Машиностроение. Металлургия

Всовременном машиностроении задача комплексного улучшения эксплуатационных свойств металлических материалов в значительной степени связана с разработкой новых технологических процессов поверхностного упрочнения изготовленных из них изделий. Эта задача решается на основе комплексного подхода, объединяющего принципы формирования химического состава материала и затем структуры путем разработки технологических процессов его упрочняющей обработки.

Одним их таких процессов является разработанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана профессором Д.А. Прокошкиным технология жидкостной карбонитрации. Карбонитрацию используют для повышения износостойкости, сопротивления усталости и в сочетании с оксидированием – для увеличения коррозионной стойкости. Во многих случаях технология карбонитрации является альтернативой таких процессов, как поверхностная закалка, гальваническое хромирование, цементация, нитроцементация и др.

В работе исследовались структура и свойства серого и высокопрочного чугуна после карбонитрации, при которой происходит одновременное насыщение поверхности изделий азотом и углеродом из неядовитых расплавов циановокислых солей.

Сущность метода заключается в том, что инструмент и детали машин подвергают нагреву в расплавах циановокислых солей при температурах 540-580 °С с выдержкой инструмента от 5 до 40 мин, деталей машин от 1 до 3 часов.

В жидком состоянии компоненты взаимно растворяются, эвтектика состава 8 вес. % K₂CO₃ и 92 вес. % KCNO кристаллизуется при температуре 308 °С. Из диаграммы следует, что для карбонитрации при температурах 540-580 °С могут применяться расплавы, содержащие от 0 до 30 % K₂CO₃ и от 100 до 70 % KCNO.

По данным Д.А. Прокошкина, наиболее целесообразно использовать ванну состава 75-80 % цианата калия и 15-20 % карбоната калия (поташа). При большем содержании поташа он выпадает в виде твердой фазы, расплав загустевает и становится непригодным для использования [2].

Рисунок 1 – Диаграмма состояния системы

KCNO-K₂CO₃
Процесс карбонитрации получил широкое распространение для упрочнения металлорежущего инструмента из быстрорежущих сталей. Структура и свойства чугуна после карбонитрации в настоящее время еще недостаточно изучены, а характер взаимодействия при химико-термической обработке во многом зависит от материала изделия.

Объектом исследований явились образцы из серого СЧ25 и высокопрочного ВЧ60 чугуна после карбонитрации. Типичный вид микроструктуры чугуна после карбонитрации представлен на рисунке 2.

На поверхности располагается темная зона, за которой следует нетравящийся светлый слой, отделенный видимой границей от матрицы. Включения графита, пронизывая весь слой, выходят на поверхность.

На рентгенограммах, снятых с поверхности образцов после карбонитрации, наблюдали изменение периодов решетки чисто нитридной ε-фазы Fe₃(N), связанное, вероятно, с частичным растворением углерода, что позволило идентифицировать ее как карбонитридную фазу Fe₃(N,C).

Расшифровка рентгенограмм показала, что с увеличением температуры карбонитрации и времени выдержки в расплаве качественный состав поверхностного слоя не меняется, однако глубина слоя и количественное соотношение фаз зависят как от температуры, так и от продолжительности процесса карбонитрации. Фазовый анализ проводили на дифрактометре «ДРОН-2,0» на FeК_α. Для выявления последовательности расположения фаз съемку рентгенограмм проводили после снятия шлифованием поверхностных слоев глубиной 4·10-⁶ м (4 мкм) до исходной структуры чугуна.

Визуальная оценка линий по интенсивности показала, что очень сильные линии на рентгенограммах, снятых с поверхности, принадлежат оксидам Fe₃O₄ (решетка типа шпинели а = 8,5 Å), которые после удаления слоя 4·10^-6м полностью исчезают на всех исследованных марках чугуна. Сильные линии, принадлежащие нитриду Fe₄N (γ΄-фаза, ГЦК-решетка, а = 3,79 Å и карбонитриду FeN,C (ε-фаза), исчезают только после снятия слоя глубиной 12·10^-6 м на сером чугуне и слоя глубиной 16·10^-6 м на чугуне марки ВЧ60. Однако последовательность расположения γ΄- и ε-фаз в карбонитридном слое рентгеноструктурным методом не удалось установить. По-видимому, карбонитридный слой состоит из дисперсной смеси карбонитридов Fe₃(N,C) и нитридов Fe₄N.

В процессе карбонитрации происходит насыщение азотом, углеродом, а также кислородом чугуна – многокомпонентного сплава на основе железа с содержанием кремния, марганца, хрома, титана, углерода в химически связанном и свободном состоянии – в виде графита. Взаимодействие между элементами, входящими в состав чугуна, и насыщающими компонентами при карбонитрации имеет сложный характер, зависящий от термодинамической активности элементов. Изучение распределения элементов в поверхностном слое чугуна после карбонитрации проводили на электронном микроскопе VEGA//TESCAN.

жүктеу 4,4 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: