Влияние азота на свойства стали

Статьи

Азот является одним из наиболее распространенных элементов: его содержание в нижних слоях атмосферы составляет 78,11% а в земной коре – 0,04%. В нормальных условиях (Т=20 °С и P =1атм) азот представляет собой 2-х атомный газ. Атомный номер – 7, атомный вес – 14,008, плотность молекулярного азота – 1,649 × 10 -3 г/см 3 . Температура плавления – 209,9 °С, а температура кипения – 195,7 °С.

Исследования взаимодействия азота со сталью проводились в течении всего 20 века. Они были начаты Н.П.Чижевским и И.И.Жуковым [7]. Однако только после 40-х годов стали рассматривать возможность использования азота как легирующего элемента. Вопросам влияния азота на свойства сталей, его растворимости и поведения в металле уделялось много внимания, как в нашей стране, так и за рубежом [2…4, 8, 9]. В настоящее время в промышленности используется более 200марок сталей, легированных азотом.

Стали, легированные азотом, принято подразделять на две категории:

-стали с содержанием азота ниже равновесного;

-стали с содержанием азота выше равновесного (“сверхравновесные”).

Первые получают в условиях выплавки и кристаллизации при атмосферном давлении азота. Вторые – при повышенном давлении азота, позволяющем сохранить большее его содержание в металле, чем при открытой выплавке.

В последние годы в качестве перспективных сталей с различным уровнем легирования азота для разнообразных сфер применения были отмечены [ 10 ] :

– дисперсионно-твердеющие стали, легированные ванадием, ниобием и титаном;

– высокопрочные коррозионно-стойкие, аустенитные стали;

– стали со структурой азотистого феррита и мартенсита.

Легирование азотом дисперсионно-твердеющих сталей приводит к образованию мелкодисперсных нитридов по границам зерен, препятствующих их росту, позволяет повысить предел текучести и ударную вязкость металла [ 8 ] .

Легирование азотом нержавеющих сталей, позволяет уменьшить в них содержание никеля и марганца в полтора – два раза, а в некоторых случаях вообще исключить эти элементы. Нержавеющие стали, легированные азотом, превосходят по прочности, вязкости и коррозионной стойкости традиционные нержавеющие стали.

Легированные азотом безникелевые стали, применяемые в медицине для изготовления хирургического инструмента и имплантатов [11-12] обладают повышенной прочностью, износостойкостью и не вызывают негативных явлений и аллергических реакций в человеческом организме.

Нержавеющие мартенситные и ферритные стали, легированные азотом, при соответствующей термической и термопластической обработке обладают повышенной прочностью, коррозионной стойкостью и улучшенной технологической пластичностью при высоких и низких температурах.

Подробное аналитическое обобщение данных о структуре и свойствах нержавеющих сталей, легированных азотом; растворимости азота в них; термодинамике этих растворов, в том числе, в зависимости от концентрации примесей и легирующих элементов; от температур и давлений реакций, протекающих в жидком металле; параметров диффузии и других факторов, связанных с особенностями выплавки, по состоянию на 60-е годы было сделано М.В. Приданцевым, Н.П. Таловым и Ф.Л. Левиным [13].

На основе анализа многочисленных публикаций [14-17] было показано, что азот:

– образует твердые растворы внедрения в аустените и феррите;

– увеличивает количество аустенита и стабилизирует аустенит по отношению к γ → α и γ→ε превращениям при охлаждении и пластической деформации;

– изменяет предельную растворимость легирующих элементов в γ и α – твердых растворах и влияет на распределение хрома, никеля и других легирующих элементов между аустенитом и ферритом;

– изменяет кинетику образования карбидных и других избыточных фаз при термической обработке;

– снижает энергию дефектов упаковки и, в связи с этим увеличивает деформационную способность аустенита.

Введение азота в сплавы позволяет:

– уменьшить в сплавах содержание никеля, марганца и других аустенитообразующих элементов при сохранении заданной аустенитной или иной структуры и, соответственно, уровня ферромагнитности сплава;

– увеличить содержание в сплавах элементов ферритообразователей, положительно влияющих на механические и коррозионные характеристики сплавов;

– улучшить характеристики технологической пластичности в результате расширения интервала существования аустенита в высокотемпературной области;

– повысить термическую стабильность аустенита и снизить вероятность его распада при нагреве с образованием нитридов и других фаз;

– увеличить коррозионную стойкость (сопротивление питтинговой и ножевой коррозии, коррозионному растрескиванию под напряжением, интеркристаллитной коррозии);

– повысить прочность сплавов путем использования деформационного упрочнения при наклепе [ 1 ] .

Растворимость азота в железе подчиняется закону Сивертса (закону квадратного корня):

где [ N ] – растворимость азота в железе при данном парциальном давлении PN 2 ;

KN константа реакции, численное значение которой зависит от температуры и способов выражения концентрации.

Выполняемость закона Сивертса указывает на идеальность образующегося раствора [18].

Авторам работы [19] для определения растворимости азота в жидком железе до температуры 2650°С предлагается уравнение:

lg [ N ] = (-850/ T ) – 0,905 +0,5 lg PN 2 (1.2)

Из которого следует, что при Т = 1873 °К и PN 2 = 1 атм [ N ] = 0,044%.

Анализ результатов многих исследований, выполненных различными авторами [18-25] методом отбора проб, показал хорошую согласованность данных, уровень отклонения которых от расчетной величины составляет 0,002%.

На рис.1.1 представлена температурная зависимость растворимости азота в жидком железе. Диаграмма состояния системы железо-азот приведена на рис. 1.2 .

Читайте также:
Вертел для мангала с электроприводом своими руками

Рис. 1. 1. Температурная зависимость растворимости азота в жидком железе

Рис.1.2. Диаграмма состояния Fe – N [26]

Концентрация азота, находящегося в равновесии с газообразным азотом растет с увеличением температуры. В точке перехода α→γ (906 °С) скачкообразно изменяется, при дальнейшем росте температуры до перехода γ→ δ (1402 °С) она уменьшается.

Азот может образовывать с железом два соединения Fe 4 N (9,9% N ) и Fe 2 N (11,5% N ). Fe 2 N начинает разлагается при температуре

550 °С. При дальнейшем повышении температуры начинает диссоциировать и Fe 4 N .

Энтальпия растворения азота в жидком железе Δ HN представляет собой разность двух противоположных по знаку величин: энтальпии диссоциации молекулярного азота на атомы (Δ H дис) и энтальпии растворения атомарного азота в жидком железе (Δ HP ). Первый процесс является эндотермическим, а второй – экзотермическим. Так как Δ H дис > Δ HP , то процесс, описанный уравнением (1), протекает с поглощением тепла. Если данные по растворимости азота показывают хорошую согласованность у различных исследователей, то данные по энтальпии имеют значительный разброс.

Результаты статистической обработки большого массива экспериментальных данных позволили авторам работы [27] описать растворимость азота в жидком железе двумя уравнениями:

при Т K : lg [ N ] = -560/ T – 1,06 (1.3)

при Т > 1973 K : lg [ N ] = -1100/ T – 0,79 (1.4)

Таким образом, энтальпия растворения азота в жидком железе до 1973 ° K – 10700 Дж/моль, а выше 1973 ° K – 21000 Дж/моль.

А.М. Самарин, первым обративший на это внимание, связывал изменение Δ H при изменении температуры со структурными превращениями. Известно, что при растворении кислорода оксидная фаза проявляется при очень низком парциальном давлении кислорода в газовой фазе ( PO 2= 10 -8 атм). В отличие от этого, при растворении азота даже при PN 2 > 1атм самостоятельная нитридная фаза не образуется. Образование нитридов типа Fe 2 N и Fe 4 N наблюдали лишь в твердом металле в температурном интервале существования аустенита.

Влияние парциального давления над расплавом железа на его растворимость в зависимости от времени выдержки при T = 1560 ° C представлено на рис. 1.3.

Данные по кинетике азотирования свидетельствуют о том, что для выхода на стационарную концентрацию в чистом железе требуется около 40 мин., причем время практически не зависит от давления азота над расплавом.

Рис. 1.3. Изменение растворимости азота в железе в зависимости от его давления и времени выдержки при температуре 1560 °С [28].

Рис.1.4. Зависимость растворимости азота в жидком железе при температуре 1560 °С от парциального давления азота над расплавом

Присутствие примесей влияет на скорость растворения азота в металле. Так, при увеличении концентрации кислорода в металле от 0,067 до 0,144% время достижения равновесной концентрации увеличивается с 1,5 до 3,0 часов. Отмечено и аналогичное влияние серы: при ее концентрациях 0,49 и 0,87% и давлении азота 0,1МПа время достижения равновесной концентрации возрастает до 3,0 и 6,0 часов соответственно.

В работе [14] представлены данные, характеризующие изменение растворимости азота в жидком железе при температуре 1560 °С в зависимости от давления (до 4 атм.).

Список использованой литературы

Влияние азота на механические свойства и технологическую пластичность аустенитной стали Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Мазничевский Александр Николаевич, Гойхенберг Юрий Нафтулович, Сприкут Радий Вадимович, Савушкина Евгения Сергеевна

Изучено влияние азота (до 0,30 мас. %) на макроструктуру , механические свойства и технологическую пластичность хромоникельмарганцевой стали в сравнении с низкоуглеродистой аустенитной хромоникелевой сталью 03Х18Н11 . Изучение макроструктуры слитков опытных сталей в продольном и поперечном направлении показало изменение механизма кристаллизации металла. Добавка азота приводит к уменьшению ширины столбчатых и увеличению зоны равноосных кристаллов, а также вызывает измельчение зерна и уменьшение усадочной рыхлости при одинаковых условиях кристаллизации и охлаждения слитка. Показано, что увеличение концентрации азота в стали приводит к существенному возрастанию прочностных свойств (на 30-60 %) стали при практически неизменной пластичности металла в условиях испытаний при комнатной температуре. С увеличением температуры испытаний происходит постепенное выравнивание прочностных свойств азотистой стали и 03Х18Н11 . Наряду с этим обнаружено существенное уменьшение технологической пластичности (

в 1,5-2,0 раза) азотистой стали при температурах горячей деформации аустенитных сталей . Данное обстоятельство свидетельствует о необходимости изучения вопроса о микролегировании опытной стали бором или редкоземельными металлами для исключения больших потерь на зачистку по поверхностным дефектами в случае промышленного освоения азотистой хромоникельмарганцевой аустенитной стали . Дополнительно оценивали хладоломкость стали с азотом при отрицательных температурах вплоть до -196 °C. Установлено, что до проведения испытаний содержание альфа-фазы в металле составляло менее 1,0 %, а при исследовании разрушенных ударных образцов после испытаний на хладноломкость на поверхности излома обнаружена магнитная фаза в количестве 1,4 % при температуре испытания -100 °С и 2,2 % при температуре испытания -196 °С, что свидетельствует о деформационной природе их возникновения и объясняет снижение ударной вязкости стали с уменьшением температуры испытаний.

Читайте также:
Влияние ванадия на свойства стали

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Мазничевский Александр Николаевич, Гойхенберг Юрий Нафтулович, Сприкут Радий Вадимович, Савушкина Евгения Сергеевна

INFLUENCE OF NITROGEN ON MECHANICAL PROPERTIES AND TECHNOLOGICAL PLASTICITY OF AUSTENITIC STEEL

The effect of nitrogen (up to 0.30 wt. %) on the macrostructure , mechanical properties and technological plasticity of chromium-nickel-manganese steel in comparison with low carbon austenitic nickel-chromium steel 03CH18N11 (AISI 304L ) was studied. The study of these steels ingots macrostructure in the longitudinal and transverse direction showed a change in the metal crystallization mechanism. The addition of nitrogen leads to a decrease in the width of the columnar crystals and increase the zone of equiaxed crystals. Also nitrogen causes the grain grinding and reduce shrinkage under the same conditions of crystallization and cooling of the ingot. Increase the concentration of nitrogen in steel leads to a significant steel strength properties (by 30-60 %) increase with practically unchanged ductility of the metal under the test conditions at room temperature. With an increase in the test temperature the strength properties a gradual alignment of nitrogen steel and AISI 304L occurs. Along with this, a significant decrease in technological plasticity (

1.5-2.0 times) of nitrogen steel was found at hot deformation temperatures of austenitic steels. This circumstance indicates the need to study the issue of microalloying with boron or rare earth metals in order to exclude large losses for stripping due to surface defects in the case of commerical development of nitrogenous chromium-nickel-manganese austenitic steel . Additionally, the cold shortness of steel with nitrogen was evaluated at negative temperatures down to -196 °C. It was established that prior to testing, the alpha-phase content in the metal was less than 1.0 %, and when examining destroyed impact specimens after testing for cold shortness , a magnetic phase was detected in the amount of 1.4% at a test temperature of -100 °C and 2,2% at the test temperature of -196 °C. These indicates that deformation nature of their occurrence and explains the decrease in the toughness of the steel with a decrease in the test temperature.

