Повышение эксплуатационных характеристик стали 08Х18Н10Т различными видами химико-термической обработки

Язык труда и переводы:
УДК:
621.785.539
Дата публикации:
22 сентября 2021, 14:26
Категория:
А8. Материаловедение
Авторы
Аннотация:
Исследовано влияние двух технологий химико-термической обработки: высокотемпературного жидкостного борирования и карбонитрации на структуру, твердость, микрохрупкость и коррозионную стойкость стали 08Х18Н10Т. Установлено, что в процессе борирования при температуре 950 °C и длительности 5 ч на поверхности стали формируется боридное покрытие толщиной 44 мкм, с толщиной фазы FeB 28 мкм и Fe2B 12 мкм. В процессе карбонитрации при температуре 580 °С в течение 1,5 ч формируется 4-фазная микроструктура, общей толщиной 55…60 мкм. Анализ микрохрупкости показал, что боридные слои намного хрупче, чем карбонитридные, которые обладают большим запасом пластичности. Кроме комплекса металлографических исследований, в работе проведены испытания на коррозионную стойкость в трех средах, которые установили, что боридные слои сохраняют ее практически на том же уровне, тогда как карбонитридные слои разрушаются в соляной кислоте.
Ключевые слова:
борирование, карбонитрация, коррозионная стойкость, микротвердость боридных слоев, микротвердость карбонитридных слоев, микрохрупкость, аустенитные стали
Основной текст труда

Нержавеющая сталь 08Х18Н10Т нашла свое широкое применение во многих областях промышленности, особенно в пищевой и химической. Высокое содержание хрома и никеля придают данной стали отличные коррозионные свойства как в основных кислотах, так и в щелочах.

Однако несмотря на широкой спектр применения  стали 08Х18Н10Т, он ограничивается деталями, где требуется повышенная твердость. Аустенитная структура данной стали не позволяет получить достаточную твердость. Применение методов химико-термической обработки позволит повысить поверхностную твердость, тем самым расширить область применения стали 08Х18Н10Т.

Основные методы поверхностного упрочнения, такие как цементация и нитроцементация, не подходят для использования, так как снижают коррозионные свойства. Однако существуют технологии, позволяющие повысить поверхностную твердость при этом сохранив коррозионные свойства стали 08Х18Н10Т.

Известно, что технология карбонитрации повышает поверхностную твердость стали 08Х18Н10Т, но опыт применения данной технологии с точки зрения повышения коррозионной стойкости рассматривался недостаточно. Технология борирования также повышает поверхностную твердость стали 08Х18Н10Т, однако коррозионные свойства в различных средах также мало описывались. Основным отличием данных технологий является температура процесса, так, процесс карбонитрации для этой стали проводится при температурах от 580 до 620 °С, а процесс борирования от 900 до 1000 °С. Это связано со сложность диффузии бора в сильнолегированную сталь, так как его энергия активации намного ниже, чем у азота.

Существует огромное количество диффузионных методов получения карбонитридных и боридных покрытий, но в настоящей статье рассмотрен наиболее эффективный метод  для деталей сложной формы — жидкостной. Следовательно, цель статьи — провести анализ и подбор технологии упрочнения для деталей пищевой и химической промышленности, изготавливаемых из стали 08Х18Н10Т, позволяющей повысить поверхностную твердость, при этом сохранив коррозионную стойкость в требуемой агрессивной среде.

Материалы и методы исследования

Материалом для исследования выбраны образцы из стали 08Х18Н10Т размерами 10×10×50 мм. Процесс жидкостной карбонитрации проводился в солях на основе KCNO + K2CO3 соединений при температуре 580 °С 1,5 ч. Процесс борирования проводился в расплаве на основе солей и тетрабората натрия при температуре 900 °С в течение 5 ч.

Измерение микротвердости и исследование микроструктуры проводились на приборе DuraScan 20 по шкале Виккерса. Микрошлифы изготавливали по традиционной методике. Для выявления микроструктуры образца травление проводилось в растворе реактиве Марбле на спиртовой основе. Затем шлиф быстро промывался водой и высушивался фильтровальной бумагой.

Фактор хрупкости оценивали в зависимости не только от числа отпечатков с трещинами или от числа трещин у отпечатка, но и от их характера, а средний балл хрупкости,  выставляли  по пятибалльной шкале (табл. 1) [1].

Таблица 1

Шкала среднего балла хрупкости

Средний бал хрупкости

Характер отпечатка

0

Отпечаток без видимых трещин и сколов

1

Одна необольшая трещина в углу отпечатка

2

Одна трещина, не совпадающая с продолжением диагонали отпечатка. Две трещины в смежных углах отпечатка

3

Две трещины в противоположных углах отпечатка. Три трещины в разных углах отпечатка. Скол с одной стороны отпечатка

4

Больше трех трещин. Скол с двух сторон отпечатка

5

Полное разрушение формы отпечатков

Суммарный балл хрупкости определяли по формуле

Z_{p}=0\cdot n_{0}+1\cdot n_{1}+2\cdot n_{2}+3\cdot n_{3}+4\cdot n_{4}+5\cdot n_{5},

где n0, n1, n2, n3, n4, n5  — относительные количества отпечатков из их общего числа с данным баллом хрупкости.

