Grain size in the type 0,2C-2Cr-4Ni-1V steel modified using carbonitriding treatment.pdf Введение Одним из наиболее эффективных способов повышения износостойкости деталей в промышленности является химико-термическая обработка, которая воздействует на поверхностные слои металла [1-2], т.е. на те слои, в которых концентрируются максимальные напряжения, возникают трещины, развиваются процессы износа и коррозии. В отличие от термической обработки химико-термическая обработка изменяет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев. Это позволяет в более широких пределах изменять свойства металлов и сплавов. В промышленности большое распространение получил процесс нитроцементации - поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в газовой среде. Нитроцементация приводит к существенному изменению прежде всего зеренной структуры материала в слоях, прилегающих к поверхности, на которую было оказано воздействие. Эти изменения хорошо видны уже при небольших увеличениях в металлографическом микроскопе на шлифах, сделанных перпендикулярно обработанной поверхности. Поэтому целью настоящей работы является изучение зеренной структуры и определение размера зерна в конструкционной стали 20Х2Н4А, подвергнутой нитроцементации, по мере удаления от поверхности образца. Материал и методы исследования Объектом исследования являлась конструкционная легированная сталь мартенситного класса 20Х2Н4А, используемая для производства нитроцемен-тованных высоконагруженных деталей шестерен для комбайнов «К-500». Химический состав исследуемой стали, соответствующий ГОСТу 4543-71, приведен в таблице. Химический состав стали 20Х2Н4А, вес. % C Mn Si S P Cr Ni Cu Fe 0,22 0,43 0,23 0,012 0,01 1,35 3,45 0,17 Остальное После гомогенизации и нормализации сталь была подвергнута высокотемпературной нитроцементации (поверхностное насыщение азотом и углеродом) при температуре 920°С. Последующая термическая обработка состояла в следующем: высокий отпуск при температуре 620°С (1 ч), затем закалка от 820°С в масло и низкий отпуск при 180°С (1 ч). Исследования выполнены методом оптической микроскопии на микроскопе МИМ-10 при рабочих увеличениях 50, 100 и 380 крат на образцах до и после нитроцементации. Образцы после нитроцементации были вырезаны в двух направлениях: 1) перпендикулярно и 2) параллельно нитроце-ментованной поверхности. Поверхность образцов для просмотра в оптическом микроскопе готовилась двумя методами: 1) методом химического и 2) методом электрохимического травления. Химическое травление проводилось в 4 %-ном водном растворе азотной кислоты при комнатной температуре, элетрохимическое - в 10 %-ном водном растворе соляной кислоты при температуре 20-40°С и плотности тока 0,5 А/см2. Химическое травление позволило выявить нитроцементованный слой, электрохимическое -зеренную и внутризеренную структуру вновь образованного слоя и основного металла. Определение средних размеров зерен проводилось методом случайных секущих по микрошлифам. Средний размер зерен в объеме материала каждого сечения образца и среднеквадратичное отклонение определяли исходя из средних размеров зерен, измеренных по отдельным изображениям микрошлифа [3]. Для каждого сечения в работе было выполнено -150 измерений. Результаты эксперимента и их обсуждение Изображение поверхности после травления на внутризеренную структуру и границы зерен стали в исходном состоянии представлено на рис. 1, а, функция распределения зерен по размерам - на рис. 1, б. Как видно из рис. 1, в исходном материале присутствует обычная полиэдрическая зеренная структура. Функция распределения зерен имеет типичный для отожженного материала вид, средний размер зерен составляет величину 56 мкм, наиболее вероятный - 70 мкм, дисперсия размера зерен -19 мкм. Функция распределения зерен - одномодальная. Рис. 1. Изображение микроструктуры стали 20Х2Н4А в исходном состоянии (а) и распределение зерен по размерам (б) Выше мы отмечали, что нитроцементация стали приводит к созданию нитроцементованного слоя вблизи поверхности образца. Структура слоя по мере удаления от поверхности образца меняется. Изменяется и зеренная структура слоя. Схематически зеренная структура нитроцементованного слоя исследуемой стали по мере удаления от поверхности образца (перпендикулярное сечение образца) представлена на рис. 2, а, а её изображение, полученное методом оптической микроскопии, - на рис. 2, б. Псшерхносгь Рис. 2. Схематическое (а) и оптическое (б) изображения зеренной структуры в нитроцементованном слое стали 20Х2Н4А по мере удаления от поверхности в глубь образца. Стрелками (а) указаны выделения, хорошо различимые на оптических шлифах; линиями - границы зерен. Перпендикулярное сечение образца Из рис. 2 хорошо видно, что по мере удаления от поверхности в глубь образца вид зеренной структуры изменяется. Изменяется и размер зерен. Хорошо видны также границы зерен, декорированные карбидами. Несомненно, что на всю глубину нитроцементованного слоя большой вклад дает диффузия углерода и азота по границам зерен. Картина зеренной структуры стали после нитроцементации, полученная в оптическом микроскопе на различных расстояниях от поверхности с образцов, вырезанных параллельно нитроцементованной поверхности, представлена на рис. 3. Рис. 3. Изображения микроструктуры стали 20Х2Н4А после нитроцементации на различных расстояниях от поверхности в сечении, параллельном нитроцементованной поверхности образца: а - поверхность; б - 0,2 мм; в - 1,1 мм; г - 2,1 мм от поверхности Как видно из представленных фотографий, размеры зерен по мере удаления в глубь материала изменяются сложным образом. Это подтверждают проведенные измерения, выполненные непосредственно в оптическом микроскопе и представленные на рис. 4, а также распределения зерен по размерам, полученные для разных расстояний от нитроцементованной поверхности (рис. 5). Рис. 4. Средние размеры зерен (D) на разных расстояниях (Х) от нитроцементованной поверхности стали до (1) и после (2) нитроцементации Из рис. 4 видно, что на поверхности нитроцементованного образца средний размер зерен имеет минимальное значение, затем он быстро возрастает и на глубине ~200 мкм становится наибольшим. После этого размер зерен убывает, и в конце слоя его значение сравнивается со средним размером зерна основного металла, приближаясь к исходному. Подобные результаты отмечались и ранее [4-5]. Отметим, что для прочностных свойств стали 20Х2Н4А [6] разнозернистость имеет важное значение. Еще раз подчеркнем, что все изменения в зеренной структуре исследованной в работе стали 20Х2Н4А связаны с интенсивной диффузией углерода и азота по границам зерен в ходе нитроцементации. Заключение На основании проведенных исследований зеренной структуры в конструкционной стали 20Х2Н4А, подвергнутой нитроцементации, установлено, что нитроцементация приводит к резкому измельчению зерна вблизи поверхности образца. По мере удаления от поверхности в глубь образца средний размер зерна вначале быстро возрастает, и на глубине 0,2 мм от поверхности превышает исходное значение практически в 2 раза, затем убывает, приближаясь к исходному состоянию образца.

Скачать электронную версию публикации