Текст научной работы на тему «Влияние азота на механические свойства и технологическую пластичность аустенитной стали»

УДК 669.018.8 + 669.15-194.56 + 669.14:539.3 DOI: 10.14529/теМ90203

ВЛИЯНИЕ АЗОТА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ ПЛАСТИЧНОСТЬ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ

А.Н. Мазничевский1’2, Ю.Н. Гойхенберг2, Р.В. Сприкут1, Е.С. Савушкина1’2

10ОО «Ласмет», г. Челябинск, Россия,

2 Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, Россия

Изучено влияние азота (до 0,30 мас. %) на макроструктуру, механические свойства и технологическую пластичность хромоникельмарганцевой стали в сравнении с низкоуглеродистой аустенитной хромоникелевой сталью 03Х18Н11. Изучение макроструктуры слитков опытных сталей в продольном и поперечном направлении показало изменение механизма кристаллизации металла. Добавка азота приводит к уменьшению ширины столбчатых и увеличению зоны равноосных кристаллов, а также вызывает измельчение зерна и уменьшение усадочной рыхлости при одинаковых условиях кристаллизации и охлаждения слитка. Показано, что увеличение концентрации азота в стали приводит к существенному возрастанию прочностных свойств (на 30-60 %) стали при практически неизменной пластичности металла в условиях испытаний при комнатной температуре. С увеличением температуры испытаний происходит постепенное выравнивание прочностных свойств азотистой стали и 03Х18Н11. Наряду с этим обнаружено существенное уменьшение технологической пластичности (

в 1,5-2,0 раза) азотистой стали при температурах горячей деформации аустенитных сталей. Данное обстоятельство свидетельствует о необходимости изучения вопроса о микролегировании опытной стали бором или редкоземельными металлами для исключения больших потерь на зачистку по поверхностным дефектами в случае промышленного освоения азотистой хро-моникельмарганцевой аустенитной стали. Дополнительно оценивали хладоломкость стали с азотом при отрицательных температурах вплоть до -196 °С. Установлено, что до проведения испытаний содержание альфа-фазы в металле составляло менее 1,0 %, а при исследовании разрушенных ударных образцов после испытаний на хладноломкость на поверхности излома обнаружена магнитная фаза в количестве 1,4 % при температуре испытания -100 °С и 2,2 % при температуре испытания -196 °С, что свидетельствует о деформационной природе их возникновения и объясняет снижение ударной вязкости стали с уменьшением температуры испытаний.

Ключевые слова: азот, аустенитная сталь, 03Х18Н11, макроструктура, механические свойства, технологическая пластичность, хладноломкость.

Важное значение в решении проблемы повышения коррозионной стойкости стали имеет тенденция к снижению концентрации углерода и отказ от применения стабилизирующих добавок, в частности титана. Однако снижение содержания углерода в сталях аусте-нитного класса приводит к значительному снижению уровня их прочностных свойств. В связи с этим представляется целесообразным легировать подобные стали одним азотом или в сочетании с такими элементами, как, например, ванадий, ниобий, молибден или их комбинации [1-6].

В настоящее время перспективным направлением в разработке новых высокопрочных коррозионностойких сталей (в том числе и мартенситного класса) для нагруженных деталей или изделий химической промыш-

Читайте также:
Бесконтактный пускатель своими руками

ленности является частичная или полная замена углерода азотом [7-10].

Азотсодержащие аустенитные стали можно разделить на три основные группы:

1. Стали с контролируемым содержанием азота. Концентрация азота в таких сталях варьируется от 0,04 до 0,12 мас. %. К этой категории относятся хромоникелевые аустенит-ные стали. Такие стали нашли применение в атомной промышленности, где от них требуются повышенные механические свойства и коррозионная стойкость, но при этом концентрация азота не должна превышать определенного предела из-за опасности возникновения радиационно-индуцированного охрупчи-вания.

2. Азотистые стали. Концентрация азота в таких сталях варьируется от 0,12 до 0,40 мас. %. К этой категории относятся

хромоникельмарганцевые и хромомарганце-вые аустенитные стали. Примерами сталей этой категории могут служить стали 304^ 03Х17Н9АМ3 ЭК177, ЭИ878 (АШ

3. Высокоазотистые стали. Концентрация азота в таких сталях превышает предел растворимости в данной системе легирования и, как правило, для аустенитных сталей составляет свыше 0,40 мас. %. Стали этой группы характеризуются высокой прочностью, коррозионной стойкостью, часто имеют минимальное содержание никеля (т. е. имеют хро-момарганцевую систему легирования), но требуют специального оборудования и сложной технологии изготовления. Они нашли применение в особо ответственных высоконагружен-ных изделиях, например, бандажных кольцах турбогенераторных установок или в арктическом судостроении. Примерами высокоазотистых сталей являются стали: 12Х18АГ19 (Р900), 04Х20Н6Г11М2АФБ и 654SMO.

Для получения сталей со сверхравновесным содержанием азота применяют плазмен-но-дуговой переплав под давлением (ПДПД), электрошлаковый переплав под давлением (ЭШПД) или плавку под давлением в индукционной печи. Необходимо отметить, что производство высокоазотистых сталей требует использования специального оборудования [11-14], за счет чего увеличивается их себестоимость.

Таким образом, для получения максимальной растворимости азота при атмосферном давлении (т. е. без использования специального оборудования) предпочтительно использовать хромомарганцевую систему легирования с высокими концентрациями хрома и марганца (что пропорционально количеству усеваемого азота металлом). Однако важно отметить, что, несмотря на то, что в системе легирования Fe-Cr-Mn можно получить максимальную растворимость азота в условиях открытой выплавки, из-за высокой токсичности марганца (марганец относится ко 2-му классу опасности по ГОСТ 12.1.005-76) и взрывоопасности дисперсной марганецсодер-жащей пыли необходимо обеспечить печное оборудование сложными системами пылеулавливания и очистки воздуха.

Вследствие этого большое количество отечественных металлургических заводов отказываются от производства высокомарганцовистых сталей. Это обстоятельство является

дополнительной предпосылкой к дальнейшим исследованиям аустенитных сталей системы легирования Fe-Cr-Ni.

