Статьи сотрудников
компании Накал

Исследование влияния атмосферы азота с добавкой метана на обезуглероживание сталей при термической обработке

Многие инструментальные производства нуждаются в недорогой, но эффективной технологии безокислительной и необезуглероживающей чистой закалки. Научно-производственная компания «Накал» поставляет закалочные комплексы, оснащенные системой подачи защитной атмосферы, состоящей из азота ОС-4 (чистотой 99,99%) с добавкой 4,5–5% CH4. Смесь поставляется в 40 л баллонах непосредственно с печью. Защитная атмосфера поступает в жаропрочный ящик, в который загружаются изделия. После продувки ящика с изделиями в течение 10 минут при расходе смеси (N2 + CH4) около 40 л/ч он загружается в печь для нагрева изделий под закалку. В процессе нагрева, выдержки и вплоть до загрузки изделий в закалочную ванну они находятся в защитной атмосфере.

С целью эффективности защитного воздействия атмосферы азота с добавкой метана при термической обработке различных сталей проведено исследование глубины обезуглероживания при нагреве образцов из сталей 40Х, 60С2 и 9ХС при нагреве в воздушной атмосфере и защитной атмосфере N2 + CH4 по одним и тем же температурно-временным параметрам. Термическую обработку образцов проводили в печи ПКМ 3.6.2/11-ЗК (закалочный комплекс для безокислительной закалки). Все образцы для исследования были термообработаны по одинаковому режиму (860°C, 45 мин., закалка в масло) в воздушной атмосфере и при подаче смеси N2 + CH4 в количестве 60 л/ч и 120 л/ч.

Методика исследования

После термообработки на образцах были приготовлены микрошлифы в сечении перпендикулярном поверхности. Микроструктуру металла выявляли травлением в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты.

Изучение микрошлифов проводили на металлографическом микроскопе Нефот-21. Микротвердость образцов измеряли на приборе М-400 фирмы «ЛЕКО» (ФРГ) при нагрузках от 100 г до 1000 г. Глубину обезуглероживания определяли металлографическим (микроскопическим) методом с использованием окуляр-микрометра и методом измерения микротвердости.

Результаты исследования

Типичные фотографии микроструктуры исследованных образцов приведены на рисунке, а результаты измерений глубины обезуглероживания обобщены в таблице.

Сравнение данных, полученных, для трех исследованных сталей при нагреве в воздушной атмосфере показывает, что в образцах всех сталей наблюдаются зоны полного и частичного обезуглероживания. При этом с увеличением содержания углерода в сталях общая глубина обезуглероживания уменьшается от 0,25 мм для стали 40Х до 0,09 мм для стали 9ХC при измерении микроскопическим методом и соответственно от 0,35 до 0,19 мм при измерении методом микротвердости. Метод измерения микротвердости позволяет более точно определить глубину обезуглероживания в закаленных сталях, поскольку градиент содержания углерода практически не влияет на вид микроструктуры в зоне частичного обезуглероживания, но выявляется при измерении твердости. Применение защитной атмосферы N2 + CH4 с расходом 60 л/ч позволяет практически исключить полное обезуглероживание и значительно уменьшает частичное обезуглероживание. Общая глубина обезуглероживания, измеренная методом микротвердости, при этих условиях нагрева уменьшается почти в 2 раза (см. табл.).

При увеличении расхода защитной атмосферы до 120 л/ч глубина обезуглероживания образцов стали 60C2 уменьшается почти в 3 раза (до 0,13 мм), а образцов стали 9ХС – в 6 раз (до 0,03 мм). Полученные результаты позволяют заключить , что использование смеси N2 + CH4 при нагреве сталей с содержанием углерода от 0,4% до 0,9% (конструкционных, рессорно-пружинных и инструментальных) под закалку обеспечивает эффективную защиту от обезуглероживания.

Микроструктура образца из стали 40Х

Микроструктура образца из стали 40Х после термообработки по режиму 860°C, 45 мин., закалка в масло, нагрев в воздушной атмосфере: а – у поверхности; б – в середине; х200.

Марка стали № образца
Режим термической обработки Микроскопическое измерение Измерение методом микротвердости
температура, °C время выдержки, мин. охлаждающая среда расход N2 + 5%CH4, л/ч полное обезугл., мм частичное обезугл., мм общая глубина обезугл., мм общая глубина обезугл., мм
40X 1 860 45 масло 0 0,11 0,14 0,25 0,35
60C2 4 860 45 масло 0 0,05 0,10 0,15 0,33
5 860 45 масло 60 - 0,06 0,06 0,18
5 860 45 масло 120 - 0,06 0,06 0,13
9XC 4 860 45 масло 0 0,07 0,02 0,09 0,19
4 860 45 масло 0 - 0,02 0,02 0,10
4 860 45 масло 0 - >0,01 >0,01 0,03

Результаты измерений глубины обезуглероживания в исследованных образцах металлографическим методом и методом микротвердости

Микроструктура образца из стали 40Х Микроструктура образца из стали 40Х

Микроструктура у поверхности (а – в) и в центре (г) образцов из стали 9ХС после термообработки по режиму 860°C, 45 мин., закалка в масло: а – нагрев в воздушной атмосфере; б – нагрев в атмосфере N2 + 5%CH4 с расходом смеси 60 л/ч, в – нагрев в атмосфере N2 + 5%CH4 с расходом смеси 120 л/ч. На рис. б, в микроструктура у поверхности показана при увеличениях х200 и х500.

Вернуться ко всем статьям