Влияние водорода на процесс газового азотирования стали Х12М

• Автор: Терлецкий, Евгений Викторович
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 191 с. : ил.

Глава 1. Литературный обзор
1.1. Термическая и химико-термическая обработка штамповых
инструментальных сталей
1.1.1. Термическая обработка штамповых инструментальных сталей
1.1.2. Химико-термическая обработка штамповых инструментальных сталей
1.2. Взаимодействие газовой среды с поверхностью стали Х12М при азотировании
1.2.1. Взаимодействие азота с металлом при азотировании стали Х12М
1.2.2. Взаимодействие водорода с металлом при азотировании стали Х12М
1.2.3. Взаимодействие азота и водорода с металлом при азотировании стали Х12М
Глава 2. Оборудование, материалы и методика проведения
экспериментов
2.1. Исследуемые материалы и технология проведения исследований
2.2. Термическая обработка образцов
2.3. Химико-термическая обработка образцов
2.4. Ионная имплантация титана и меди в исследуемые образцы
2.5. Проведение механических испытаний
2.5.1. Механические испытания на растяжение
2.5.2. Механические испытания на ударный изгиб
2.6. Определение количества водородных фракций в образце

2.7. Металлографический анализ образцов
Глава 3. Влияние водорода на формирование и свойства азотированного слоя, а также на свойства сердцевины азотированной инструментальной стали Х12М
3.1. Насыщение водородом штамповых сталей в зависимости от состояния насыщающей атмосферы при азотировании
3.2. Изменение показателей прочности и пластичности при испытаниях на растяжение инструментальной стали Х12М, азотированной в аммиаке
3.3. Влияние скорости деформирования на показатели прочности и пластичности при испытаниях на растяжение инструментальной стали Х12М, азотированной в аммиаке
3.4. Изменение ударной вязкости при испытаниях на ударный изгиб инструментальной стали Х12М, азотированной в аммиаке
3.5. Изменение толщины азотированного слоя в зависимости от размеров поперечного сечения образца из инструментальной стали Х12М
Глава 4. Разработка теоретических предпосылок снижения интенсивности насыщения стали Х12М водородом при азотировании
Выводы
Библиографический список использованной литературы
Азотирование широко применяется для упрочнения разнообразных сталей и сплавов, деталей машин, инструментов, работающих в различных условиях и средах, а также для повышения твердости, износостойкости, задиростойкости, сопротивления усталости и коррозии. Деформация изделий при азотировании минимальна, азотированный слой хорошо шлифуется и полируется [1].
Азотирование как метод упрочнения деталей машин и инструмента прошло длительный путь развития и совершенствования. В настоящее время с точки зрения обеспечения функциональных свойств
многочисленных деталей и инструмента оно является одним из самых эффективных и распространенных методов упрочнения в различных отраслях машиностроения (автомобилестроение, авиастроение,
двигателестроение, станкостроение, химическая промышленность и мн. др.). Промышленный технологический процесс азотирования полностью сформировался к началу 30-х годов XX века: в качестве насыщающей атмосферы применяется аммиак, детали изготавливаются из сложнолегированных специальных сталей, определяются основные параметры процесса (температура насыщения, длительность обработки, степень диссоциации аммиака). В то время, как указывает нам автор [2], развитие азотирования тормозилось наличием ограниченного
ассортимента азотируемых сталей, выпускаемых металлургическими заводами, несовершенством конструкций печей для этих целей и их ограниченным выпуском. Применяемые в то время стали для азотирование носили название «нитраллой», и процесс проводился в основном в продуктах частичной диссоциации аммиака [2]. К этому времени
определились основные достоинства и недостатки азотирования — нового метода упрочнения, большинство из которых остаются актуальными и несут в себе зерно неразрешенной проблемы по сей день.
Среди достоинств процесса азотирования необходимо отметить:
1. Высокую твердость (до НУ 1300), которая достигается без закалки;
2. Незначительную по сравнению с другими методами упрочнения деформацию деталей;
3 Теплостойкость поверхностного насыщенного слоя до 500...600 °С;
4. Высокую износостойкость;
5. Коррозионную стойкость (особенно в воздушной атмосфере);
6. Высокое сопротивление усталости;
7. Высокое сопротивление знакопеременным нагрузкам.
Недостатки этого метода упрочнения заключаются в следующем:
1. Большая длительность процесса насыщения (до 100 часов);
2. Низкая по сравнению с цементированными деталями контактная прочность;
3. Высокая хрупкость поверхностного слоя;
4. Пониженная вязкость азотированных деталей;
Учитывая, что содержание водорода в железе является функцией его парциального давления в газовой фазе, изображение диаграммы железо -водород на плоскости является условным [21]. Истинную диаграмму следует изображать объемно, в координатах р — Т — х (давление -температура — содержание водорода (%(ат)) (см. рис.13). Такая диаграмма представляет собой систему поверхностей, исходящих из осей температуры и давления и соединенных уступами, изобарические сечения которых параллельны оси концентраций. Одновременно поверхности этих уступов, связывающих концентрации водорода в соответствующих фазах, имеют наклон к горизонтальной плоскости, резко уменьшающийся при давлении водорода более 20-25 МПа. В соответствии с диаграммой состояний равновесие в системе Ие-Н возможно только при таких комбинациях температуры и состава, которые соответствуют точкам на поверхности диаграммы. В работе [54] обнаружен скачок растворимости водорода в железе при магнитном превращении в точке Кюри.
Водород в той или иной степени взаимодействует практически со всеми металлами. Это взаимодействие включает в себя ряд взаимосвязанных процессов: физическую адсорбцию, активированную адсорбцию или хемосорбцию, переход атомов газа через поверхность раздела газ — металл, диффузию, растворение и химическое взаимодействие с образованием химических соединений [55, 56]. При проникновении водорода в металл тот или иной процесс, а иногда несколько из указанных выше, могут играть доминирующую роль в зависимости от специфических особенностей металла и изменения его свойств с температурой [57].
Авторами [12] утверждалось, что при медленном охлаждении изделий от температуры азотирования отрицательное влияние продиффундировавшего при насыщении водорода «не будет иметь практического значения», однако, ряд исследований, проведенных другими учеными, несколько видоизменяет взгляд на данный аспект. В данном случае мы говорили о поведении водорода и его влиянии на комплекс свойств стали при температурах от 500 до 20°С, т.е. при температурах охлаждения от «классической» температуры азотирования для большинства легированных инструментальных сталей (в том числе и сталей Х12М и Х12Ф1).
Так, было показано [40], что при температурах ниже 200°С водород проявляет тенденцию выделяться из раствора в форме молекулы Н2 во всех несовершенствах решетки, имеющих объем, достаточный для размещения молекул водорода. Выделение водорода из раствора происходит по границам зерен, на поверхности включений и зародышах трещин, образующихся при слиянии ряда дислокаций.
В крайних случаях это приводит к трещинам, раковинам на поверхности, к снижению пластичности или даже хрупкому разрушению металла. На выделение водорода в молекулярной форме указывают также большие значения растворимости при температурах ниже 200°С, которые