Цель настоящей работы заключалась в подборе оптимального химического состава азотистой стали в системе легирования Fe-Cr-Ni-Mn, а также оценки возможности получения в условиях открытой выплавки плотного слитка и в исследовании механических и технологических свойств азотистой стали в сравнении с классическими хромони-келевыми аустенитными сталями.

Материал и методика исследования

Для решения поставленной задачи в индукционной печи были проведены фракционные плавки 03Х18Н11 с переменным содержанием в них азота. При введении даже относительно небольших добавок азота (свыше 0,15 мас. %) при содержании марганца в пределах 0,5-0,8 % и концентрациях хрома и никеля, соответственно 17,5 и 11,5 %, слитки оказались пораженными пузырями, возникающими при кристаллизации металла из-за снижения растворимости азота в металле с понижением температуры. При этом усвоение азота металлом, как правило, уменьшалось с увеличением присадки азотированного феррохрома и повышением содержания никеля. Был сделан вывод, что повысить растворимость азота в имеющихся условиях можно либо за счёт дальнейшего повышения содержания хрома или марганца, либо каждого из этих элементов. Опытную сталь выплавляли в открытой индукционной печи без применения специального оборудования для создания повышенного давления азота над расплавом или слитком при его последующей кристаллизации после разливки.

Химический состав металла лабораторных плавок приведен в табл. 1, а характерный вид макроструктуры слитков – на рис. 1.

Выплавленные слитки были подвергнуты поверхностной зачистке и затем деформированы методом свободной ковки и прокатки до заготовок требуемого сечения по режимам, использующимся для деформации нержавеющих аустенитных марок стали с охлаждением металла на воздухе.

Исследование макроструктуры исследуемых сталей проводили в литом состоянии. Отбор проб (темплетов) проводили из подприбыльной части слитка, а также один слиток разрезали в продольном направлении.

Химический состав исследуемых сталей

Марка Химический состав, мас. %

C Si Mn S P Cr Ni N2 Ti

03Х18Н11 0,024 0,65 0,95 0,007 0,012 18,34 11,07 0,05 0,002

04Х18Ш1Г1А0,16 0,037 0,56 1,35 0,008 0,013 18,30 11,11 0,16 0,002

05Х19Н9Г3А0,21 0,052 0,47 2,95 0,008 0,010 19,62 9,65 0,21 0,003

03Х20Н9Г3А0,27 0,025 20,30 0,27

06Х19Н9Г3А0,23 0,060 0,41 3,02 0,014 0,008 19,63 9,60 0,23 0,003

03Х20Н9Г3А0,30 0,025 0,30 20,26 0,30

Рис. 1. Макроструктура литого металла: а – поперечный темплет стали 03Х18Н11 (0,05 % б – продольный темплет стали 03Х18Н11 (0,05 % в – поперечный темплет стали 03Х20Н9Г3А0,30 (0,30 % г – продольный

темплет стали 03Х20Н9Г3А0,30 (0,30 % N

Пробоподготовку темплетов проводили по ГОСТ 10243-75, а затем травили в реактиве: 2 л соляной кислоты (по ГОСТ 3118-77) + 0,5 л азотной кислоты (по ГОСТ 4461-77).

Читайте также:
Болгарка из дрели своими руками

Испытания на одноосное растяжение проводили на универсальных машинах для статических испытаний марок ИР 5082 и ГNSTRON при температуре 20 °С на образцах тип ГГГ № 7 согласно ГОСТ 1497-84, а при повышенных температурах – на образцах тип ГГ № 1 по ГОСТ 9651-84.

Испытания на ударный изгиб проводили при комнатной, повышенных (до 1280 °С) и пониженных температурах (до -100 °С) согласно ГОСТ 9454-78, а при температурах от -100 до -196 °С – по ГОСТ 22848-77.

Пластометрические испытания проводили на пластометре с отделяемым кулачком конструкции НИИМ (г. Челябинск) при различных скоростях деформации от 1 до 30 с-1 в широком интервале температур от 800 до 1300 °С. Максимальное усилие деформации -6 т, максимальный рабочий ход

45 мм. Нагрев образцов перед испытаниями и само испытание проводится в селитовой печи с карборундовыми нагревателями.

Результаты исследования и их обсуждение

Как видно из сопоставления рис. 1а, б и рис. 1в, г, добавка азота приводит к уменьшению ширины столбчатых и увеличению зоны равноосных кристаллов, а также вызывает измельчение зерна и уменьшение усадочной рыхлости при одинаковых условиях кристаллизации и охлаждения слитка.

Анализ механических свойств стали при комнатной температуре показал, что легирование азотом привело к существенному возрастанию уровня прочностных свойств при достаточно высоких значениях пластических свойств (табл. 2).

Так, например, значения предела текучести во всех образцах у сталей с содержанием азота свыше 0,20 мас. % не опускались ниже 350 МПа, доходя в отдельных фракциях до 410 МПа (03Х20Н9Г3А0,27), что примерно на 50-70 % выше по сравнению со сталью 03Х18Н11 без азота и на 10-25 % выше аналогичных азотсодержащих сталей: 03Х17АН9 (ЭК177), 10Х14АГ15 (ДИ13), 03Х17Н9АМ3 (АМ 12Х17Г9АН4 (ЭИ878).

Оценку стойкости стали к хладноломкости проводили путем построения сериальных

Марка Механические свойства при +20 °C

МПа А МПа А % А % А

Ва зиант А: т/о: закалка 1050 °С, 30 мин, вода

03Х18Н11 560 – 270 – 59,0 – 75,0 –

04Х18НППА0Д6 674 +20,4 % 324 +20,0 % 46,5 -12,5 % 76,0 +1,0 %

03Х18НППА0Д6 651 +16,3 % 303 +12,2 % 50,6 -8,4 % 73,4 -1,6 %

05Х19Н9Г3А0,21 726 +29,6 % 386 +43,0 % 46,8 -12,2 % 76,0 +1,0 %

03Х20Н9Г3А0,27 756 +35,0 % 392 +45,2 % 45,0 -14,0 % 74,1 -0,9 %

06Х19Н9Г3А0,23 746 +33,2 % 351 +30,0 % 54,6 -4,4 % 74,5 -0,5 %

03Х20Н9Г3А0,30 777 +38,8 % 412 +52,6 % 47,1 -11,9 % 72,5 -2,5 %

Ва риант Б: т/о: закалка 1100 °С, 30 мин, вода

03Х18Н11 545 – 245 – 60,5 – 75,0 –

04Х18НППА0Д6 635 +16,5 % 298 +21,6 % 51,6 -8,9 % 75,5 +0,5 %

03Х18НППА0Д6 639 +17,3 % 316 +29,0 % 52,5 -8,0 % 75,7 +0,7 %

05Х19Н9Г3А0,21 725 +33,0 % 375 +53,1 % 48,0 -12,5 % 74,3 -0,7 %

03Х20Н9Г3А0,27 753 +38,2 % 410 +67,4 % 46,6 -13,9 % 72,8 -2,2 %

06Х19Н9Г3А0,23 721 +32,3 % 363 +48,2 % 57,1 -3,4 % 73,2 -1,8 %

03Х20Н9Г3А0,30 744 +36,5 % 382 +55,9 % 50,1 -10,4 % 74,6 -0,4 %

Примечание. А – означает прирост/убыль характеристики по сравнению с 03Х18Н11.

