Азот в нержавеющих сталях

Обновлено: 23.01.2025

Современные требования к качеству металлических изделий и конструкций обусловили тенденцию возрастания доли легированных сталей в общем объёме металлургического производства. В последние годы значительно возрос интерес к высокоазотистым легированным сталям. Одно из основных преимуществ этих сталей по сравнению с традиционными сталями-аналогами − их более высокая прочность. Это позволяет сократить объём производства высоколегированных сталей на 15 − 20%, за счет уменьшения рабочих сечений деталей машин, механизмов и конструкций, приводящего к снижению материалоемкости[1].

Дополнительная информация

В традиционных коррозионно-стойких низкоуглеродистых сталях легирование азотом снижает чувствительность к локальным видам коррозии и межкристаллитной коррозии. Последнее качество связано с ослаблением или полным предотвращением процесса образования пленок карбида Cr23C6 на границах зерен[2].

Однако, выделяются такие недостатки азотосодержащих сталей, как усложнение технологии получения. Процесс легирования сплавов на основе железа азотом в больших количествах требует использования специальных технологических процессов, что является одним из факторов повышения стоимости производства стали.

В то же время, поскольку азот обладает сильной способностью стабилизировать аустенит, легирование азотом позволяет уменьшить в нержавеющих сталях содержание аустенитообразующих элементов: никеля и марганца в 1,5-2 раза, либо вообще исключить эти элементы из состава стали.

Введение азота в стали позволяет решать не только вопросы повышения их прочности, коррозионной стойкости и экономии легирующих элементов, но и решать экологические проблемы. Так, например, при полном (или частичном) отказе от легирования сталей марганцем и замене его азотом появляется возможность избежать ущерба экосистеме и здоровью людей, связанных с выбросами в атмосферу токсичных окислов марганца при выплавке. Кроме того, азот, входящий в состав воздуха, является дешевым, и процесс его получения из атмосферы не требует разрушения поверхности и недр земли, неизбежных при добыче руд[1].

Аустенитные коррозионно-стойкие стали с повышенным содержанием азота (около 1%) изготавливаются в настоящее время в промышленных масштабах, но в ограниченных объемах лишь для очень специального применения и при значительных дополнительных затратах на их обработку. Стала очевидной необходимость массового промышленного производства сталей с азотом с получением высококачественной продукции и понижением затрат на их производство, т.к. основным фактором его удорожания является использование выплавки металла под давлением. Однако стали со стабилизированием аустенита не только азотом (до 0,6-0,7%), а также марганцем и никелем, но в меньших количествах, чем углеродистые Cr-Ni- и Cr-Mn-Ni-стали, используются гораздо шире. Это связано с тем, что они выплавляются более дешевым способом – из азотированного сырья.

Аустенитные стали с высоким содержанием азота (больше 0,4%) характеризуются наилучшим сочетанием прочности и вязкости по сравнению со всеми известными в мире материалами[3].

В настоящее время при разработке новых коррозионно-стойких сталей в качестве легирующего элемента часто используют азот. Это направление материаловедения является перспективным, позволяющим существенно повысить служебные свойства конструкционных материалов и инструмента в различных областях машиностроения и медицинской техники[4].

Легированные азотом стали обладают целым рядом преимуществ : хорошая технологичность, высокие служебные характеристики, которые достигаются оптимальным сочетанием параметров прочности, пластичности, коррозионной стойкости в большинстве рабочих сред. Именно поэтому эти стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения. Наиболее распространенными легирующими элементами являются хром, никель и марганец.

Первоначальный стимул к разработке азотсодержащих сталей имел экономическую основу, связанную с заменой азотом дорогостоящего никеля. Однако по мере развития этого направления выявились принципиальные преимущества азотсодержащих сталей, прежде всего для обеспечения такого комплекса механических свойств, который невозможно получить за счет традиционных схем легирования[5].
Целесообразность легирования нержавеющих сталей азотом обусловлена следующими факторами: повышенной растворимостью азота в стали в присутствии хрома, позволяющей получать сталь обычными методами выплавки с использованием азотосодержащих ферросплавов; повышенным уровнем прочностных характеристик за счёт твёрдорастворного и дисперсионного упрочнения; частичной заменой азотом ряда дорогих легирующих элементов[6].

