Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Москва, Россия

Л. Г. Петрова, заведующая кафедрой «Технология конструкционных материалов», докт. техн. наук, профессор
И. С. Белашова, профессор кафедры «Технология конструкционных материалов», докт. техн. наук, профессор

Вятский государственный университет, Киров, Россия:
О. Б. Лисовская, заведующая кафедрой «Материаловедение и основы конструирования», канд. техн. наук, доцент
Е. А. Маринин, доцент кафедры «Информационные технологии в машиностроении», канд. техн. наук, эл. почта: e.marrini@gmail.com

Рассмотрены термоциклические процессы химико-термической обработки армко-железа. Режимы азотирования предусматривают чередование низкотемпературных циклов насыщения азотом в проточном аммиаке с высокотемпературными циклами деазотирования, при которых происходит внутренняя объемная диффузия азота вследствие рассасывания высокоазотистых фаз нитридной зоны. Показано, что путем изменения длительности циклов можно регулировать фазовый состав и структуру азотированного слоя. В результате термоциклирования толщина азотированного слоя в армко-железе увеличивается в 3 раза по сравнению с толщиной слоя, полученного после традиционного азотирования при одинаковой длительности процесса (6 ч). Установлено, что ε-нитрид на поверхности образцов практически полностью исчезает при продолжительности высокотемпературного цикла деазотирования свыше 1,5 ч. Для его восстановления предложен комбинированный процесс, включающий проведение дополнительной стадии азотирования после термоциклического процесса. Установлено, что при проведении заключительной стадии насыщения в аммиаке в течение 0,5 ч на поверхности снова достаточно быстро формируется нитридная зона. Эксперименты показали, что толщина нитридной зоны после термоциклического азотирования и комбинированного процесса меньше, чем после обычного азотирования. При малой длительности циклов насыщения и внутренней объемной диффузии процесс азотирования превалирует над процессом деазотирования, и нитридная зона не успевает рассасываться. При большой длительности циклов процесс внутренней объемной диффузии протекает более интенсивно, чем насыщение азотом на стадии азотирования, что позволяет получать слои на базе α-твердого раствора. Предложен комбинированный процесс термоциклического азотирования с дополнительным завершением в аммиаке, который позволяет восстанавливать на деазотированной поверхности слой высокоазотистой ε-фазы, обладающей твердостью и коррозионной стойкостью.

Материал подготовлен в рамках научных исследований по проекту № FSFM-2020-0011 (2019-1342), экспериментальные исследования проведены с использованием оборудования центра коллективного пользования МАДИ.

1. Петрова Л. Г., Сергеева А. С. Контроль фазового состава аустенитных сталей при поверхностном упрочнении методом высокотемпературного азотирования // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. № 6 (108). С. 3–11.
2. Bin Liu, Bo Wang, Xudong Yang, Xingfeng Zhao et al. Thermal fatigue evaluation of AISI H13 steels surface modified by gas nitriding with preand post-shot peening // Applied Surface Science. 2019. Vol. 483. P. 45–51. DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.03.291
3. Лахтин Ю. М., Коган Я. Д., Шпис Г.-Й., Бемер З. Теория и технология азотирования. — М. : Металлургия, 1991. — 320 с.

4. Шестопалова Л. П., Александров В. А. Влияние циклического оксиазотирования на технические характеристики конструкционных легированных сталей // Упрочняющие технологии и покрытия. 2018. Т. 14. № 5 (161). С. 220–224.
5. Петрова Л. Г., Александров В. А., Демин П. Е., Сергеева А. С. Интенсификация процессов химико-термической обработки сталей : монография. — Москва : МАДИ, 2019. — 160 с.
6. Прокофьев М. В., Петрова Л. Г., Белашова И. С., Бибиков П. С. Влияние стадийного азотирования на строение и свойства мартенситной стали 13Х11Н2В2МФ // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. № 12 (126). С. 12–19.
7. Гурьев А. М., Ворошнин Л. Г., Хараев Ю. П. Термоциклическое и химико-термоциклическое упрочнение сталей // Ползуновский вестник. Часть 2. 2005. № 2. С. 36–44.
8. Трусова Е. В. Особенности процесса химико-термической обработки с использованием термоциклирования стали // Auditorium. 2017. № 1 (13). С. 122–124.
9. Hongyu Shen, Liang Wang. Influence of temperature and duration on the nitriding behavior of 40Cr low alloy steel in mixture of NH3 and N2 // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 378. 124953. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.124953
10. Lakshmi Deepak Tadepalli, Ananda Mithra Gosala, Lokesh Kondamuru, Sai Chandra Bairi et al. A review on effects of nitriding of AISI409 ferritic stainless steel // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 26, Iss. 2. P. 1014–1020. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.01.299
11. Михальский Е., Воловец-Корецкая Э. Исследование параметров процессов азотирования. Часть I // Металловедение и термическая обработка металлов. 2019. № 3 (765). С. 44–52.
12. Белашова И. С., Петрова Л. Г., Сергеева А. С. Интенсификация процесса насыщения железа азотом методом термогазоциклического азотирования // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2017. № 9. С. 2–9.
13. Михальский Е., Воловец-Корецкая Э. Исследование параметров процессов азотирования. Часть II // Металловедение и термическая обработка металлов. 2019. № 6 (768). С. 21–29.
14. Кеддам М., Юрчи П. Интегральная диффузионная модель кинетики роста нитридного слоя при газовом азотировании армко-железа // Металловедение и термическая обработка металлов. 2021. № 3 (789). С. 36–44.
15. Toboła D., Kania B. Phase composition and stress state in the surface layers of burnished and gas nitrided Sverker 21 and Vanadis 6 tool steels // Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 353. P. 105–115. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.08.055
16. Gronostajski Z., Widomski P., Kaszuba M., Zwierzchowski M. et al. Influence of the phase structure of nitrides and properties of nitrided layers on the durability of tools applied in hot forging processes // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 52. P. 247–262. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.01.037
17. Arun Prasad M., Dharmalingam G., Salunkhe S. Microstructural evaluation of gas nitrided AISI 316 LN austenitic stainless steel // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 68, Iss. 6. P. 1887–1890. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.08.060