кривых в интервале от -196 °С до +20 °С. Результаты испытаний показаны на рис. 2.

Важно отметить, что при исследовании разрушенных ударных образцов на наличие альфа-фазы после испытаний на хладноломкость показало появление на поверхности излома магнитной фазы в количестве 1,4 % при температуре испытания -100 °С и 2,2 % при температуре испытания -196 °С, что свидетельствует о деформационной природе их возникновения и объясняет снижение ударной вязкости стали с уменьшением температуры испытаний. До проведения испытаний хладноломкости содержание альфа-фазы в металле составляло менее 1,0 %.

Для определения технологической пластичности сталей были проведены испытания на горячий разрыв в интервале температур 300-1250 °С (рис. 3), ударный изгиб в интервале температур 1100-1280 °С (рис. 4а), и горячее скручивание при температурах 9001250 °С (рис. 4б). Результаты испытаний на горячий разрыв показали возрастание прочностных свойств у стали, легированной азотом, при одновременном снижении её пластичности (см. рис. 3).

Следует отметить, что все ударные об-

разцы (см. рис. 4а) в процессе испытаний на ударный изгиб (в интервале температур 11001280 °С) только согнулись (без образования трещин), но не разрушились.

Снижение азотом технологической пластичности (рис. 3б) стали 03Х20Н9Г3А0,30 (по сравнению с 03Х18Н11) подтверждается также результатами испытаний на горячее скручивание (см. рис. 4б).

«Провалы» на кривой пластичности в интервале температур 700-900 °С, отмеченные при испытаниях на горячий разрыв (см. рис. 3б), связаны с процессами выделения избыточных фаз по границам зерен. Для исключения фактора предварительной пластической деформации на структурные изменения, происходящие при пластической деформации литой структуры, дополнительно исследовали горячую пластичность стали 03Х20Н9Г3А0,30 в литом состоянии.

Внешний вид образцов после проведения испытаний на горячий разрыв показан на рис. 5. Из сопоставления образцов разных аустенитных сталей видно, что самой худшей пластичностью обладает 12Х18Н10Т, затем 03Х20Н9Г3А0,30, а наилучшая пластичность у 03Х18Н11.

Читайте также:
Бормашина для резьбы по дереву своими руками

Рис. 2. Склонность стали 03Х20Н9Г3А0,30 к хладноломкости: 1 – продольно вырезанные образцы; 2 – поперечно вырезанные образцы

Влияние азота на свойства стали

При отсутствии в стали элементов, образующих нитриды при высокой температуре (Ti, Al, Zr, V), после образования α-Fe начинается выделение азота из раствора в виде включений нитридов железа (Fe2N, Fe4N, Fe8N). Это выделение может продолжаться длительное время после охлаждения и, так как оно происходит в основном при низкой температуре, выделившиеся включения дисперсны (размером порядка 10-3 мкм). Дисперсные включения нитридов железа располагаются по кристаллографическим плоскостям и, препятствуя перемещению дислокаций, вызывают охрупчивание металла. Результатом этого является снижение ударной вязкости и относительного сужения, при одновременном повышении твердости и прочности.

Как и выделение нитридов железа, снижение ударной вязкости усиливается при длительном хранении или эксплуатации стальных изделий, достигая минимума через 20—40 суток, поэтому описываемое явление получило название старения. Старение 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 четыре—шесть раз, поэтому склонность к старению является пороком стали. Она характерна для малоуглеродистой стали, не раскисленной алюминием или ванадием [1].

Влияние азота на механические свойства стали показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Влияние азота на механические свойства стали

Присадка в сталь элементов, связывающих азот в нитриды при высоких температурах, устраняет склонность стали к старению. Такими элементами являются следующие:

1) алюминий, образующий нитриды в основном во время затвердевания и в твердом металле до температуры превращения γ-Fe в α-Fe;

2) ванадий и цирконий, образующие нитриды во время кристаллизации;

3) титан, образующий нитриды в жидкой стали и во время кристаллизации.

Наибольшее применение получил алюминий, широко применяемый и в качестве раскислителя. При обычных концентрациях азота и алюминия в твердом металле образуются нитриды. Но включения этих нитридов, выделяясь при более высокой температуре, имеют на два-три порядка большие размеры, чем включения нитридов железа, поэтому они не оказывают такого влияния на движение дислокаций и не вызывают старение.

Следовательно, спокойная сталь, раскисленная алюминием, 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% А1), 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 металла.

Подводя итог всему вышесказанному избыточное содержание азота в стали приводит к понижению предела текучести и временного сопротивления, к тому же он является основной причиной старения малоуглеродистых сталей. В стали, производимой в электропечах, содержится 0,008-0,012% азота. Поскольку азот является трудноудалимой примесью, его отрицательное влияние можно нейтрализовать путём введения нитридообразующего элемента для получения высокопрочных нитридов. При этом достигается в первую очередь повышение вязких свойств сталей. Но для сведения вредного влияния азота к минимуму желательно получать сталь с содержанием этого элемента меньше 0,004% [4] .

Источники газов

К основным источникам газов относятся :

1) шихтовые материалы ;

2) атмосфера плавильного агрегата, а также подаваемое на поверхность или в глубь ванны дутье (технический кислород или воздух );

3) ферросплавы и различные добавки, вводимые в металл или шлак по ходу плавки и разливки ;

4) атмосфера, окружающая жидкий металл при выпуске и разливке.