Для того чтобы учесть темп нарастания хрупкого разрушения материала с ростом нагрузки P, рассчитывают отношение приращения суммарного балла хрупкости к приращению нагрузки по формуле

{\frac {\Delta Z}{\Delta P}}=\left({\frac {\partial Z}{\partial P}}\right)_{P},

где \Delta Z — приращение суммарного балла хрупкости; \Delta P — приращение нагрузки; \left({\frac {\partial Z}{\partial P}}\right)   — тип изменения хрупкости; Р — рост нагрузки.

Показателем хрупкости материала, отражающим характер хрупкого разрушения и темп нарастания его с увеличением нагрузки, считается произведение суммарного балла хрупкости на величину его производной по нагрузке. Показатель хрупкости определяли по формуле

\gamma _{\mathrm {P} }=Z_{p}\left({\frac {\partial Z}{\partial P}}\right)_{P},

где \gamma _{\mathrm {P} } — показатель хрупкости; Zp — суммарный балл хрупкости.

Испытания на коррозионную стойкость проводились при температуре 50 °С в трех средах с выдержкой 96 ч:

  • 10 % водный раствор NaCl;
  • 10 % водный раствор HCl;
  • 10 % водный раствор NaOH.

Образцы из стали 08Х18Н10Т  после борирования и карбонитрации сравнивались с контрольными образцами без обработки. Испытания проводились в термостатической водяной бане WiseBath Fuzzy Control System WMB-306. Перед испытаниями образцы взвешивались с точностью 0,0001 г. Коррозионную стойкость оценивали по убыли массы образца после испытаний по сравнению с исходными [2].

Результаты исследования

В результате такой обработки получены следующие микроструктуры (рис. 1).

Рис. 1. Микроструктуры стали 08Х18Н10Т после бронирования (а) и карбонитрации (б)

При борировании при температуре 900 °С с выдержкой 5 ч на стали 08Х18Н10Т получен двухфазный слой, состоящий из фаз FeB и Fe2B, а также присутствует обедненная по хрому переходная зона. Причем соотношение боридных фаз не совсем одинаково. Так, глубина  фазы FeB составила 32 мкм, фазы Fe2B — 12 мкм.  Вероятно, это связано с тем, что высокое содержание никеля снижает растворимость хрома, из-за чего возрастает его концентрация в переходной зоне и образуется прослойка мелких боридов. От этого рост фазы Fe2B замедляется, а так как разница градиента концентраций между расплавом и поверхностью остается, растет именно высокобористая фаза FeB [3]. Помимо упомянутых боридов FeB и Fe2B в стали с таким количеством легирующих элементов в составе должны присутствовать бориды легирующих элементов, например, Cr и Ni, а также сложные бориды железа и легирующих элементов Fe(Cr,Ni)B [4]. Граница боридного слоя достаточно четкая и оптически наблюдается даже без травления. При травлении раствором реактива Марбле проявляется переходная зона толщиной 10 мкм. Следует отметить, что отсутствует игольчатое строение боридного слоя, граница ровная, как фазы FeB, так и фазы Fe2B.

После карбонитрации при температуре 580 °С в течение 3 ч образуется карбонитридный слой толщиной 55…60 мкм, состоящий из нескольких зон. На поверхности образца после карбонитрации присутствует слой черного цвета толщиной 5…10 мкм (см. рис. 1), предполагается, что это гематит, то есть  оксид железа Fe2O3. За ним следует вторая зона толщиной 15…20 мкм, которая, согласно  [5], состоит из кислорода и азота в процентном соотношении примерно 15…19 %  и 9…10 % соответственно, имеющая шпинельную структуру, которая после травления раствором реактива Марбле также становится черной. Далее следует зона толщиной 25…30 мкм, состоящая из смеси: фазы, имеющей шпинельную структуру и γ-фазы твердого раствора. Концентрации кислорода и азота здесь изменились и составляют 3…5 и 8 % соответственно. Внутренняя зона соответствует г.ц.к. решетке с соотношением кислорода и азота — 0,05 и 0,5 % соответственно. В отличие от карбонитрации конструкционных сталей, где для придания коррозионных свойств после карбонитрации проводится оксидирование в расплаве щелочей [6], в аустенитных сталях легирующие элементы (хром, марганец, никель) проявляют высокую активность не только к углероду и азоту, но и к кислороду. Это создает благоприятные условия для комплексного легирования поверхности стали атомами внедрения; кислородом, азотом, углеродом и для образования в диффузионной зоне новой оксикарбонитридной фазы (Fe, Ni, Мn, Cr, Ti)3(O, N, С)4.

Микротвердость в боридном слое составила 2200 НV0,1 в фазе FeB и  1900 Fe2B НV0,1 (рис. 2).

Рис. 2. Микротвердость боридных (а) и карбонитридных (б) слоев

Причем стоит заметить высокую хрупкость слоя. В результате приведенного анализа отпечатков микротвердости можно  сделать вывод, что боридный слой после обработки при температуре 900 °С в течение 5 ч показывает высокую хрупкость и ее показатель 23,3 (табл. 2).