Традиционный способ выплавки стали позволяет получить в них не более 0,6-0,7% азота, то есть соответствующего равновесному содержанию азота при температурах аустенитизации. При использовании метода литья с противодавлением возможно получение сталей с содержанием азота до 1,2-2,0% (в слитках до 200 кг). Кроме того, в настоящее время предлагаются другие различные способы получения сталей с высоким содержанием азота. Целью методов объемного азотирования является повышение прочностных характеристик за счёт замены карбидов высокодисперсными нитридами[7].

Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионно-стойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения. Наиболее распространенными легирующими элементами являются хром, никель и марганец[8].

Аустенитные нержавеющие стали применяют очень широко не только из-за высоких антикоррозионных свойств, но и благодаря высоким технологическим и механическим свойствам. Эти стали хорошо прокатываются в горячем и холодном состояниях, в холодном состоянии выдерживают глубокую вытяжку и профилирование, допускают применение электросварки, без охрупчивания околошовных зон[9].
Применение аустенитных сталей в качестве конструкционных материалов в ряде случаев сдерживается их недостаточной прочностью и износостойкостью. Однако в последние двадцать лет были разработаны и изучены различные методы упрочнения аустенитных сталей, что привело к созданию новых достаточно высокопрочных материалов[10].

В последние годы в мировой практике возрастает использование азотосодержащих сталей. Производятся они в промышленном масштабе как обычными стандартными методами (с применением азотированных ферросплавов), обеспечивающими содержание азота в соответствии с максимальной растворимостью в жидкой стали при атмосферном давлении, так и специальными способами, когда получаются сплавы со сверхравновесным содержанием азота12.

В аустенитных нержавеющих сталях азотом можно замещать никель, что в конечном счет при изготовлении из таких сталей различной продукции обеспечивает:

вклад в сохранение окружающей среды благодаря сбережению природных ресурсов;
экономию за счет низкой стоимости азота;
значительное повышение прочности (до 3600 МПа);
значительно более высокую пластичность по сравнению с другими сталями такой же прочности;
повышенную коррозионную стойкость, поскольку с точки зрения локальной коррозионной стойкости 1 %(масс.) азота эквивалентен 20% (масс.) хрома;
повышенное сопротивление коррозионному растрескиванию.

Совокупность всех перечисленных факторов делает аустенитные нержавеющие стали с высоким содержанием азота предпочтительными перед другими материалами для применения перспективных сберегающих технологий, а также для изготовления продукции с повышенным сроком службы при меньших затратах. К недостаткам таких сталей можно отнести ограниченную свариваемость, а также тот факт, что процесс их производства требует специальных знаний.

Аустенитные коррозионно-стойкие стали с высоким содержанием азота изготавливаются в настоящее время в промышленных масштабах, но в ограниченных объемах лишь для очень специального применения и при значительных дополнительных затратах на их обработку. Способы производства таких сталей весьма дороги, так как часто приходится использовать процессы выплавки металлов под давлением такие, например, как электрошлаковый переплав под давлением. Но поскольку в результате получают продукцию очень высокого качества, такой способ будет использоваться и в дальнейшем, и объемы его производства возрастут.

Перечисленные выше свойства, а также другие преимущества нержавеющих сталей с высоким содержанием азота, открывают перспективы их применения в транспорте (автомобили, железные дороги, суда), строительстве (фиксирующие приспособления, арматура для сохранения целостности таких корродирующих конструкций, как мосты и тоннели), авиакосмической промышленности, при производстве спортивных товаров, техники для исследования океанов, а также для производства объектов атомной энергетики и нужд военно-промышленного комплекса.
Благодаря высоким прочности, пластичности и коррозионной стойкости аустенитные стали с повышенной концентрацией азота открывают для конструкторов более широкие возможности при меньшем расходе материала, а изготовленные из них изделия будут служить значительно дольше. Высокая удельная прочность и долговечность конструкций это основные критерии для сталей, отвечающих требованиям сберегающих технологий[14].

