НАУКОЁМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ: ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ СКВОЗНОЕ АЗОТИРОВАНИЕ ЖАРОСТОЙКОЙ СТАЛИ

Актуальность проводимого исследования обусловлена ужесточением условий работы изделий высокотемпературного применения из листовых жаростойких сплавов, к которым относятся, в частности, аустенитные хромоникелевые стали. При работе стальных деталей под нагрузкой в окислительной атмосфере и агрессивных средах наряду со стойкостью к электрохимической и газовой коррозии от них требуется повышенная прочность, твердость, жаропрочность. Повышение характеристик указанных свойств достигается методами объемного и поверхностного упрочнения, к числу которых относится процесс азотирования. Применение традиционных технологий печного газового азотирования к хромоникелевым сталям сталкивается с проблемами: низкая скорость процесса насыщения азотом, что существенно увеличивает время процесса, и образование нитридов хрома, что негативно сказывается на коррозионной стойкости и жаростойкости. Разработка новых технологий азотирования высоколегированных хромосодержащих сталей ведется в направлении интенсификации процесса насыщения и регулирования фазового состава азотированного слоя для минимизации образования нитридов хрома. В настоящей работе поставлена цель определить рациональные технологические варианты и режимы высокотемпературного газового азотирования аустенитной стали, позволяющие повысить прочностные характеристики при комнатной и повышенных темпера-турах с сохранением ее жаростойкости. Термодинамическое моделирование фазового состава на основе CALPHAD-метода показало, что основными мерами по минимизации выделения нитридов хрома на азотированной поверхности являются увеличение концентрации титана в стали и снижение активности насыщающей газовой атмосферы, что достигается разбавлением азота инертным газом. Экспериментальные исследования проводились на листовых образцах 1,5 мм толщины стали аустенитного класса типа Х18Н10Т со стандартным (0,5%Ti) и повышенным (1%Ti) содержанием титана. Эксперименты проводили на лабораторной установке для высокотемпературного азотирования (900…1200 ℃); в качестве насыщающих сред использовали чистый азот и смеси азота с аргоном. Исследовали также двухступенчатые процессы, состоящие из азотирования в азоте с последующим отжигом в аргоне. Металлографическим анализом установлено, что при одной и той же температуре азотирования количество нитридов хрома снижается в экспериментальной стали с увеличенным содержанием титана, а разбавление азота аргоном снижает температуру выделения нитридов хрома. По исследованию кинетики процесса насыщения определено время сквозного азотирования листового образца при разных режимах насыщения, а также продолжительность деазотирующего отжига, рассчитанная на основании известной толщины зоны нитридов хрома. Установлено, что дисперсионное упрочнение зон внутреннего азотирования нитридами титана приводит к увеличению прочностных характеристик сталей как при комнатной, так и при повышенных температурах по сравнению с характеристиками базовой стали 08Х18Н10Т после типовой термообработки, при этом наибольший эффект упрочнения достигается при сквозном азотировании стали с 1%Ti. Рекомендованы варианты процессов сквозного азотирования 1,5 мм листа экспериментальной стали: tаз=1050 ℃, N2, 16 ч; tаз=1100 ℃, 50%N2 + 50%Ar, 22 ч; tаз=1100 ℃, N2, 5 ч + tотж=1200 ℃, Ar, 9 ч. Временное сопротивление разрыву азотированной стали при комнатной температуре повышается на 45…50 %, а при испытаниях при 800 ℃ – на 40…65% в зависимости от режима процесса. Сквозное азотирование позволяет поднять рабочую температуру сталей на 100…150 ℃ с обеспечением такой же длительной прочности. Жаростойкость при 900 ℃ сохраняется на уровне неазотированной стали после двухступенчатых процессов, обеспечивающих максимальное удаление с поверхности нитридов хрома на стадии отжига.