УДК 621.785.539 ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ТЕРМОДИФФУЗИОННОЙ КАРБОНИТРАЦИИ И СТРУКТУРЫ ДИФФУЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ Р6М5 Канд. техн. наук КУХАРЕВА Н. Г., инж. ПЕТРОВИЧ С. Н., канд. техн. наук ЕАЛЫНСКАЯН. А. Белорусский национальный технический университет Повышение эксплуатационных характери­ стики изделий из инструментальных сталей может быть достигнуто применением поверх­ ностной обработки. В частности, использова­ ние диффузионного карбонитрирования в каче­ стве финишной химико-термической обработки деталей машин, инструмента и технологиче­ ской оснастки позволяет существенно повысить срок их эксплуатации за счет создания на рабо­ чих поверхностях изделий карбонитридного термодиффузионного покрытия [1]. Цель работы - исследование влияния усло­ вий проведения термодиффузионной карбо- нитрации в бесцианистых порошковых средах на механические свойства инструментальных сталей и изучение их взаимосвязи со структу­ рой диффузионных покрытий. Исследования проводились на быстрорежу­ щей стали Р6М5. Состав стали Р6М5: 0,85 % С; 4,0 % Сг; 6,0 % W; 5,0 % Мо; 2,0 % V [2]. Для придания структурной однородности образцы из стали Р6М5 перед диффузионным насыщением подвергали типовой термической обработке: закалка от температуры 1220 °С, охлаждение в масле и трехкратный отпуск при температуре 550 °С. Химико-термическую об­ работку проводили в порошковой среде, кото­ рая содержала уголь, соду ХагСОз и калий же­ лезистосинеродистый К4ре(СХ)б при темпера­ турах 450; 500 и 550 °С в течение шести часов. Металлографические исследования струк­ тур, полученных в результате применения хи­ мико-термической обработки, были выполнены с помощью оптического микроскопа Neop- hot-21. Полированные образцы протравливали в 3%-м растворе азотной кислоты HNO3. Рентгеноструктурный анализ при исследо­ вании фазового состава диффузионных покры­ тий выполнялся на дифрактометре ДРОН-3 с использованием медного излучения СиКц, скорость перемещения счетчика - 1 град./мин. Микрорентгеноспектральный анализ осуществ­ лялся с помощью установки Camebax фирмы Сашеса. Количественный стереологический Вестник БИТУ, № 4, 2009 25 Металлургия. Металлообработка. Машиностроение анализ карбонитридов проводился на аттесто­ ванном автоматическом анализаторе изображе­ ния Mini-Magiscan фирмы Joyce Loebl, Англия, по программе Genias 26. Объекты распределя­ лись по параметру средний габарит на 10 ин­ тервалов от минимального до максимального значения. Замеры микротвердости выполняли на микротвердомере ПМТ-3 с прилагаемой нагрузкой 0,5 Н. Определение сопротивления износу производили с использованием трехвал­ кового метода с применением удельной нагруз­ ки 50 и 400 МПа. Скорость износа составляла 0,56 м/с, время испытаний - 100 мин, смазка осуществлялась с использованием масла марки SAE30, подаваемого со скоростью 30 кап./мин. Фазовый состав карбонитридных покрытий на стали Р6М5 изучен в ранее проведенных ис­ следованиях и описан в [3]. Из анализа микроструктур диффузионных слоев (рис. 1) следует, что количество, форма и характер распределения карбонитридных включений в слоях, полученных при различных температурах обработки, отличаются. Увели­ чение температуры проведения процесса насыщения приводит к получению диффузион­ ных слоев с большим количеством карбидных и карбонитридных включений, имеющих меньшие размеры и более округлую форму. Проведенный количественный микрорент- геноспектральный анализ (рис. 2-4) показал. что 8-карбонитрид, являющийся основной фа­ зой диффузионного слоя, легирован молибде­ ном, вольфрамом, ванадием и хромом. Хром является основным легирующим элементом 8-карбонитрида, повышает его стабильность, твердость и износостойкость. Как известно [3, 4], хром в стали Р6М5 равномерно перерас­ пределяется между структурными составляю­ щими, т. е. 50 % от его содержания в стали находится в карбидной фазе, причем не в спе­ циальных карбидах хрома, а в качестве леги­ рующего элемента в цементите, и 50 % хрома - в а-фазе. 8-карбонитрид образуется как на базе а-фазы, так и РезС, наследуя атомы хрома с их равномерным распределением в структуре. На рис. 2-А это выявляется почти прямой линией. Установлено, что увеличение температуры насыщения не сказывается на распределении хрома в диффузионном слое. При этом увели­ чение температуры насыщения приводит к снижению количества вольфрама в диффузи­ онном слое и незначительному уменьшению количества молибдена (рис. 4). В работе проведен количественный стерео- логический анализ, позволивший выявить ко­ личественное соотношение мелких и крупных частиц* в слое в зависимости от температуры проведения процесса насыщения. х250 х250 х250 х2000 хЮ ОО хЮ ОО 26 Вестник БНТУ, № 4, 2009 Металлургия. Металлообработка. Машиноспроение Рис. 1. Микроструктура карбонитридного слоя на стали Р6М5: а - температура насыщения составляет 450 °С, время - 6 ч; б - 500 °С, 6 ч; в - 550 °С, 6 ч fio Mo Рис. 2. Распределение элементов по толщине диффузионного С.110 при Гнас = 450 ‘’С Карбидные, нитридные и карбонитридные включения, присутствующие в слое, в дальнейшем именуются частицами. В результате проведенного ана­ лиза были обечитаны крупные (от 0-0,5 до 4,5-5,о мкм) и мелкие (от 0-0,1 до 0,9-1,о мкм) чаетицы, обна­ руженные в диффузионном елое. Для удобетва обозначения разме­ ров чаетиц введена клаееификация их по клаееам. Для крупных карбидов и карбо- нрпридов: 1-му клаееу еоответствуют чаетицы размерами 0-0,5 мкм; 2-му - 0,5-1,0; 3-му- 1,0-1,5; 4-му- 1,5-2,0; 5-му - 2,0-2,5; 6-му - 2,5-3,0; 7-му - 3,0-3,5; 8-му - 3,5^,0; 9-му - 4,0^,5; 10-му - 4,5-5,о мкм. Для мелких карбидов и карбо- нитридов: 1-му клаееу еоответству­ ют частицы размерами 0-0,1 мкм; 2-му - о,1-0,2; 3-му - 0,2-0,3; 4-му - 0,3-0,4; 5-му- 0,4-0,5; 6-му- 0,5-0,6; 7-му - 0,6-0,7; 8-му - 0,7-0,8; 9-му - о,8-0,9; 10-му- 0,9-1,0 мкм. На рис. 5 представлены гисто­ граммы распределения объектов по среднему габариту. Из гистограмм видно, что с уве­ личением температуры процесса карбонитрации до 550 °С возрастает общее количество карбидных и кар- бонитридных частиц, при этом уве­ личивается количество мелких ча­ стиц в диффузионном слое. Исследования по изучению влия­ ния условий проведения термодиф­ фузионной карбонитрации на твер­ дость покрытий, формирующихся на стали Р6М5, показали, что характер хода кривых изменения микротвер­ дости по глубине слоя при различ­ ных температурах термодиффузион­ ной обработки не меняется. Как вид­ но из рис. 6, максимальные значения микротвердость карбонрпридного слоя на стали Р6М5 имеет в поверхностных зонах слоя, затем плавно уменьшается Вестник БИТУ, № 4, /о / /э Сг V w Мо Fe Рис. 4. Распределение элементов по толщине диффузионного слоя при Гнас = 550 ‘’С Металлургия. Металлообработка. Машиностроение от поверхности в глубь образца до твердости сердцевины, соответствую­ щей 8300 МПа при всех исследуемых темпера­ турах обработки. Увеличение температуры проведения процесса карбонитрации позволяет повысить поверхностную твердость от 10050- 11450 МПа при 450 “С до 13400-15250 МПа при 550 °С и протяженность зоны повышенной твердости от 80 до 120 мкм. 140 нн 120 кS80VD О 60 40 20 У 79 М . 37 0 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Классы мелких частиц = 450 °С;х = 6 ч Классы крупных частиц т„ Классы мелких частиц = 500 °С;х = 6 ч стойкости на образцах, прошедших процесс обработки при более низкой температуре. Не­ смотря на то, что в данном случае в карбо- нитридном слое содержится наименьшее коли­ чество мелкодисперсных карбидов и карбонит- ридов и слой обладает наименьшей микро­ твердостью, эксплуатационная стойкость дан­ ных покрытий максимальная. Это заключение подтверждено промышленными испытаниями, проведенными на ОАО «ТАиМ», резьбонарез­ ного инструмента. Наилучшие результаты по­ казали метчики, подвергнутые карбонитрации при 450 °С. 40 120 160 f t и Г 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Классы крупных частиц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Классы мелких частиц = 550 °С;х = 6 ч Рис. 5. Гистограммы распределения частиц по дисперсно­ сти в зависимости от температуры обработки В результате проведения процесса низко­ температурной карбонитрации износостойкость быстрорежущей стали может быть повышена в 1,2 раза. Как видно из рис. 7, наилучшие ре­ зультаты по износостойкости исследуемых по­ крытий получены на образцах, карбонитриро- ванных при температурах 450-500 °С, причем ужесточение режима испытаний еще больше подчеркивает тенденцию улучшения износо- Рис. 6. Распределение микротвердости по толщине кар- бонитридного слоя на стали Р6М5: а - = 450 °С; б - 500 °С; в - 550 °С Приведенные результаты исследований поз­ воляют предположить, что определяющее вли­ яние на износостойкость карбонитридных по­ крытий, полученных на стали Р6М5 из порош­ ковых бесцианистых сред, оказывает хи­ мический и структурный состав покрытий. А именно при увеличении температуры карбо­ 28 Вестник БИТУ, № 4, 2009 Металлургия. Металлообработка. Машиностроение нитрации от 450 до 550 °С в диффузионном слое происходит перераспределение легирую­ щих элементов - уменьшается количество вольфрама и молибдена (рис. 4). Кроме этого, при повышении температуры насыщения уве­ личивается толщина хрупкой поверхностной оксикарбидной зоны слоя, которая в процессе эксплуатации скалывается и, играя роль абра­ зива, вносит дополнительное разрушающее воздействие. Рис. 7. Зависимость интенсивности линейного износа быстрорежущей Р6М5 от времени испытаний: а - нагруз­ ка 50 МПа; б - 400 МПа; 1 - карбонитрированная сталь Р6М5 = 450 °С); 2 - то же (500 °С); 3 - то же (550 °С); 4 - термообработанная сталь Р6М5 В Ы В О Д Ы 1. Проведение процесса низкотемператур­ ной карбонитрации инструментальной стали Р6М5 при температуре 450-550 °С в бесциани- стых порошковых средах позволяет получить диффузионные слои, содержащие карбиды и кар- бонитриды с микротвердостью от 10050-11450 до 13400-15250 МПа и протяженностью зоны повышенной твердости от 80 до 120 мкм. Мак­ симальной микротвердостью обладают слои, в которых превалируют мелкие карбиды и кар- бонитриды, имеющие шаровидную форму, что характерно для слоев, полученных при 550 °С. 2. Наилучшие результаты по износостойко­ сти получены на образцах из стали Р6М5, карбонитрированных при температуре 450 °С. Определяющее влияние на износостойкость карбонитридных покрытий на стали Р6М5 ока­ зывает химический и структурный состав по­ крытий: при увеличении температуры карбо­ нитрации от 450 до 550 °С в диффузионном слое происходит перераспределение легирую­ щих элементов стали - уменьшается количе­ ство вольфрама и молибдена, а также увеличи­ вается толщина хрупкой поверхностной окси­ карбидной зоны слоя. Эта зона в процессе экс­ плуатации скалывается и, выполняя роль абра­ зива, вносит дополнительное разрушающее воздействие. 3. Изучение влияния структурного состава диффузионных карбонитридных слоев на меха­ нические свойства стали Р6М5 показало отсут­ ствие корреляции между количеством мелко­ дисперсных частиц в диффузионных слоях и их твердостью и износостойкостью. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Прокошкин, Д. А. Химико-термическая обработка металлов - карбонитрация / Д. А. Прокошкин. - М.: Ме­ таллургия. Машиностроение, 1984. -240 с. 2. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин [и др.]; под общ. ред. В. Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989.-640 с. 3. Кухарева, Н. Г. Структура и свойства диффузион­ ных покрытий на быстрорежущих и нержавеющих ста­ лях / Н. Г. Кухарева, Т. Бабуль, Я. Сенаторский // Метал­ лообработка. - 2002. - № 1 (7). - С. 21-24. 4. Минкевич, А Н . / / Металловедение и термическая обработка металлов. - 1968. -№ 10. - С. 11-16. Поступила 20.01.2009 Вестник БИТУ, № 4, 2009 29