Основное преимущество азота перед другими элементами, которыми легируют железные сплавы, заключается в его наличии в природе практически в неограниченном количестве (прежде всего, в воздухе). Получение азота из воздуха не требует разрушения поверхности и недр Земли, неизбежного при добыче руд и наносящего значительный вред природе. Более того, применение азота, способного успешно заменять никель и марганец в сталях, позволит уменьшить в 1,5-2 раза расход этих важнейших для легирования сталей элементов. В связи с этим при полноценном использовании азота добыча руд этих металлов может быть существенно сокращена. Экологические последствия такого сокращения трудно переоценить.

Не менее важным является использование азота для легирования сталей, у которых специальные свойства будут сочетаться с высокой прочностью, можно при одной и той же потребности сократить объем производства на 30-40%. К числу таких сталей следует отнести коррозионно-стойкие, теплостойкие, износостойкие и некоторые другие. Сокращение объёма производства становится возможным также благодаря более высоким эксплуатационным характеристикам сталей, легированных азотом, чем у традиционных сталей рассматриваемого типа. Сокращение объема производства означает уменьшение затрат энергии, а также отрицательного влияния на природные условия факторов, неизбежно сопровождающих работу металлургических заводов.

До настоящего времени азот не применялся для легирования сплавов на основе железа столь же широко, как углерод, так как технологические процессы насыщения этих сплавов азотом сложнее, чем углеродом, особенно если использовать для производства сплавов традиционную технологию выплавки в открытых индукционных или дуговых печах[15].

Однако уже можно считать, что главные трудности введения азота в заданном количестве в железные сплавы преодолены, и ряд технологических процессов азотирования железных сплавов используются в промышленных масштабах. Методы введения азота в стали можно разделить на две следующие группы.

а) плавка при атмосферном давлении азота над расплавом (т.е. на воздухе) с использованием в качестве шихтовых материалов азотированных ферросплавов (феррохрома, ферромарганца, феррованадия и других); Аустенитные Cr-Mn-стали с 0,6% N, которые выплавляются при атмосферном давлении, используются во всем мире как материал для бандажных колец;
б) плавка при повышенном давлении азота над расплавом; Более высокие содержания азота, около 1%, могут быть достигнуты только при повышенном давлении. В установках электрошлаковой переплавки под давлением может быть создано давление макс. 42 бар. Через шлюзы в установку могут непрерывно подаваться легирующие элементы. За счёт межатомного расположения азота в кристаллической решётке стали значительно повышаются прочность и коррозионная стойкость без снижения пластичности. Давление установки повышает, с одной стороны, растворимость отдельных легирующих элементов в плавке и предупреждает, с другой стороны, удаление газом летучих легирующих элементов во время кристаллизации. Такой комбинации свойств не достигается никакой другой группой материалов;

а) объёмное или поверхностное азотирование компактного материала или порошков в атмосфере азотсодержащих газов;
б) горячее прессование под давлением азота в газостатах порошков элементов, входящих в состав сплава, или просто порошка сплава заданного состава.

Азотсодержащие стали принято подразделять на два вида: с равновесным и «сверхравновесным» содержанием азота. Стали первого вида получают в условиях затвердевания расплава на воздухе при атмосферном давлении азота, второго вида – путем выплавки и кристаллизации слитков или отливок при повышенном или высоком давлении азота. В таких условиях содержание азота в металле может быть значительно выше достигаемого в результате кристаллизации в условиях атмосферного давления. «Сверхравновесные» концентрации азота, конечно, могут быть получены и при использовании методов твердофазного насыщения азотом.

