Исследование упрочняющего эффекта при химико-термической обработке дуплексных сталей, легированных редкоземельными металлами и кобальтом

Дуплексные стали — стали, основу микроструктуры которых составляют две фазы, например, дельта-феррит и аустенит, определяющие низкое тепловое расширение и, как следствие, высокую размерную стабильность. Также исследуемая сталь — дисперсионно-твердеющая, что проявляется в упрочнении при выделении ряда интерметаллидов при старении [1]. Дополнительное легирование бериллием и кобальтом увеличивает эффективность дисперсионного твердения [2, 3]. Известно, что у данной группы сталей сильно замедлен массоперенос из-за большой насыщенности матричной фазы легирующими элементами [4]. В данной работе исследовали особенности массопереноса и упрочняющий эффект при различных видов ХТО.

Цель работы — получить данные о структуре и распределении микротвердости в новой дуплексной стали после ХТО, и тем самым оценить упрочняющий эффект.

Исследования проводили на образцах дуплексной ферритно-аустенитной стали системы легирования Cr-Ni-Co-Be, микролегированной редкоземельными металлами (РЗМ).

Объектами исследования служили шлифы, приготовляемые по традиционной методике. Для травления использовали реактив Марбле.

Химико-термическую обработку (ХТО) проводили в универсальной вакуумной установке. Вакуумное азотирование (ВА) проводили в атмосфере аммиака при температуре 540 °С в течение 16 часов при давлении 10 кПа. Вакуумную цементацию (ВЦ) выполняли при температуре 920 °С и давлении 800 Па в течение 2 ч.

Исследования структуры проводили на световом микроскопе OLYMPUS GX51 при увеличении х200. Распределение микротвердости в поперечном сечении измеряли на твердомере Durascan 70 при нагрузке 0,1 кг по методу Виккерса. Измерения выполняли не только в поперечном сечении, но и на поверхности образцов. За результат принимали среднее значение не менее пяти измерений.

Рентгенофазовый анализ выполняли на дифрактометре «ДРОН-4М» в монохроматизированном кобальтовом К–α-излучении в диапазоне значений углов 20… 120°.

По данным микроструктуры образца после насыщения углеродом (рис. 1, а) видно, что максимальная толщина слоя оставляет 0,1 мкм. Результаты распределения микротвердости по сечению образца (рис. 2) показывают, что прирост микротвердости отсутствует, значение микротвердости в слое близко к значению микротвердости сердцевины (440–450 HV_0,1). Согласно данным рентгенофазового анализа (РФА) (табл. 1) после вакуумной цементации обнаружено малое содержание карбидов. Анализ полученных результатов дает возможность сделать предположение о том, что в матричной фазе — d-феррите, очень большое содержание легирующих элементов, из-за которых полностью блокирован массоперенос.

Результаты рентгенофазового исследования после различных видов ХТО

После ВА (рис. 1, б) наблюдается нитридный слой в тонком поверхностном слое толщиной до 0,1 мкм. Азот насыщает дельта-феррит и образуются нитриды, что подтверждает значение микротвердости на поверхности (рис. 2) 1220±40 HV0,01 и результаты РФА (см. таблицу). При этом сильно уменьшается насыщенность d-феррита. Если после ВА провести последующую вакуумную цементацию, то можно получить диффузионный слой толщиной до 80 мкм (рис. 1, в). с максимальной микротвердостью в слое до 900 HV0,1.

На основании вышеизложенного можно сделать выводы об упрочняющем эффекте в новой дуплексной стали после различных видов ХТО.

1. Анализ результатов насыщения образцов углеродом при ВЦ показывает, что из-за большой насыщенности матричной фазы — d-феррита —  диффузионный массоперенос практически отсутствует, как следствие, нет прироста микротвердости. Максимальная толщина слоя составляет 0,1 мм. При этом твердость этого слоя сопоставима с твердостью сердцевины.
2. Данные, полученные после ВА, свидетельствуют об образовании нитридной фазы в поверхностном слое, что подтверждает значение твердости поверхности, равное 1160–1250 HV_0,01 и результаты РФА, как следствие, уменьшается насыщенность матричной фазы.
3. При проведении последующей вакуумной цементации диффузионный слой увеличивается до 80 мкм, микротвердость в слое достигает значения 900 HV_0,1.