Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Выполняли также количественныйанализ карбидных частиц с определением объемной доли карбидной фазыи среднего эквивалентного диаметра частиц. Для количественного анализаиспользовали автоматический анализатор изображений "Квантимет-720" свводом изображений со шлифа через световой микроскоп. Распределениечастиц изучали в поперечном сечении цементованного слоя в поляхшириной 20 мкм между центрами этих полей по всей толщинезаэвтектоидной зоны. По данным физико-химического анализа избыточнаякарбидная фаза цементованного слоя стали 20Х3МВФ-Ш состоит излегированногоцементитаиспециальныхкарбидовхромапреимущественно типа Me7C3 (на основе тригонального карбида хрома[98]), а также Me23C6 и ванадия VC.229В стали 16Х3НВФМБ-Ш карбидная фаза состоит из легированногоцементита и специальных карбидов: на основе карбидов хрома – Ме7C3 (восновном) и Ме23C6; на основе карбидов вольфрама и молибдена – Me2C; атакже карбидов VC и NbC [83].В приповерхностной зоне преобладает легированный цементит,который в микроструктуре цементованного слоя имеет вид глобулярныхвключений размером от 1 до 3 мкм.
Точечные частицы специальныхкарбидов существенно более мелкие. Присутствие специальных карбидовпроявляется и за пределами активной карбидной зоны, но их количество невелико. На расстоянии 0,3 мм от поверхности в цементованном слоетолщиной 1,4 мм количество хромистых карбидов составляет 3,0-3,5 %, акарбидов ванадия – 0,2 % [267].В настоящее время при изучении процессов химико-термическойобработки металлов и сплавов должное внимание уделяется применениюматематического моделирования при изучении образования новых фаз помеханизмам внутреннего и внешнего окисления и азотирования [321].Рассматриваются различные варианты образования новых фаз, которыеклассифицируются как три типовых случая: 1) внешний слой насыщаемогометалла состоит практически только из химических соединений металламатрицы, а соединения легирующего элемента выделяются во внутреннейзоне; 2) внешний слой и дисперсные внутренние выделения образованысоединениями легирующего элемента; 3) во внешнем слое находятсясоединения и матрицы, и легирующего элемента, а во внутренней зоне –соединениялегирующеговозможностьэлемента.предсказыватьПредлагаемыехимическийимоделифазовыйдаютсоставформирующихся в результате проведенного насыщения диффузионныхслоев.Несмотря на то, что цементация остается основополагающимспособомповерхностногоупрочнениядеталеймашин,вопросывнутреннего науглероживания сталей исследованы явно недостаточно.
В230основном это связано с тем, что традиционно цементации подвергаютсянизколегированные стали, в которых развитая карбидная фаза необразуется. В монографии [90] введены понятия внутреннего азотированияI рода, то есть образования частиц во внутренней зоне на основе основногометалла, и внутреннего азотирования II рода или выделения нитридовлегирующихэлементов.Какпредставляется,данныетерминыцелесообразно применять и к окислению, науглероживанию, а такжедругим аналогичным видам диффузионного насыщения. Таким образом,карбидообразование в теплостойких сталях одновременно идет помеханизмам внутреннего науглероживания I и II рода, усложняющимсявозможностью внешнего науглероживания.
Данная проблема по своейсложности не вписывается в изложенную выше классификацию работы[318]. Еще более усложняет задачу описания карбидообразованиядинамическийчередованиихарактервакуумнойкратковременныхцементации,выражающийсяактивныхстадийвподачиуглеродсодержащего газа (с углеродным потенциалом, приближающимсяк 1,0) и пассивных стадий, на которых диффузионный массоперенос черезповерхность металла практически прекращается. На пассивных стадияхвозможно полное или частичное растворение частиц карбидов.Размер карбидных частиц и их объемная доля максимальны наповерхности и уменьшаются по мере удаления от нее. Структурацементованного слоя теплостойкой стали состоит из трех зон.
Нафотографии микроструктуры (рисунок 4.1а) четко выделяется такназываемая активная карбидная зона, в которой преобладают белыеглобулярные частицы легированного цементита. В этой зоне объемнаядоля частиц карбидов размером 1–2 мкм изменяется от 20–25 % вблизиповерхности до 5–8 % на нижней границе этой зоны. Толщина двухфазнойзоны составляет ~ 0,25 мм. За активной зоной расположена область с болеедисперсными (0,3–0,7 мкм) частицами специальных карбидов. Нижняя231граница всей карбидной зоны выявляется не отчетливо.