Широкая замена углерода азотом открывает для сталей, выплавленных в установках электрошлаковой переплавки под давлением большое количество областей применения. Энергетическая промышленность и изготовители подшипников качения используют уже с большим успехом азотированные под давлением стали. Дальнейшие области применения это авиационная промышленность (авиационные двигатели), химическая и нефтехимическая промышленности, а также строительная промышленность. Новейшей разработкой являются высокоазотированные безникелевые стали, которые пригодны для биосовместимого применения[16].

В работе исследованы коррозионно-стойкие азотистые стали типа 3Х15АМ (1), 06Х18АГ19М2 (2) и 07Х16АГ13М3 (3). Основой исследуемых сталей является композиция Fe-Cr-Mn-C/N.

Исследованные стали были выплавлены по технологии электрошлакового переплава в среде газообразного азота или смеси азота с аргоном под давлением газа составляющим от 1 до 40 атмосфер в зависимости от требуемого содержания N в стали, используя в качестве шлака нитрид кремния (Si4N3). Процесс состоит из двух стадий: выплавки электродов из стали необходимого состава в электродуговой печи и переплава под высоким давлением, в процессе которого происходит насыщение стали азотом.

Используемые в работе стали подвергались четырем видам термической обработки горячей ковке с последующей закалкой от 1050˚С (1 час) в воде и старению при 300˚С и 500˚С по 2 часа. После закалки, структура исследованных сталей представляла собой γ + α′ (30Х15АМ–сталь 1), γ (06Х18АГ19М2–сталь 2) и α′ (07Х16АГ13М3–сталь 3).

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

Стали 2 и 3, легированные только азотом, показали более высокую прочность и пластичность по сравнению с комплексно легированной углеродом и азотом сталью 1. Оптимальное сочетание свойств после всех исследованных режимов термической обработки показала высокоазотистая сталь 2 с высоким содержанием хрома и марганца.
По результатам фракторафических исследований сталь 1, легированная углеродом и азотом (0,3% С и 0,35% N), оказалась наименее вязкой после проведенной термической обработки, что обусловлено в основном присутствием карбидов Cr23С6. Наиболее вязкой показала себя сталь 2, разрушавшаяся вязко при всех исследованных режимах термообработки. Сталь 3 по вязкости разрушения занимает промежуточное положение.
По результатам электрохимических исследований установлено, что питтингоустойчивость сталей в основном зависит от их химического состава, на нее не оказывает влияние режим термической обработки. В то время как кривые анодной поляризации отражают изменение прошедшее в структуре по действием термической обработки.
По результатам проведённых исследований сталь 2 обладает комплексом наиболее высоких механических и коррозионных свойств. Однако оптимизация режимов термической обработки сталей 1 и 3 также может обеспечить им высокие свойства.

Студент: Меркушин Е.А.
Руководитель: Дорошенко В.А.

Существует тенденция возрастания доли легированных сталей в общем объёме металлургического производства. Основные преимущества легированных сталей по сравнению с традиционными сталями-аналогами − их более высокая прочность

Влияние азота на свойства стали

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 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 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 P_N ₂ ;

K_N 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 P_N ₂ (1.2)

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

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

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 H_N 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 H_P ). Первый процесс является эндотермическим, а второй – экзотермическим. Так как Δ H _дис > Δ H_P , 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 > 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 ( P_O ₂= 10 -8 атм). В отличие от этого, при растворении азота даже при P_N 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

Катодно-плазменное азотирование нержавеющей стали в условиях низкого давления

ХТО (Химико-термическая обработка) представляет собой процесс высокотемпературного диффузионного насыщения поверхности металлов различными химическими элементами, т. е. данный процесс осуществляется посредством сочетания термической и химической обработок.

Целью ХТО является изменить механические свойства сталей. В основном ХТО применяется для деталей, работающих на износ и одновременно под ударными нагрузками. Насыщение поверхности стали инородными веществами приводит к увеличению твердости и износостойкости поверхности изделия, а сердцевина изделия остается пластичной и вязкой. Такая комбинация твердой поверхности и мягкой сердцевины благодаря образованию сжимающих поверхностных напряжений приводит к увеличению усталостной прочности материала, однако вязкость несколько снижается. ХТО позволяет сообщить изделиям повышенную жаростойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность.