Таблица 2

Результаты исследования микрохрупкости боридного слоя

Суммарный балл хрупкости Zp, г

Тип изменения хрупкости

\left({\frac {\partial Z}{\partial P}}\right)_{P}

\left({\frac {\partial Z}{\partial P}}\right)_{P}

Показатель хрупкости

\gamma _{\mathrm {P} }

\gamma _{\mathrm {P} }

50

100

25

39

0,93

23,3

 

 

На карбонитрированном образце распределение микротвердости по глубине диффузионной зоны идет ступенчато (см. рис. 2). Наружный край слоя гетерофазной структуры на стали 08Х18Н10Т имеет твердость НV0,05 1500, на внутренней границе твердость снижается до НV0,05 1200. На границе гетерофазного слоя и слоя твердого раствора наблюдается уменьшение показаний твердости до уровня НV0,05 500 и далее идет постепенное снижение до НV0,05  230, что соответствует свойствам основы металла. Анализ показателя темпа изменения хрупкости и показатель хрупкости карбонитрированных образцов приведен в табл. 3.

Таблица 3

Результаты исследования микрохрупкости карбонитридных слоев

Суммарный балл хрупкости Zp, г

Тип изменения хрупкости

\left({\frac {\partial Z}{\partial P}}\right)_{P}

\left({\frac {\partial Z}{\partial P}}\right)_{P}

Показатель хрупкости \gamma _{\mathrm {P} }

\gamma _{\mathrm {P} }

50

100

12

22

0,2

2,4

 

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что боридные слои очень хрупкие, и показатель хрупкости в 10 раз выше, по сравнению с карбонитридными. Вероятно, это связано с высокой твердостью самого боридного слоя  и его морфологией. Известно, что карбонитридные слои более пластичны ввиду своего фазового состава, тогда как бориды железа FeB и Fe2B имеют запас пластичности на порядок ниже.

Помимо твердостных характеристик для промышленности, как сказано ранее, остается важным сохранение коррозионной стойкости, поэтому проведены испытания в 10 % солевом растворе, 10 % растворе соляной кислоты и 10 % растворе NaOH с выдержкой 96 ч. Испытания проводились на образцах после борирования при температуре 900 °С с выдержкой 5 ч, на образцах без обработки и на образцах после карбонитрации при температуре 580 °С с выдержкой 1,5 ч (рис. 3).

Рис. 3. Результаты испытаний на коррозийную стойкость образцов из стали 08Х18Н10Т

Полученные результаты коррозионных испытаний свидетельствуют о том, что боридные слои не ухудшают коррозионные свойства стали 08Х18Н10Т, а сохраняют их практически на том же уровне, в 10 % растворе NaOH и в 10 % растворе соли, однако на порядок повышают коррозионную стойкость в 10 % растворе соляной кислоты.

Несмотря на высокую коррозионную стойкость карбонитрированных образцов в 10 % солевом растворе и 10 % растворе NaOH, в соляной кислоте коррозионная стойкость на порядок ниже чем у образцов без обработки, вероятно, это связано с тем, что хром «связывается» в карбонитриды, тем самым снижая коррозионную стойкость стали 08Х18Н10Т.

Заключение

Резюмируя полученные результаты, можно утверждать, что в зависимости от условий эксплуатации деталей из стали 08Х18Н10Т необходимо подбирать ту или иную технологию обработки. В случае использовании деталей, которые подвержены пусть и небольшим, но изгибным нагрузкам, боридные слои из-за своей хрупкости совершенно не подходят. Однако в случае статической работы деталей, например плунжера или штока, работающих в агрессивных средах, описанная в работе технология борирования оптимально  подойдет и повысит ресурс работы таких деталей. Помимо коррозионной стойкости, данная технология повышает и поверхностную твердость.

Однако для деталей, претерпевающих изгибные нагрузки небольшой величины, требуется технология с запасом пластичности фаз намного выше чем у боридных слоев, например, шестерни с малым модулем зуба. Именно для таких деталей подойдет технология карбонитрации, повышающая, помимо поверхностной твердости, еще и коррозионную стойкость в солевых и щелочных растворах.

Литература
  1. Глазов В.М., Вигдорович В.Н. Микротвердость металлов и полупроводников. М.: Металлургия, 1969. 216 с.
  2. ГОСТ 9.908–85. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости. М.: Издательство стандартов, 1985. 17 с.
  3. Козлов А.М. Исследование влияния хрома и никеля на борируемость нержавеющих сталей и разработка технологии их борирования: дисс. ... канд. техн. наук. М., 1977. 172 с.
  4. Крукович М.Г., Прусаков Б.А., Сизов И.Г. Пластичность борированных слоев. М.: Физматлит, 2010. 384 с.
  5. Прокошкин Д.А. Химико-термическая обработка металлов — карбонитрация. М.: Металлургия; Машиностроение, 1984. 240 с.
  6. Цих С.Г., Красуля А.А. Карбонитрация в машиностроении // РИТМ Машиностроения. 2018. № 6. С. 28–31.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.