Азотування сталей під час механоімпульсної обробки
Виявлено, що під час механоімпульсної обробки сталі з використанням 10%-го водного розчину амінілу поверхневі шари насичуються азотом, через що мікротвердість зміцненого шару підвищується до 12 GРa. В результаті зростають зносотривкость пари тертя у 1,6–1,8 рази та корозійна тривкість за швидкістю...
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2013
|
| Назва видання: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136071 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Азотування сталей під час механоімпульсної обробки / В.І. Кирилів // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 3. — С. 118-122. — Бібліогр.: 19 назв. — укp. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-136071 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1360712025-02-23T17:40:42Z Азотування сталей під час механоімпульсної обробки Азотирование сталей в процессе механоимпульсной обработки Nitrarding of steels under mechanopulse treatment Кирилів, В.І. Виявлено, що під час механоімпульсної обробки сталі з використанням 10%-го водного розчину амінілу поверхневі шари насичуються азотом, через що мікротвердість зміцненого шару підвищується до 12 GРa. В результаті зростають зносотривкость пари тертя у 1,6–1,8 рази та корозійна тривкість за швидкістю корозії і глибинним показником. Показано, что в процессе механоимпульсной обработки стали с использованием 10%-го водного раствора аминила поверхностные слои насыщаются азотом, вследствие чего микротвердость упрочненного слоя повышается до 12 GРa. В результате износостойкость пари трения возрастает в 1,6–1,8 раза, а также увеличивается коррозионная стойкость по скорости коррозии и глубинному показателю. It is shown that during the process of steel mechanopulse treatment using 10% aqua solution of aminil the presurface layers are saturated by nitrogen. Such saturation increases the microhardness of the strengthened layer up to 12 GPa. As a result the wear resistance of friction hair in 1.6–1.8 times. The corrosion resistance by corrosion rate and depth index increases also. 2013 Article Азотування сталей під час механоімпульсної обробки / В.І. Кирилів // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 3. — С. 118-122. — Бібліогр.: 19 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136071 621. 787: 620.176. uk Фізико-хімічна механіка матеріалів application/pdf Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Виявлено, що під час механоімпульсної обробки сталі з використанням 10%-го водного розчину амінілу поверхневі шари насичуються азотом, через що мікротвердість
зміцненого шару підвищується до 12 GРa. В результаті зростають зносотривкость
пари тертя у 1,6–1,8 рази та корозійна тривкість за швидкістю корозії і глибинним
показником. |
| format |
Article |
| author |
Кирилів, В.І. |
| spellingShingle |
Кирилів, В.І. Азотування сталей під час механоімпульсної обробки Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Кирилів, В.І. |
| author_sort |
Кирилів, В.І. |
| title |
Азотування сталей під час механоімпульсної обробки |
| title_short |
Азотування сталей під час механоімпульсної обробки |
| title_full |
Азотування сталей під час механоімпульсної обробки |
| title_fullStr |
Азотування сталей під час механоімпульсної обробки |
| title_full_unstemmed |
Азотування сталей під час механоімпульсної обробки |
| title_sort |
азотування сталей під час механоімпульсної обробки |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2013 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/136071 |
| citation_txt |
Азотування сталей під час механоімпульсної обробки / В.І. Кирилів // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 3. — С. 118-122. — Бібліогр.: 19 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT kirilívví azotuvannâstalejpídčasmehanoímpulʹsnoíobrobki AT kirilívví azotirovaniestalejvprocessemehanoimpulʹsnojobrabotki AT kirilívví nitrardingofsteelsundermechanopulsetreatment |
| first_indexed |
2025-11-24T04:31:48Z |
| last_indexed |
2025-11-24T04:31:48Z |
| _version_ |
1849644766715707392 |
| fulltext |
118
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2013. – ¹ 3. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 621. 787: 620.176.
АЗОТУВАННЯ СТАЛЕЙ ПІД ЧАС МЕХАНОІМПУЛЬСНОЇ ОБРОБКИ
В. І. КИРИЛІВ
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Виявлено, що під час механоімпульсної обробки сталі з використанням 10%-го вод-
ного розчину амінілу поверхневі шари насичуються азотом, через що мікротвердість
зміцненого шару підвищується до 12 GРa. В результаті зростають зносотривкость
пари тертя у 1,6–1,8 рази та корозійна тривкість за швидкістю корозії і глибинним
показником.
