём доме максимально уютную обстановку,...

25.11.2019

И в любительском, и в профессиональном строительстве весьма востребованными являются профильные трубы. С их помощью сооружают способные выдерживать большие нагрузки...

24.11.2019

Спецобувь - часть экипировки рабочего, предназначенная для защиты ног от холода, высоких температур, химикатов, механических повреждений, электричества и т. д....