Большое количество газов вносит в металл шихта и, несмотря на то, что эти газы в значительной мере удаляются из металла по ходу плавки, на насыщенность шихтовых материалов газами обращают особое внимание. Лом содержит обычно 0,003-0,005% N. Чугун содержит обычно 0,0055 N [5].

Азот в стали. Влияние азота на свойства стали. Азот в стали в процессе ее производства , страница 7

При еще большем содержании, которое может быть достигнуто присадкой богатого азотом феррохрома, сталь при затвердевании обнаруживает склонность к выделению газообразного азота. Поэтому в отливках, полностью свободных от пузырей, содержание азота можно довести только до 0,1 – 0,15%. Эта присадка азота к полуферритной хромистой стали вызывает снижение, а при некоторых обстоятельствах и полное исчезновение фepритной структурной составляющей. Даже в ферритных сталях, содержащих около 30% Сr, можно вызвать при нагреве до соответствующей температуры частичное превращение α→γ. Следствием такого образования аустенита является снижение склонности к росту зерна при высоких температурах, что особенно существенно при сварке. Таким путем и фасонное литье из ферритной хромистой стали может быть получено с мелкозернистой структурой.

В закаливающихся и улучшаемых хромистых сталях с 15 – 18% Сr, например в стойкой против действия морской воды стали с 18% Сr и 0,5 – 2% Ni, можно добавкой 0,2% N2 заменить 2% Ni, добавляемого для сквозного улучшения.

Читайте также:
Вакууматор своими руками

Влияние азота как легирующего элемента хромистых сталей состоит, кроме воздействия на твердый раствор, также в извлечении хрома из основной массы вследствие образования нитридов хрома.

Азот расширяет γ-область и уменьшает критическую скорость охлаждения, поэтому его можно вводить в аустенитную сталь в качестве заменителя других ayстенито-образователей, например никеля. Так присадка азота к стали с 18% Сr и 8% Ni позволяет снизить содержание Ni примерно до 4%, если одновременно повысить содержание азота до 0,2 – 0,3%. Структура таких сплавов, как показано на рисунок 12, состоит почти полностью из аустенита. То же самое справедливо по отношению к введению азота в хромомарганцовистую или марганцовистую сталь и в соответствующие сплавы с хромом, марганцем и никелем.

Рисунок 12. Структура стали с 23% Сr;

5% Ni и 0,26°/о N2, закаленной в воде

Замечательной особенностью всех аустенитных сплавов с повышенным содержанием азота является повышение предела текучести, как это видно из таблицы 2. Увеличение предела текучести и предела прочности проявляется не только при комнатной температуре, но также и при повышенных температурах. Выделение нитридов в жаропрочных сталях и сплавах на основе никель – хром, кобальт – хром – никель и др. оказывается особенно ценным для области температур 700 – 800°C, так как при этом жаропрочность сплава повышается без существенного охрупчивания.

При применении сплавов с повышенным содержанием хрома для работы при высоких температурах в богатых азотом атмосферах или в чистом азоте высокого давления происходит поглощение азота поверхностным слоем. Такое поглощение азота при длительных выдержках может привести к настолько высокому содержанию его в поверхностном слое, что сталь станет хрупкой в результате образования волосных трещин (например, сталь с 18% Сr, 10% Ni и 2% Мо).

Большое химическое сродство азота к различным элементам, например алюминию, титану, цирконию и также ванадию, позволяет использовать частицы нитридов для измельчения структуры.

Азот улучшает сопротивляемость межкристаллитной коррозии коррозионно-стойких хромоникелевой и, особенно, хромомарганцовистой и ферритной хромистой сталей.

Таблица 2. Состав и механические свойства аустенитных хромоникелевых и хромомарганцовистых сталей с присадкой азота.

Подводя итог данным о применении азота в качестве легирующего элемента, в особенности в нержавеющих и жаростойких (окалиностойких) сталях, можно сказать следующее: в закаливающейся и улучшаемой хромистой стали примерно с 15 – 18% Сr азот повышает способность к улучшению и может в этом отношении заменить обычные присадки никеля в количестве 0,5 – 2%. В полуферритной и ферритной стали, содержащей свыше 18% Сr, азот приводит к образованию аустенита и к увеличению количества способной к превращению структурной составляющей, в связи с чем уменьшается склонность стали к грубозернистости. В аустенитных хромоникелевых и хромомарганцовистых сплавах азот повышает стабильность аустенита и частично может заменить никель; одновременно увеличиваются предел текучести и предел прочности, а также и механические свойства при нагревании. Азот совместно с другими легирующими элементами может измельчать зерно в литейных сплавах. Особенно заметным становится измельчение зерна под влиянием азота в сталях, чувствительных к перегреву.