Ключові слова: механоімпульсна обробка, азотування, зносо- та корозійна тривкість.
Встановлено [1, 2], що під час механоімпульсної обробки (МІО) під дією ви-
сокошвидкісної термопластичної деформації у поверхневих шарах металу фор-
мується нанокристалічна структура (НКС) та відбуваються структурно-фазові пе-
ретворення внаслідок швидкісних нагріву і охолодження шляхом відводу тепла в
інструмент, деталь та технологічне середовище (ТС). Тут характерним є те, що
шари можна додатково легувати різними елементами шляхом підбору ТС і так
змінювати їх фізико-механічні та корозійні властивості [3, 4]. Необхідно заува-
жити, що під час МІО нагріваються тільки поверхневі ділянки зміцнюваного
металу, що унеможливлює деформацію і жолоблення деталей та зміну структури
серцевини. Її можна застосовувати для локальних важконавантажених ділянок
деталей машин, не змінюючи структури матричного матеріалу. Для поліпшення
експлуатаційних властивостей, зокрема, зносотривкості, втомної міцності та ко-
розійної тривкості в промисловості використовують азотування [5].
Нижче вивчено вплив цього процесу під час МІО на фізико-механічні та
корозійні властивості сталі.
Методики досліджень. Використовували циліндричні зразки діаметром
20 mm із армко-заліза та сталей 20 і 45 у ферито-перлітному стані. МІО здійсню-
вали на спеціальному пристрої [6] за таких режимів: лінійна швидкість обертання
зміцнювального інструменту 70 m/s, частота обертання зразків 0,21 s–1, поздовж-
ня подача інструменту 2 mm/revol. Як ТС для насичення азотом використовували
10%-ий водний розчин амінілу (ТУ-6-00-5743167-106-90). У зоні фрикційного
контакту (ФК) деталі та інструмента поверхневі ділянки зразків нагрівали до тем-
ператур вище точки поліморфного перетворення Ас3 за одночасного пластичного
зсувного деформування зі швидкостями (102…103) s–1. Контактний тиск досягав
0,6 GPа, швидкість охолодження – біля 1500 К/s внаслідок відводу тепла в ТС,
зміцнювальний інструмент і деталь.
Розподіл азоту в поверхневих шарах досліджували на ОЖЕ-спектрометрі
фірми “Balсers”. Їх травлення здійснювали пучком іонів Ar+ з енергією 2 kеV і
діаметром 4 mm зі швидкістю 2...70 А/s. Поверхню зразка збуджували пучком
електронів з енергією 3 kеV і діаметром 0,7 mm. Базовий тиск у аналітичній ка-
мері 10–10 Тоrr [5].
Контактна особа: В. І. КИРИЛІВ, e-mail: kyryliv@ipm.lviv.ua
119
Фазовий склад поверхневих шарів сталей після зміцнювальної обробки ви-
вчали на дифрактометрі-дифрактографі ДРОН-3 у СuKα-випромінюванні (U =
= 30 kV, I = 20 mA) з кроком 0,05° та експозицією у точці 4 s. Обробляли дифрак-
тограми, використовуючи програмне забезпечення Powder Cell [7]. Рентгеногра-
ми ідентифікували за картотекою JCPDS-ASTM [8].
Зносотривкість досліджували на машині тертя МІ-1М за схемою кільце–вклад-
ка в оливно-абразивному середовищі, застосовуючи зразки-кільця діаметром
40 mm. Вживали оливу марки ТАП-30 з додатком 0,1 mass.% кварцового піску
дисперсністю до 40 µm за навантаження 1,0; і 2,0 МPа та швидкості ковзання
0,9 m/s. За критерій зношування приймали втрату ваги за відповідний проміжок ча-
су (через 1 h). Зважували зразки на аналітичній вазі ВЛА-20г-М з точністю ±4 mg.
Корозійну тривкість після МІО з поверхневим насиченням азотом вивчали
за методою прямої корозиметрії, застосовуючи циліндричні зразки діаметром і
довжиною 20 mm [9].
Рис. 1. Мікротвердість сталі 45,
обробленої в мінеральній оливі ( ), ТС
для навуглецювання ( ) та в амінілі ( ).
Fig. 1. Microhardness of steel 45 treated
in mineral oil ( ), technological
environment (TE) for carbonization ( ),
nitrogencontaining environment aminil ( ).
