НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК. 669-1

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

tatiana_valer@inbox.ru
gerasimov_s@list.ru
simonov_vn@mail.ru

Введение

Консерватизм технологии азотирования  не учитывает влияния предварительной термической обработки на размер зародышей нитрида железа, формирующихся перед азотированием.  Установлено [1], что режимы предварительной термической обработки влияют на наноструктуру и  соответственно  на свойства сплавов. Каждой температуре соответствует своя структура, которая влияет на механические свойства сталей. Проведенными  исследованиями структуры азотированных сталей в МГТУ им Н.Э. Баумана [2]  подтверждено влияние основных факторов на механические свойства азотированных изделий. К ним относятся:

1)     размер и  плотность нитридных выделений;

2)     типы связей кристаллических решеток твердого раствора  и нитридов железа -  когерентный, полукогерентный , некогерентный;

3)     мисфит - параметр несоответствия кристаллических решеток  /;

4)     объемная доля и характер распределения фаз нитрида железа;

5)     химический состав зародышей фаз нитрида железа.

Впервые в работе С.А. Герасимова показано [3], что в процессе диффузионного насыщения сталей формирование структуры может происходить аналогично распаду пересыщенных твердых растворов в стареющих сплавах. В зависимости от состава сталей  и температуры азотирования формируются следующие виды структур: структура, характеризующаяся образованием однослойных зародышей нитридной фазы, полностью когерентных с решеткой матрицы - начальная стадия зарождения нитрида железа; структура с частичной когерентностью нитридной фазы (размер нитридов составляет 2- 4), структура с нарушением когерентности решеток матрицы и нитридов железа  (размер нитридов  10 нм).

Подобные эффекты наблюдались и в стали 38Х2МЮА [4]

Цель работы - расчет влияния температурно-временных параметров предварительной термической  обработки конструкционных сталей  на начальные стадии формирования тонкой структуры перед азотированием.

Научная новизна - с помощью программы «Теrmodin», разработанной на кафедре «Материаловедения», МГТУ им Н.Э. Баумана, рассчитаны критические радиусы зародышей нитрида железа,  параметры диффузии;  кинетические параметры зарождения и роста фазы Fe₄N, время формирования заданной объемной доли  фазы при изотермической выдержке в процессе высокого отпуска.

Материал и методы исследования

 В  соответствии  с диаграммой состояния Fe-N, представленной на рисунке 1,  в равновесном состоянии находятся  и   твердые растворы азота в железе.

а)

б)

Рис. 1. Равновесная диаграмма состояния Fe-N
(а) фрагмент диаграммы состояния;  (б)  область растворимости азота в феррите [5].

- фаза представляет собой азотистый феррит с ОЦК решеткой  с периодами (в зависимости от содержания азота) 0,2866 – 0,2877. Азот занимает октаэдрические поры в решетке  - Fe. Растворимость азота в - фазе при эвтектоидной температуре не превышает 0,11%,  снижаясь при комнатной температуре до 0,004 % ( рисунок  1.б.).

- фаза соответствует твердому раствору на базе нитрида Fe₄N. Зона гомогенности  при 590, лежит в пределах 5,3 - 5,75% N, - фазакристаллизуется в ГЦК решетку из атомов железа с упорядоченным расположением атомов азота в центрах элементарных кубов. Расчеты проведены для бинарного сплава Fe-5,6%N по массе.

Предварительную термическую обработку (ПТО) проводили в лабораторных камерных печах как для бинарного сплава Fe- 5,6%N , так и для легированной стали 38X2MЮА.   Стали закаливали при  950 с охлаждением в воде.  Цель закалки получение пересыщенного твердого раствора.  Последующую термическую обработку высокотемпературный отпуск проводили при 500, 550, 600. Время нагрева при отпуске составляло 2 ч и 10 ч [6, 7]. Проведение  закалки и   последующего высокотемпературного отпуска при 500 в течение двух часов и 10 ч  перед азотированием приводит к образованию более мелких нитридов.   В  период инкубационного  распада  образуются зародыши критических размеров нитридных частиц, в основном когерентные и полукогерентные кристаллической решетке твердого раствора. По темнопольным изображениям был установлен  размер нитридов 3,5 нм [4].

Результаты и обсуждения.

С помощью разработанной программы «Termodin» рассчитан критический радиус зародышей нитрида железа Fe₄N в интервале температур 500-590, а также параметр диффузии при каждой изотермической выдержке. Полученные расчетные данные представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Расчетные данные начальных стадий зарождения нитрида железа (Fe₄N)

Из таблицы 1 видно, что при увеличении температуры изотермической выдержки диффузионные процессы протекают интенсивнее, следовательно, критический размер зародыша  увеличивается от 1,61 нм при  t= 500 и достигает величины 2,59 нм при температуре 590.

С помощью программы «Termodin» рассчитан промежуток времени, в течение которого образуется заданная объемная доля  фазы 1 % , 10 %, 90 % при распаде пересыщенного твердого раствора . В  таблице 2 представлены  результаты по кинетике образования начальных стадий зарождения нитрида железа. Для всех расчетных температур определено время зарождения, время роста, требуемое для образования зародыша Fe₄N размером 3 нм,  скорость зарождения и  скорость роста нитрида железа.

Таблица 2.- Расчет кинетики образования зародышей нитрида железа размером 3 нм в процессе высокотемпературного отпуска.

Полученные расчетные данные согласуются с экспериментальными  значениями  критического размера зародыша, образующегося при распаде пересыщенного твердого раствора .

Электронномикроскопическое исследование сплава  Fe-5,6%Nпоказало, что при распаде мартенсита при температуре  старения 500 выделяется - фаза  (Fe₄N) c периодом а=0,378 нм. В течение  одного часа на темнопольных снимках видны нитриды размером 1,1..1,4 нм, которые образуются при распаде пересыщенного твердого раствора,   а в течение 10 часов изотермической выдержки размер зародышей нитридов достигает 3 нм [4].  Авторы работы [6] не определили объемную долю - фазыэкспериментально, поэтому в программе было дополнительно рассчитана объемная доля - фазы, образующаяся при изотермической выдержке в процессе высокотемпературного отпуска.

На рисунке 2 представлены кинетические кривые распада сплава Fe- 5,6% N для расчетных температур в интервале 500- 590, которые наглядно иллюстрируют изменение закристаллизовавшегося объема V(t) cплава Fe-5,6%N (по массе).

Рис. 2. Кинетические кривые распада  пересыщенного твердого раствора с образованием заданной объемной доли  фазы.

Как видно из  графиков, закристаллизовавшийся объем  вначале распада растет очень медленно (малое число растущих кристаллов и малая поверхность  каждого из них), затем рост резко  ускоряется, кривая круто поднимается вверх, и, наконец, когда незакристаллизовавшийся объем уменьшается до 10 % от первоначального, кривая вновь делается пологой.

Заключение

Результаты  экспериментальных исследований и  расчетов, проведенных в программе «Termodin» согласуются, с погрешностью не более 4 %. В процессе  проведения экспериментальных  исследований  при температуре 500 в течение одного часа образуются зародыши нитрида железа размером  1,4 нм. Расчетным путем доказано, что критический радиус зародыша составляет 1,6 нм при t=500, промежуток времени формирования объемной доли 10 % составляет 9,6 часов, при этом средний радиус кристаллов фазы Fe₄Nдостигает 3 нм для сплава Fe-5,6%N по массе.

Список литературы

1.     Герасимов C.А., Жихарев А.В., Березина Е.В., Зубарев Г.И., Прянишников В.А. Новые идеи о механизме образования структуры азотированных сталей // МиТОМ.  2004. № 1. С. 13-17.

2.     Герасимов С.А., Жихарев А.В., Голиков В.А. и др. Влияние предварительной термической обработки на структуру и свойства азотированных сталей // МиТОМ. 2000. № 6. С.24-25.

3.     Гаврилова А.В., Герасимов С.А., Косолапов Г.Ф., Тяпкин Ю.Д. Исследование структуры азотированных сталей // МиТОМ. 1974. № 3. С. 14-17.

4.     Герасимов С.А. Исследование структуры и свойств азотированных сталей: автореф. дисс. … канд. техн. наук. М., 1973. 14 с.

5.     Paranjpe V.G., Floe C.F., Cohen M., Beuer M.B. The Iron Nitrogen System // Journal of Metals. 1950. Vol. 188, no. 2. P. 261-267.

6.     Косолапов Г.Ф., Герасимов С.А., Бабенко Н.П. Тонкая структура и свойства азотированного слоя // Новые сплавы и методы упрочнения деталей машин / под. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Nзд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1981. С. 95-105.

7.     Rembges W. Einfluss der Warmebehandlung auf das Nitriedverhalten von Vergutungsstahlen // Z. f. wirtsch. Ferting. 1978. Vol. 73, nr. 6. S. 329-332.