Процесс химико-термической обработки протекает по следующей схеме:

1. Образование насыщаемого элемента в атомарном состоянии, которое образуется вследствие протекания высокотемпературных реакций.

2. Абсорбция (осаждение и контакт с поверхностью стали) насыщаемого элемента на поверхность стали.

3. Диффундирование насыщаемого элемента в глубь стали.

Одной из перспективных упрочняющих технологий является катодно-плазменное (ионное) азотирование в условиях низкого давления [1]. С помощью ионного азотирования можно в широких пределах менять микротвёрдость, остаточные сжимающие напряжения, фазовый состав поверхностного слоя и повышать предел выносливости углеродистой стали на 40–60 %. [2].

В ответственных деталях машин и оборудования широкое применение нашли легированные стали, обладающие особыми свойствами, среди которых особое положение занимают нержавеющие стали, обладающие высокой стойкостью против коррозии. Из всех нержавеющих сталей наибольшее применение находят аустенитные нержавеющие стали. Они имеют высокие антикоррозионные свойства, достаточно высокую прочность, высокую пластичность, хорошую свариваемость. Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали типа 08Х18Н10Т, применяемые для изготовления клапанов двигателей, лопаток газовых турбин и т. д., когда рабочая температура составляет 500…700 0 С.

В связи с вышеизложенным, целью исследования было моделирование процесса катодно-плазменного азотирования нержавеющей стали 08Х18Н10Т в условиях низкого давления.

Наиболее важным, с точки зрения механических свойств, является сочетание таких характеристик диффузионного слоя как его глубина и поверхностная твёрдость. В настоящее время доказано [3], что максимальная усталостная прочность изделий достигается при определённых значениях толщины азотированного слоя и имеет тенденцию к снижению при его дальнейшем увеличении. Результаты, полученные при испытаниях изделий на трение-износ [3], также показывают, что износостойкость азотированной поверхности достигает экстремального значения при определённых значениях микротвёрдости и снижается при дальнейшем её увеличении. В общем случае для конкретных условий эксплуатации требуется формирование диффузионного слоя с заданными микротвёрдостью и толщиной. Одним из основных параметров, определяющих работоспособность деталей, является глубина диффузионного слоя.

Глубина диффузионного слоя Х зависит от коэффициента диффузии D и длительности процесса τ [3].

где k — постоянная для данного процесса величина.

Из (1) следует, что определяющими факторами процесса ХТО, влияющими на величину глубины получаемого диффузионного слоя, являются продолжительность процесса и его температура.

Так зависимость глубины диффузионного слоя от продолжительности процесса, при постоянной температуре (T=const), можно представить в виде следующей формулы:

где х- толщина диффузионного слоя, τ- время ХТО, k₁ — константа, в которую входит коэффициент диффузии, зависящий от температуры ХТО.

Результаты катодно-плазменного азотирования в условиях низкого давления нержавеющей стали 08Х18Н10Т [1] приведены в таблице.

Коррозионно-стойкие стали с повышенным содержанием азота- Реферат

Диффузия азота в нержавеющей стали

В настоящее время для повышения долговечности деталей машин и режущего инструмента широкое распространение получили методы поверхностного легирования и нанесения износостойких, защитных покрытий. Среди методов химико-термической обработки наиболее технологичными, экономически выгодными представляются методы насыщения в тлеющем разряде. Способ химико-термической обработки в тлеющем разряде занял прочное место среди традиционных способов химико-термической обработки в газовых средах. Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал по химико-термической обработке в тлеющем разряде свидетельствует о больших возможностях открывающихся как в чисто утилитарном плане, так и в плане дальнейшего развития этого способа. При использовании тлеющего разряда складываются более благоприятные условия для процессов адсорбции и хемосорбции диффундирующего элемента, что сказывается на ускорении диффузионного процесса. Среди различных процессов химико-термической обработки стали, азотирование стали — один из наиболее надежных методов повышения долговечности разнообразных деталей ответственного машиностроения, работающих в условиях сильного износа, усталостных нагружений и воздействия агрессивных сред [1].

В ответственных деталях машин и оборудования широкое применение нашли легированные стали обладающие особыми свойствами, среди которых особое положение занимают нержавеющие стали, обладающие высокой стойкостью против коррозии. Из всех нержавеющих сталей наибольшее применение находят аустенитные нержавеющие стали. Они имеют высокие антикоррозионные свойства, достаточно высокую прочность, высокую пластичность, хорошую свариваемость. Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали типа 08Х18Н10Т, применяемые для изготовления клапанов двигателей, лопаток газовых турбин и т. д., когда рабочая температура составляет 500…700 0 С.

Построение математической модели процесса катодно-плазменного азотирования [2] сводится к формализации трех основных физико-химических процессов, а именно: описанию процессов происходящих в активной среде, формализации связи междуактивностью среды, массопереносом (потоком) диффундирующего элемента; описанию кинетики диффузионного насыщения.

Так как в случае катодно-плазменного азотирования предельная концентрация, равновесная с насыщаемой средой, достигается на обрабатываемой поверхности достаточно быстро, а кинетика скорости химических реакций на границе металл — газ обычно намного больше коэффициента диффузии, становится ясным, что интенсивность химико-термической обработки в основном определяется ее диффузионной стадией. Характер структуры диффузионной зоны, глубина ее залегания, а также характер распределения концентрации различных элементов по сечению служат теми критериями, по которым оцениваются результатыазотирования.

В случае, когда концентрация диффундирующего элемента не зависит от времени процесс диффузии описывается наосновании первого закона Фика:

где J- поток диффундирующего элемента в направлении x,

D — коэффициент диффузии, характеризующий скорость диффузии,

с — концентрация диффундирующего элемента, х — толщина диффузионного слоя.

Однако коэффициент диффузии не является независимой величиной и потому решение каждой конкретной диффузионной задачи сводится к нахождению решения второго уравнения Фика удовлетворяющего начальным граничным условиям рассматриваемой задачи:

где τ — время процесса диффузионного насыщения.

В случае азотирования толщина диффузионного слоя, как правило, много меньше размера образца и потому следует рассматривать задачу диффузии в полуограниченный образец. Так как контролирующей стадией при катодно-плазменном азотировании является диффузия азота в глубь образца, что тем более верно для легированных сталей, то можно считать концентрацию азота на поверхности постоянной, не зависящей от времени. Полагая, что равновесная с окружающей средой концентрация азота на поверхности достигается за пренебрежимо малое время, а поток диффундирующего элемента на второй границе практически равен нулю в течение всего времени азотирования, получаем решение уравнения (2) в виде [1]:

где

Из выражения (3) видно, что распределение концентрации по глубине азотированного слоя будет определяться азотным потенциалом насыщающей атмосферы, коэффициентом диффузии и длительностью процесса. Параболический закон роста диффузионного слоя для своей реализацизации требует большого числа ограничений, которые редко выполняются на практике. Поэтому описание процесса образования диффузионного слоя на основе второго уравнения Фика следует рассматривать как моделирование реального физического процесса с помощью удобной математической модели. Определяемые из экспериментальных данных постоянные диффузии являются некими эффективными коэффициентами, учитывающими информацию о влиянии многочисленных факторов.

На рис. 1. отображено распределение концентрации азота и титана по глубине азотированного слоя на стали 08Х18Н10Т полученное при температуре 833 К и длительности процесса химико-термической обработки в несамостоятельном разряде 2 часа.

Рис. 1. Концентрационные кривые азота и титана в азотированном слое стали 08XI8HI0T полученные на микрорентгеноспектральном анализаторе

Из рисунка хорошо видно, что азотированный слой образован вследствие реакционной диффузии и представляет собой зону соединений за исключением небольшого диффузионного участка, где концентрация азота плавно изменяется с увеличением глубины.

Сопоставление кривых распределения концентрации азота и титана обнаруживает софазность изменения их концентрации в высокоазотистой зоне азотированного слоя, что свидетельствует о наличии соединений азота с титаном (TiN_х). Значительная концентрация соединений азота с титаном, по всей видимости, и обуславливает повышенную коррозионную стойкость, так как понижается степень обеднения матрицы хромом. Несколько пониженная концентрация азота в приповерхностном слое, по всей видимости, обусловлена относительно высоким напряжением катодно-плазменного азотирования (800–2000 В), что приводит к более интенсивному, чем при ионном азотировании, распылению образующихся на поверхности высокоазотистых нитридных соединений и как бы оттеснению их вглубь азотированного слоя. В связи с этим, варьируя напряжением процесса катодно-плазменного азотирования, представляется возможным влиять на распределение концентрации азота по глубине слоя, а так же на распределение нитридных соединений в приповерхностном слое. Последнее обусловлено тем, что в приповерхностном слое концентрируются те нитриды, коэффициент распыления которых выше, а прочие образуются на некотором расстоянии от поверхности.

В случае постоянной концентрации азота на поверхности стали

Имея экспериментальную зависимость x = f(T) при τ = const [3] находим энергию активации из уравнения [1]:

В нашем случае x₁ = 12,4·10– 6 м при T₁ = 773К и х₂ = 35,5·10– 6 м при Т₂ = 883 К (τ = 2 ч). Подставив экспериментальные результаты в уравнения получаем

Откуда для х₂ = 35,5 · 10– 6 м и Т₂ = 883 К находим коэффициент диффузии азота в высокоазотистой фазе нержавеющей стали 08Х18Н10Т при катодно-плазменном азотировании

Подставляя γвуравнение Аррениуса [4]

где R = 8,31 Дж/(К·моль) — универсальная газовая постоянная,

находим значение предэкспоненциального множителя (А). Таким образом, температурная зависимость эффективного коэффициента диффузии в высокоазотистой фазе нержавеющей стали 08Х18Н10Т, при катодно-плазменном азотировании, описывается уравнением (рис. 2)

Рис. 2. Температурная зависимость эффективного коэффициента диффузии в высокоазотистой фазе нержавеющей стали 08Х18Н10Т, при катодно-плазменном азотировании

Однако, полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что скорость диффузии азота в высокоазотистой фазе имеет максимум, и далее понижается с возрастанием температуры, что, по всей видимости, связано с интенсификацией процесса образования нитридов при более высоких температурах.

1. Лахтин Ю. М., Арзамасов Б. Н. Химико-термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1985. 255 с.

2. Федоров А. А. Катодно-плазменное азотирование на агрегате “Булат”// Совершенствование конструкций пневмогидроарматуры: Тез. докл. научно-технического семинара. — Киев, 1987. — С. 42–43.

3. Ж. М. Бледнова, А. А. Федоров, М. И. Чаевский. Статистическое моделирование катодно-плазменного азотирования нержавеющей стали.- Черметинформация.-1988.-№ 7.-С.153.

4. Б. С. Бокштейн. Диффузия в металлах.М.:Металлургия,1978.240 с.

Основные термины (генерируются автоматически): катодно-плазменное азотирование, диффундирующий элемент, химико-термическая обработка, азотированный слой, коэффициент диффузии, сталь, тлеющий разряд, концентрация азота, приповерхностный слой, диффузионное насыщение.

Азот в нержавеющих сталях

Дополнительная информация

Влияние азота на свойства стали

Катодно-плазменное азотирование нержавеющей стали в условиях низкого давления

Коррозионно-стойкие стали с повышенным содержанием азота- Реферат

Диффузия азота в нержавеющей стали

Похожие статьи

Исследование влияния различных режимов ионного.

Катодно-плазменное азотирование нержавеющей стали.

Особенности формирования упрочненного слоя.

Сравнение экономической рентабельности использования.

Изменение структуры и состава нитридного слоя при.

Теоретические основы повышения стойкости режущего.

Плазменное электролитическое оксидирование как способ.

Ионное азотирование как перспективный метод повышения.

Повышение прочностных характеристик титановых сплавов