Результати випробувань. Встановили [4, 10], що в азотовмісному середо-
вищі в зоні інтенсивної пластичної деформації тертям поверхневі шари зміцню-
ваного металу насичуються азотом. Під час МІО в зоні ФК відбуваються термо-
деструкція, розпадання середовища та насичення шарів легувальними елемента-
ми. Полімерний складник ТС в інтервалі 1100…1200 K розкладається за механіз-
мом ланцюгової радикальної деполімеризації з утворенням безпосередньо на на-
грітій поверхні металу високої концентрації вуглецевмісних низькомолекулярних
речовин, різного типу вільних радикалів, пірополімерного залишку й атомів (вуг-
лецю, азоту, водню тощо), які активно взаємодіють з поверхнею і дифундують у
деформований метал [11, 12]. Піролізат може проявляти каталітичну активність,
пришвидшуючи розпадання полімерних молекул до елементарних ланцюгів або
груп ланцюгів та впливаючи на насичення металу. Цей процес у зоні обробки
стимулюють високі тиски (0,6…1,0 GPа) і температури, які за певних режимів
сягають 1100...1600 K.
Вміст азоту на поверхні армко-заліза, обробленого в азотовмісному ТС, за
результатами ОЖЕ-спектрометрії становить 1,8…2,7 mass.%, а на глибині 50 µm
досягає 0,7…0,9 mass.% [4]. ТС, адсорбуючись на металі під дією високих темпе-
ратури і механічних напружень, піддається механо- і термодеструкції [11]. При
цьому утворюються високоактивні осколки макромолекул, які здатні взаємодіяти
з оброблюваним металом, знижуючи вільну поверхневу енергію і полегшуючи
його деформування. Під час МІО в зоні ФК макромолекули полімеру адсорбу-
ються на металі, відбувається їх механо- і термодеструкція; утворюються мікро-
радикали, внаслідок деполімеризації яких виділяються атомарний водень, азот і
вуглець, якими насичується метал.
120
Рентгенівськими дослідженнями в cталі 20 виявлено феритно-аустенітну
структуру з розміром зерна фериту 14,5 nm, а в сталі 45 після обробки в амінілі –
ферито-аустенітно-цементитну. При цьому розміри зерен становили 14...20 nm. У
поверхневому шарі, який складається із α- та γ-Fe[N]-твердого розчину, виділень
нітридних фаз не зафіксовано, що, очевидно, пов’язано з високою розчинністю
азоту в наноструктурованому α- та γ-залізі. Це підтверджують відомі результати
[10], про те, що розчинність азоту в подрібненому α-Fe[N]-твердому розчині під-
вищується втричі за феритної НКС, отриманої на поверхні α-заліза високошвид-
кісним тертям. Мікротвердість сталі 45 досягає 11,5...12,0 GPа, а максимальна
глибина зміцненого шару 300 µm (рис. 1), що дещо перевищує ці показники у ТС
для навуглецювання [13] і спричинено осколками високодисперсної цементитної
фази, яка під час МІО в азотовмісному ТС не розпалась повністю, як під час об-
робки в оливних ТС, де формується мартенситно-аустенітна структура, а цемен-
тит повністю розпадається. Слід зауважити, що ТС для навуглецювання забезпе-
чує дещо більшу глибину зміцнення порівняно із амінілом, що викликано різни-
ми їх охолоджувальними властивостями.
Рис. 2. Кінетика зношування пари сталь 45 (кільце)
(а, c) – сталь ШХ15 (вкладка) (b, d) в оливно-абразивно-
му середовищі за питомого навантаження 1 (a, b)
та 2 МPа (c, d): – МІО в мінеральній оливі;
– в ТС для навуглецювання; – в амінілі.
Fig. 2. Kinetics of wear for a pair steel 45 (ring)
(a, c) – steel ШX15 (bush) (b, d) in oil-abrasive environment
at specific load of 1 (a, b) and 2 МPа (c, d):
– mechanopulse treatment in mineral oil;
– in TE for carbonization; – in aminil.
Виявлено [14], що МІО підвищує зносотривкість сталей порівняно з гарту-
ванням у 1,5–2,0 рази. Тому порівнювали результати дослідження зносотривкості
сталі 45, обробленої в ТС для азотування, після МІО у мінеральній оливі і в ТС
для навуглецювання. Азотована поверхня з НКС має низький коефіцієнт тертя
(0,025…0,04) в оливі за питомого навантаження 2 МPа. Встановлено (рис. 2), що
МІО в ТС для азотування забезпечує вищу зносотривкість, ніж в мінеральній
оливі [14] і ТС для навуглецювання за навантаження 1 і 2 МPа [13].