  • АлтГТУ 419
  • АлтГУ 113
  • АмПГУ 296
  • АГТУ 267
  • БИТТУ 794
  • БГТУ «Военмех» 1191
  • БГМУ 172
  • БГТУ 603
  • БГУ 155
  • БГУИР 391
  • БелГУТ 4908
  • БГЭУ 963
  • БНТУ 1070
  • БТЭУ ПК 689
  • БрГУ 179
  • ВНТУ 120
  • ВГУЭС 426
  • ВлГУ 645
  • ВМедА 611
  • ВолгГТУ 235
  • ВНУ им. Даля 166
  • ВЗФЭИ 245
  • ВятГСХА 101
  • ВятГГУ 139
  • ВятГУ 559
  • ГГДСК 171
  • ГомГМК 501
  • ГГМУ 1966
  • ГГТУ им. Сухого 4467
  • ГГУ им. Скорины 1590
  • ГМА им. Макарова 299
  • ДГПУ 159
  • ДальГАУ 279
  • ДВГГУ 134
  • ДВГМУ 408
  • ДВГТУ 936
  • ДВГУПС 305
  • ДВФУ 949
  • ДонГТУ 498
  • ДИТМ МНТУ 109
  • ИвГМА 488
  • ИГХТУ 131
  • ИжГТУ 145
  • КемГППК 171
  • КемГУ 508
  • КГМТУ 270
  • КировАТ 147
  • КГКСЭП 407
  • КГТА им. Дегтярева 174
  • КнАГТУ 2910
  • КрасГАУ 345
  • КрасГМУ 629
  • КГПУ им. Астафьева 133
  • КГТУ (СФУ) 567
  • КГТЭИ (СФУ) 112
  • КПК №2 177
  • КубГТУ 138
  • КубГУ 109
  • КузГПА 182
  • КузГТУ 789
  • МГТУ им. Носова 369
  • МГЭУ им. Сахарова 232
  • МГЭК 249
  • МГПУ 165
  • МАИ 144
  • МАДИ 151
  • МГИУ 1179
  • МГОУ 121
  • МГСУ 331
  • МГУ 273
  • МГУКИ 101
  • МГУПИ 225
  • МГУПС (МИИТ) 637
  • МГУТУ 122
  • МТУСИ 179
  • ХАИ 656
  • ТПУ 455
  • НИУ МЭИ 640
  • НМСУ «Горный» 1701
  • ХПИ 1534
  • НТУУ «КПИ» 213
  • НУК им. Макарова 543
  • НВ 1001
  • НГАВТ 362
  • НГАУ 411
  • НГАСУ 817
  • НГМУ 665
  • НГПУ 214
  • НГТУ 4610
  • НГУ 1993
  • НГУЭУ 499
  • НИИ 201
  • ОмГТУ 302
  • ОмГУПС 230
  • СПбПК №4 115
  • ПГУПС 2489
  • ПГПУ им. Короленко 296
  • ПНТУ им. Кондратюка 120
  • РАНХиГС 190
  • РОАТ МИИТ 608
  • РТА 245
  • РГГМУ 117
  • РГПУ им. Герцена 123
  • РГППУ 142
  • РГСУ 162
  • «МАТИ» — РГТУ 121
  • РГУНиГ 260
  • РЭУ им. Плеханова 123
  • РГАТУ им. Соловьёва 219
  • РязГМУ 125
  • РГРТУ 666
  • СамГТУ 131
  • СПбГАСУ 315
  • ИНЖЭКОН 328
  • СПбГИПСР 136
  • СПбГЛТУ им. Кирова 227
  • СПбГМТУ 143
  • СПбГПМУ 146
  • СПбГПУ 1599
  • СПбГТИ (ТУ) 293
  • СПбГТУРП 236
  • СПбГУ 578
  • ГУАП 524
  • СПбГУНиПТ 291
  • СПбГУПТД 438
  • СПбГУСЭ 226
  • СПбГУТ 194
  • СПГУТД 151
  • СПбГУЭФ 145
  • СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
  • ПИМаш 247
  • НИУ ИТМО 531
  • СГТУ им. Гагарина 114
  • СахГУ 278
  • СЗТУ 484
  • СибАГС 249
  • СибГАУ 462
  • СибГИУ 1654
  • СибГТУ 946
  • СГУПС 1473
  • СибГУТИ 2083
  • СибУПК 377
  • СФУ 2424
  • СНАУ 567
  • СумГУ 768
  • ТРТУ 149
  • ТОГУ 551
  • ТГЭУ 325
  • ТГУ (Томск) 276
  • ТГПУ 181
  • ТулГУ 553
  • УкрГАЖТ 234
  • УлГТУ 536
  • УИПКПРО 123
  • УрГПУ 195
  • УГТУ-УПИ 758
  • УГНТУ 570
  • УГТУ 134
  • ХГАЭП 138
  • ХГАФК 110
  • ХНАГХ 407
  • ХНУВД 512
  • ХНУ им. Каразина 305
  • ХНУРЭ 325
  • ХНЭУ 495
  • ЦПУ 157
  • ЧитГУ 220
  • ЮУрГУ 309
Читайте также:
Вальцовка листового металла своими руками

Полный список ВУЗов

  • О проекте
  • Реклама на сайте
  • Правообладателям
  • Правила
  • Обратная связь

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Азот в стали, растворимость азота в железе, влияние азота на свойства стали, способы удаления азота из металла, легирование стали азотом

Резкое снижение растворимости азота при переходе стали из жидкого состояния в твердое и при полиморфных превращениях приводит к получению перенасыщенного азотом твердого раствора (раствора внедрения), из которого в процессе эксплуатации по границам зерен выделяются нитриды, повышающие твердость, увеличивающие хрупкость, снижающие пластичность и штампуемость («старение» металла). Азот ухудшает свариваемость стали. Высокое содержание азота (0,006-0,008%) недопустимо в стали для металлоконструкций, служащих при отрицательных температурах, в листовом металле для глубокой вытяжки, в котельных сталях и изделиях, работающих в повышенных температурах. В средне- и малоуглеродистых легированных сталях присутствие азота вызывает хрупкий (интеркристаллитный) излом. Интеркристаллитный излом связывают чаще всего с ослаблением границ зерен аустенита вследствие выделения лисперсных включений нитридов Fe4N и особенно AlN.

В жидкую сталь N поступает с шихтовыми материалами. Металлический лом, скрап, чугун содержат обычно 0,002 – 0,008 % N. Дополнительно N переходит в металл из печной атмосферы в области дуг при выплавке стали в дуговой электропечи. В зоне действия дуг молекулярныйNдиссоциирует на атомарный. Это интенсифицирует процесс насыщения стали N.РастворимостьN в стали по закону Сивертса: Выводы: 1.растворимостьN в Feα и Feδ увеличивается с увеличением температуры, а в Feγ снижается; снижение связано с уменьшением стойкости нитрида железа Fe4N;2.растворимость N при переходе из жидкого состояния в твердое и из одной фазы в другую изменяется скачкообразно

Максимальное количество нитридов алюминия выделяется при 800-1000 градусов. С выделением нитридов алюминия при этих температурах связывают пониженную пластичность и прочность корочки стали в зоне вторичного охлаждения при непрерывной разливке. Это приводит к возникновению внутренних трещин в заготовке. Для некоторых деформируемых сталей в присутствии нитридов алюминия наблюдается пониженная технологическая пластичность при температурах прокатки и ковки, что ведет к образованию внутренних и поверхностных разрывов и трещин. В связи с отрицательным влиянием азота для многих марок стали вводятся ограничения по содержанию этого элемента.

Растворимостью газа называется его количество, переходящее в раствор в металле при нормальном парциальном давлении газа. Предельная растворимость равна 0,46%.

По влиянию на растворимость азота в жидкой стали примеси металла можно разбить на две группы:

1) Нитридообразующие (ванадий, ниобий, лантан, церий, титан, алюминий). Эти элементы повышают растворимость азота в железе. Такие примеси, как хром, молибден, марганец, обычно нитридов не образуют, но они характеризуются большим сродством к азоту, чем к железу, поэтому тоже заметно увеличивают растворимость азота в железе.

2) Не образующие нитридов (углерод, никель, медь, фосфор) или образующие с азотом соединения менее прочные, чем с железом (кремний). Эти элементы заметно снижают растворимость азота в железе.