Ниже этойграницы расположена однофазная мартенситная зона [267].Для кривой распределения твердости, которая находится в хорошейкорреляции с кривой концентрации углерода, также можно выделить триучастка (рисунок 4.1б). Твердость диффузионного слоя на каждом участкеобусловлена аддитивным вкладом присутствующих фаз: легированногомартенсита, цементита и специальных карбидов.Из литературных данных известно, что цементит и специальныекарбиды могут содержать один или несколько легирующих элементов.Me3C – цементит может растворить до 18-20 % Cr и Mn, до 10 % W,до 0,6 % Mo; Nb в нем не растворяется.Карбиды хрома Me7C3 и Me23C6 могут содержать до 20-50 % Fe,3-15 % V.Карбиды типа MeC (VC, NbC) могут растворять до 40 % Mo, до 25 %W, до 30 % Cr, до 10 % Fe.Объемная доля специальных карбидов невелика.
На расстоянии0,3 мм от поверхности, т.е. за пределами активной карбидной зоны,количество хромистых карбидов составляет 3,0-3,5 %, количествокарбидов VC и NbC – около 0,2 %.Нитроцементованный слой (в отличие от цементованного слоя)содержит 0,1-0,3 % азота. Такое количество этого элемента не оказываетзаметного влияния на строение диффузионного слоя. Его микроструктуравыглядит так же, как показано на рисунке 4.1б. Азот в небольшомколичестве растворяется в цементите, образуя азотистый цементитFe3(C,N), а также в специальных карбидах хрома. Кроме того, азотобразует дисперсные частицы нитридов VN, NbN, CrN и Cr2N. Количествонитридов не превышает 1,5 %.
Эти данные физико-химического анализадают основание пренебречь спецификой влияния азота, который являетсяхимическим аналогом углерода.232123а)СС, %HVx, ммб)Рисунок 4.1 – Приповерхностная16Х3НВФМБ-Ш:а)зонамикроструктура;цементованногоб)схемаслоясталираспределенияконцентрации углерода СС и твердости HV (б) (1 – зона легированногоцементита и специальных карбидов; 2 – зона специальных карбидов;3 – твердорастворная зона) [267]При цементации теплостойких сталей большая часть легирующихэлементов перераспределяется из твердого раствора в карбиды. Так, вкарбидной фазе цементованной стали ВКС-5 сосредоточено основноеколичество легирующих элементов: 60–75 % Cr, 70–85 % W, 75–90 % Mo,80–90 % V [13, 83].
Переход легирующих элементов в карбидную фазу233сопровождается обеднением ими твердого раствора. Эта тенденцияпроявляется тем сильнее, чем больше общее количество карбидной фазы,объемная доля которой растет пропорционально концентрации углерода вцементованном слое, как это показано на рисунке 2.14.Согласно [23], в жаропрочных сплавах на основе железа и кобальтавыделение карбидов наблюдается очень часто внутри зерен, в отличие отсплавовнаосновеникеля,вкоторыхкарбидывыделяютсяпреимущественно по границам зерен. Это обстоятельство обуславливаетблагоприятную с точки зрения эксплуатационных свойств глобулярнуюформу карбидов в теплостойких сталях, содержащих не менее 3 % Cr, присоблюдении технологии ХТО вместо сплошной или разорванной сетки приграницам зерен.Указанные выше эксперименты, в соответствии с которыми втеплостойких сталях, легированных 3 % Cr, образуются карбиды на основехромасоответствуютрезультатамтермодинамическихрасчетов,выполненных в работе [322], в соответствии с которыми карбид Cr7C3стабилен в стали при содержании хрома более 3 % и температуре не менее920 °С.
Согласно [323] карбид Cr7C3 образуется при концентрации хромаСCr ≥ 2 %, а карбид Cr23C6 при СCr ≥ 10-11%. Вместе с тем, как указановыше, в теплостойкой стали, содержащей 3 % хрома, после цементациинаряду с карбидом Cr7C3 наблюдался также карбид Cr23C6. Какпредставляется, данный карбид может образовываться на сегрегацияххрома, где концентрация Cr кратно превосходит среднее его содержание вобъеме.Так, в работе [324] после вакуумной нитроцементации притемпературе 860 °С стали, содержащей сильные карбидообразующиеэлементы в количестве 3,12 % хрома, 0,7 % ванадия, 0,45 % вольфрама и0,46%молибденапомассе,обнаружилинарентгеновскихдифрактограммах как карбиды типа Me7C3, так и карбиды Me23C6.Проведеннымисканирующейэлектронноймикроскопиейи234энергодисперсионной спектроскопией обнаружили области, обогащенныехромом и молибденом, соответствующие выделениям указанных карбидов.Такие легирующие элементы как никель и хром, несмотря наблизкие размеры атомов Fe, Cr и Ni, имеют тенденцию к образованию вжелезных сплавах сегрегаций на дефектах кристаллического строения.Вработепо[325]результатаможе-спектроскопическихисследований изломов сталей с различным содержанием никеля (2-3 %масс.), установлено что в результате высокого отпуска при температурах500-580 °С в течение 66 часов закаленной стали выявлены скопленияникеля на границах зерен, в которых концентрация легирующего элементадостигала 30-40 % по массе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