З ростом питомого навантаження до 2 МРа залежність зносотривкості від
видів ТС не міняється (рис. 2c, d), хоча втрата маси пари тертя відчутніша. Вища
ефективність МІО з азотуванням пов’язана з дещо більшою мікротвердістю азо-
тованого поверхневого шару та нижчим коефіцієнтом тертя порівняно з оброб-
кою в мінеральній оливі та в ТС для навуглецювання (0,05) [15]. Необхідно за-
121
уважити, що зносотривкість незміцнених вкладок пари тертя також підвищується
для всіх варіантів МІО та питомих тисків. Це пояснюють суттєвим зниженням
коефіцієнта тертя пари зі зміцненими поверхнями [15, 16], що викликано зміною
вкладання електронів d-орбіталей у металевий зв’язок [17]. Міжатомна взаємодія,
підвищуючись всередині металу, знижується на поверхні.
Вивчаючи корозійні властивості зразків зі сталі 45 у 3%-му водному розчині
NaCl, виявили [9], що азотування не тільки поліпшує її електрохімічні характе-
ристики [18], але й тривкість за швидкістю і глибинним показником (див. табли-
цю). З тривалістю витримки швидкість корозії знижується і ця залежність підпо-
рядкована загальним закономірностям процесу в нейтральних середовищах; про-
дукти корозії закріплюються на поверхні зразка, створюючи екранувальний
ефект. Для мікролегованих зразків початок корозії затримується і першу її стадію
зафіксовано лише через 1–2 days.
Корозійна тривкість мікролегованих зразків зі сталі 45
в 3%-му водному розчині NaCl
Стан поверхні зразків Час витри-
мування τ, h
Швидкість корозії
Km, g/сm2·h
Глибинний показ-
ник, mm/year
Шліфовані 6,5⋅10–5 0,85
МІО з азотуванням
100
– 0,66
МІО з навуглецюванням 7,6⋅10–6 0,84
Шліфовані 7,1⋅10–6 0,79
МІО з азотуванням
192
5,3⋅10–6 0,59
Шліфовані – 0,74
МІО з азотуванням
288
3,3⋅10–6 0,36
Отже, ТС для азотування розширює можливості МІО і забезпечує вищі про-
ти відомих ТС зносо- та корозійну тривкість сталі 45. Отримана товщина зміцне-
ного шару (∼250 µm) достатня для більшості деталей, які працюють в умовах
зношування та дії слабоагресивного корозивного середовища. Близькі до сфор-
мованих параметри азотованого шару за класичної дифузії можна отримати впро-
довж 34 h за температури 813 K [19]. Таким чином, азотування під час МІО не
тільки поліпшує експлуатаційні властивості, але й знижує матеріальні і енерге-
тичні витрати.
РЕЗЮМЕ. Показано, что в процессе механоимпульсной обработки стали с использо-
ванием 10%-го водного раствора аминила поверхностные слои насыщаются азотом,
вследствие чего микротвердость упрочненного слоя повышается до 12 GРa. В результате
износостойкость пари трения возрастает в 1,6–1,8 раза, а также увеличивается коррози-
онная стойкость по скорости коррозии и глубинному показателю.
SUMMARY. It is shown that during the process of steel mechanopulse treatment using 10%
aqua solution of aminil the presurface layers are saturated by nitrogen. Such saturation increases
the microhardness of the strengthened layer up to 12 GPa. As a result the wear resistance of
friction hair in 1.6–1.8 times. The corrosion resistance by corrosion rate and depth index
increases also.
1. Поверхнева нанокристалізація сталей високошвидкісним тертям / Г. М. Никифорчин,
В. І. Кирилів, Н. В. Крет, В. А. Волошин // Наук. нотатки. – Луцьк, 2007. – С. 325–329.
2. Никифорчин Г. М., Кирилів В. І., Волошин В. А. Фізико-механічні властивості припо-
верхневих нанокристалічних структур, отриманих високошвидкісним тертям // Сб.
докл. ІХ Междун. научн.-техн. конгресса термистов и металловедов / Под ред. И. М. Не-
клюдова и В. М. Шулаева (21–25 апреля 2008). – Харьков, 2008. – 2. – С. 170–177.
122
3. Максимишин М. Д. Структурно-фазовые изменения при импульсном упрочнении ста-
ли и их влияние на работоспособность деталей машин: Автореф. дис. ... канд. техн.
наук. – Львов, 1986. –16 с.
4. Кирилів В. І., Коваль Ю. М. Поверхневе легування сталей зі спеціальних технологічних
середовищ // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2001. – 37, № 5. – С. 103–105.
(Kyryliv V. I. and Koval’ Yu. M. Surface alloying of steels from special process media
// Materials Science. – 2001. – 37, № 5. – P. 816–819.)
5. Азотирование и карбонитрирование / Р. Чаттердди-Фишер, Ф.-В. Эйзелл, Р. Хофман и
др.: Пер. с нем. – М.: Металлургия, 1990. – 280 с.
6. А. с. 1199601 СССР, МКИ4 И24И 39/04. Устройство для упрочнения наружных ци-
линдрических поверхностей деталей / В. И. Кырылив, Т. Н. Каличак, Ю. И. Бабей.
– Опубл. 23.12.85; Бюл. № 47.
7. Krous W., Nolze G. Powder Cell – A Program for the Representation and Manipulation of
Crystal Structures and Calculation of the Resulting X-ray Powder Patterns // J. Appl. Cryst.
– 1996. – 29. – P. 301–303.
8. Powder Diffraction File 1973: Search manual alphabetical listing and search section of
frequently encountered phases. – Inorganic-Philadelphia, 1974.
9. Вплив поверхневого легування під час механоімпульсної обробки на корозійну трив-
кість сталі / В. І. Кирилів, З. В. Слободян, П. Я. Сидор, О. Д. Лінинська // Фіз.-хім.
механіка матеріалів. – 2003. – 39, № 4. – С. 115–116.
(Kyryliv V. I., Slobodyan Z. V., Sydor P. Ya., and Linyns’ka O. D. Effect of surface alloying
in the course of mechanical-pulse treatment on the corrosion resistance of steel // Materials
Science. – 2003. – 39, № 4. – P. 601–604.)
10. Юркова О. І. Формування наноструктури та механічних властивостей в α-залізі під
час інтенсивної пластичної деформації тертям: Автореф. дис. … докт. техн. наук.
– Київ, 2008. – 38 с.
11. Сероштан Т. П. Об интенсификации процессов диффузионного насыщения сталей в
полимерных средах. Защитные покрытия на металлах // Респ. мажвед. сб. науч. тр.
/ Под ред. И. М. Федорченко. – Киев, 1989. – Вып. 23. – С. 4–8.
12. Латышев В. Н. Повышение эффективности СОЖ. – М.: Машиностроение, 1975. – 88 с.
13. А.с. 1678858 СССР, МКИ5 С21Д 5/00, С 23 С 8/00. Способ упрочнения поверхности
изделий / Т. Н. Каличак, В. И. Кырылив, А. И. Сошко и др. – Опубл. 23.09.91; Бюл. № 23.
14. Бабей Ю. И. Физические основы импульсного упрочнения стали и чугуна. – К.: Наук.
думка, 1988. – 240 с.
15. Кирилів В. І. Підвищення зносотривкості середньовуглецевої сталі нанодиспергуван-
ням поверхневих шарів // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2012. – 48, № 1. – С. 111–114.
(Kyryliv V. I. Improvement of the wear resistance of medium-carbon steel by nanodispersion
of surface layers // Materials Science. – 2012. – 48, № 1. – P. 119–124.)
16. Васильев М. А., Прокопенко Г. И., Филатова В. С. Нанокристаллизация металлических
поверхностей методами интенсивной пластической деформации (обзор) // Успехи
физики металлов. – 2004. – 5. – С. 345–399.
17. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии / Пер. с
англ. А. В. Белого, Н. К. Мышкина. – М.: Машиностроение, 1986. – 360 с.
18. Деякі особливості формування на сталі нанокристалічних поверхневих шарів з підви-
щеною корозійною тривкістю / О. Максимів, В. Кирилів, З. Слободян, Л. Маглатюк
// Фіз.-хім. механіка матеріалів: Спец. вип. – 2010. – № 8. – С. 402–405.
19. Тюрин Ю. Н., Жадкевич М. Л. Плазменные упрочняющие технологии. – К.: Наук.
думка, 1988. – 240 с.
Одержано 12.02.2013
|