Получению металла с минимальным содержанием азота и водорода способствуют следующие мероприятия:

1) Использование чистых шихтовых материалов

2) Ведение плавки в атмосфере с минимальным содержанием водорода и азота

3) Организация по ходу плавки кипения ванны

4) Обработка металла вакуумом

5) Продувка металла инертными газами

6) Введение в металл нитридообразующих элементов

Имеются сорта стали (так называемые «азотистые») с карбонитридным упрочнением, в которых специально повышают концентрацию азота путем введения азотированных ферросплавов (феррохрома, ферромарганца, феррованадия) или продувки расплавленной стали газообразным азотом на агрегатах ковш-печь – рельсы повышенной износостойкости и контактной выносливости. Соотношение концентраций алюминия и азота (0,012% Al и 0,007% N) в электрохимической анизотропной стали позволяет при определенных температурах и условиях прокатки формировать в металле нитриды алюминия AlN, препятствующие росту зерна (нитридное ингибирование), и получать прокат с желаемой структурой и текстурой. Азот нашел широкое применение в машиностроении для азотирования поверхности деталей, работающих в условиях повышенного износа, а также для повышения их коррозионной стойкости.

Читайте также:
Блестит ли медь алюминий и железо

Азотирование стали: назначение, технология и разновидности процесса

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.

Цех ионно-вакуумного азотирования

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.

Схема установки азотирования в тлеющем разряде

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.

Микроструктура качественно азотированного слоя стали марки 38Х2МЮА

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.

Вакуумная печь для термической обработки с системой газового азотирования

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:

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.

Классификация процессов азотирования

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 Fe3N, характеризующийся содержанием азота в пределах 8–11,2%;
  • твердый раствор Fe4N, 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.

Влияние температуры и легирующих элементов на формирование азотированного слоя

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.

Читайте также:
Все для полировки металла

Типы азотируемых сталей

Обработке по технологии азотирования могут подвергаться как углеродистые, так и легированные стали, 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:

Твердость сталей после азотирования

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.

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.

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.

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.

Характеристики некоторых сталей после азотирования

Технологическая схема азотирования

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

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.

Режимы термообработки перед азотированием

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.

Рекомендуемые режимы азотирования стали

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).

Пуансон массой более 230 кг, подвергнутый азотированной обработке

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.

Читайте также:
Аэролифт для аквариума своими руками

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 N2 или NH3, 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.

Влияние азота на свойства сталей

Вредное влияние азота (N) заключается в том, что образуемые им довольно крупные, хрупкие неметаллические включения – нитриды – ухудшают свойства стали. Положительным свойством азота считают то, что он способен расширять аустенитную область диаграммы состояния сталей. Азот стабилизируетаустенитную структуруи частично заменяет никель в аустенитных сталях. В низколегированные стали добавляют нитридообразующие элементы ванадий, ниобий и титан. При контролируемой горячей обработке и охлаждении они образуют мелкие нитриды и карбонитриды, которые значительно повышают прочность стали.

Cr- улучшает механические свойства, повышает жаропрочность, жаростойкость, коррозионоустойчивость, твердость.

Ni хладностойкость, увеличивает пластичность и вязкость, электросопротивление

Марганец- повышает предел текучести

Si- (до2%) повышает предел текучести

Вольфрам и молибден – повышают твердость и прочность

23. Характеристика основных структурных классов сталей. Основные способы повышения качества стали

Ферритный Фе2О3 (структура феррит) образуется при низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента. Ферритообразующие элементы Cr, Si, Mo, V, W, Zr. это твердый раствор внедрения углерода альфа железа

Используют для неответственных деталей

Перлитный (структура перлит) – механическая смесь пластин феррита и цементита

Аустенитный (структура аустенит) – это твердый раствор внедрения углерода гамма железа

Мартенситный (структура мартенсит)- наблюдается в закаленных сплавах, перенасыщенный твердый раствор углерода в альфа- железе

Карбидная или Ледебуритная (структура состоит из карбидов различных Ме) – эвтектическая смесь аустенита и цементита, в интервале 727-1147с

Улучшить качество металла можно уменьшением в нем вредных примесей, газов, неметаллических включений. Для повышения качества металла используют обработку синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию металла, электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав, переплав металла в электронно-дуговых и плазменных печах.

Вакуумная дегазация проводится для уменьшения содержания в металле газов в следствии снижения их растворимости в жидкой стал при пониженном давлении и неметалических включений.

24. Электрошлаковый переплав и Вакуумно-дуговой переплав

Электрошлаковый переплав (ЭШП) применяют для выплавки высококачественных сталей для подшипников, жаропрочных сталей. Переплаву подвергается выплавленный в дуговой печи и прокатанный на пруток металл. Источником теплоты является шлаковая ванна, нагреваемая электрическим током. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1, погруженному в шлаковую ванну 2, и к поддону 9, установленному в слегка конусном водоохлаждаемом кристаллизаторе 7, в котором находится затравка 8. Выделяющаяся теплота нагревает ванну 2 до температуры свыше 1700 ºC и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак и образуют под шлаковым слоем металлическую ванну 4. Перенос капель металла через основной шлак способствует удалению из металла серы, неметаллических включений и газов. Металлическая ванна пополняется путём расплавления электрода, и под воздействием кристаллизатора она постепенно формируется в слиток 6. По мере формирования слитка либо опускают поддон, либо поднимают электрод. Содержание кислорода уменьшается в 1,5…2 раза, серы в 2…3 раза. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности, высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Слитки получают круглого, квадратного и прямоугольного сечения массой до 110 т.

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) применяют в целях удаления из металла газов и неметаллических включений.

Процесс осуществляется в вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом. Катод изготовляют механической обработкой слитка, выплавляемого в электропечах или установках ЭШП.

Расходуемый электрод 3 закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2 и помещают в корпус печи 1 и далее в медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0,00133 кПа. При подаче напряжения между расходуемым электродом 3 (катодом) и затравкой 8 (анодом) возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода. Капли жидкого металла 4, проходя зону дугового разряда, дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между электродом и жидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Охлаждение слитка и разогрев жидкого металла создают условия для направленного затвердевания слитка. Следовательно, неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, усадочная раковина мала. Слиток характеризуется высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Применяется для изготовления деталей турбин, двигателей, авиационных конструкций. Масса слитков достигает 50 т.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
gmnu-nazarovo.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: