ПРОЦЕСС НАСЫЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ УГЛЕРОДОМ И АЗОТОМ ПРИ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ И ИХ ПОСЛЕДУЮЩАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 667 ПРОЦЕСС НАСЫЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ УГЛЕРОДОМ И АЗОТОМ ПРИ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ И ИХ ПОСЛЕДУЮЩАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА 1Нормуродов У.Э., 2Шербутаев Ж.А., 3Тилабов Б.К., 3Баходиров Б.Б. д.ф.т.н (PhD) и.о. доцента и 2ст. преп-ль ТашГТУ, 3зав. кафедрой «Материаловедение и СИТ» и студент бакалавр 2-курса СБУ МИПТК https://doi.org/10.5281/zenodo.17815177 Аннотация. В данной статье рассмотрены результаты исследований, литых ротационных игольчатых звездочек землеобрабатывающих машин, изготовленных из углеродистой стали. Изучены состав, свойства и параметры макро - и микроструктуры. Определены поверхностный слой стали после химико-термической обработки – нитроцементации с толщиной покрытия от 0,6 до 1 мм. Применены оптимальные режимы нитроцементации с последующей закалкой и низкого отпуска. Поверхностная твердость слоя после закалки и низкого отпуска 56-58 HRC, а микротвердость 570-690 HV. Поверхность образцов состоит из покрытия толщиной 0,6-0,8 мм, а далее по глубине слоя структура мартенсита. Установлено, что твердость и износостойкость звездочки после оптимальной термической обработки повышается в 2-3 раза. Ключевые слова: Состав и свойства углеродистой стали, химико-термическая обработка – нитроцементация, образование поверхностного покрытия за счет углерода и азота, оптимальная закалка и низкий отпуск, микроструктура, твердость, работоспособность и износостойкость готовых изделий. Введение. Структура и свойства поверхностного нитроцементованного слоя деталей машин оказывает большое влияние на прочностные характеристики [1,2] и износостойкость углеродистой стали [3,4]. Для изучения влияния степени насыщения поверхности стали (литые игольчатые звездочки) углеродом и азотом на ее внутренние структуру процесс нитроцементации выполняли в одинаковых температурных условиях, при одном и том же способе охлаждения, на одинаковую глубину слоя [5], но при различных значениях углеродного потенциала шахтно-печной атмосферы. Регулирование углеродного потенциала с использованием анализаторов и приборов точки росы со сменяемыми каждые 2-3 ч хлористо-литиевыми датчиками позволило получить заданное содержание углерода в поверхностных слоях детали. Степень насыщения слоя азотом не регулировалась и зависела от ряда факторов, в частности от степени насыщения слоя углеродом. Практически было получено насыщение слоя азотом в широком интервале концентраций – от 0,15 до 0,60%, что позволило оценить влияние степени насыщения слоя азотом на его структуру. Добавки и правильного распределение углерода, и азота по глубине диффузионной зоны улучшали почти все механические свойства и повышали твердости и износостойкости ротационных игольчатых звездочек землеобрабатывающих машин из углеродистых сталей [6]. Цель работы являются образование поверхностного слоя методом химико- THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 668 термической обработки - нитроцементации и повышение твердости и износостойкости методом оптимальной термической обработки закалки и низкого отпуска литых деталей машин. Для этой цели изготовляли деревянной модель с помощью крепкого материала, а потом формировали в литейную опоку и заливали жидкий металл - углеродистый сталь 3035Л. При заливке место модели заполняется расплавом. Таким способом изготовляются и получаются литые ротационные звездочки детали землеобрабатывающих машин с высокой твердостью и износостойкостью, а также хорошей качеству. Объекты и методы исследований. Для исследования брали различных марок углеродистых сталей 20, 30 и 35. Химический состав этих сталей определяли в центральной химической лаборатории АО «Агрегатный завод». Специально приготовленные образцы для химического анализа были диаметром 15Х20, 20Х20, 22Х22 мм. После окончательной шлифовки, полировки и травления изучали внутренние структуры этих сталей. Структура поверхностных слоев различных углеродистых сталей 20, 30 и 35, обработанных по одному варианту при близкой степени насыщения слоя углеродом и азотом, идентична (рис.1). Это подтверждают и результаты замера микротвердости поверхностных слоев [6]. При концентрации углерода 0,45-0,60% и азота 0,30-0,49% на поверхности слоя образуется прослойка троостита вследствие возрастания критической скорости охлаждения при уменьшении содержания углерода в аустените. Следует отметить, что увеличение степени насыщения слоя азотом при повышенной концентрации углерода приводит к уменьшению количества трооститной составляющей. Это обусловлено тем, что азот, легируя твердый раствор углерода в железе, снижает критическую скорость закалки, увеличивает прокаливаемость, и, таким образом, компенсирует отрицательное влияние пониженной концентрации углерода. При концентрации азота в слое 0,49% количество троостита в нем значительно меньше, а твердость примерно на 12% выше, чем при концентрации азота 0,30%. В то же время структура поверхности нитроцементованных образцов стали, содержащая 0,45% углерода и 0,42% азота, идентична структуре поверхности нитроцементованных образцов стали 10, содержащей 0,53% углерода и 0,34% азота. При концентрации углерода 0,7-0,9% (см. рис.1а,б,в первый вариант) структура поверхностной зоны слоя состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Содержание остаточного аустенита в слое одинаково у всех исследованных углеродистых сталей при равном содержании углерода и азота. Увеличение концентрации азота в слое приводит к возрастанию содержания остаточного аустенита и снижению твердости поверхности образцов и деталей. THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 669 Рис.1. Микроструктура нитроцементованного слоя углеродистых сталей, обработанных по варианту I Х450: а-сталь 20 (0,73%С и 0,42%N); б-сталь 30 (0,68%С и 0,46%N); в-сталь 35 (0,70%С и 0,50%N); по варианту II Х450: а1-сталь 20 (1,52%С и 0,13%N); б1-сталь 30 (1,42%С и 0,10%N); в1-сталь 35 (1,47%С и 1,12%N); по варианту III Х450: аii-сталь 20 (0,80%С и 0,55%N); бii-сталь 30 (0,82%С и 0,40%N); вii-сталь 35 (0,88%С и 0,43%N). При концентрации углерода 1,4-1,6% и азота 0,1-0,2% (см. рис.1а1,б1,в1 второй вариант) структура поверхностной зоны слоя состоит из меньшего количества аустенита, мартенсита и значительного количества карбонитридов. THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 670 При более концентрации углерода и азота (см. рис.1аii,бii,вii третий вариант) изменяется и структура подслоя. При почти одинаковой структуре поверхностной зоны низко – и высокоуглеродистых сталей, у низкоуглеродистых сталей в связи с резким снижением концентрации углерода по глубине слоя структура мартенсита с аустенитом на меньшей глубине переходит в мартенситно-трооститную [6,7] и затем в трооститосорбитную структуру. Значит, образуются мартенсито-троостито-сорбитная структура стали. Результаты исследований и их обсуждение. Для изучения взаимосвязи прочностных характеристик и износостойкости нитроцементованных углеродистых сталей с их составом, структурой и напряженным состоянием исследовали микроструктуру сердцевины и поверхностного слоя, твердость сердцевины и поверхностного слоя, прокаливаемость нитроцементованного и цементованного слоев, содержание остаточного аустенита в поверхностной зоне слоя, состав карбонитридной фазы, образующейся в процессе нитроцементации углеродистых сталей, уровень напряжений I, II и III рода в слое при различных режимах химико-термической обработки – нитроцементации. Исследованием установлено, что при одновременной диффузии углерода и азота ускоряется диффузия углерода. Скорость роста нитроцементованного и цементованного слоев на глубину 500 мкм практически одинакова, хотя температура нитроцементации почти на 100оС ниже температуры цементации. После нитроцементации следует закалка непосредственно из печи, реже после повторного нагрева применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводили низкий отпуск. При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементованного слоя должна состоять из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и меньшего количества остаточного аустенита. Поверхностная твердость слоя после закалки и низкого отпуска 56-58 HRC, 570690 HV. Поверхность образцов состоит из покрытия толщиной 0,5-0,8 мм, а далее по глубине слоя структура мартенсита (рис.2а,б) [5,8]. Рис.2. Микроструктура мартенсита нитроцементованного слоя: а-мелкоигольчатая структура; б-крупноигольчатая структура. Х500 Нитроцементация имеет следующие преимущества по сравнению с газовой цементацией. Данный процесс происходит при более низкой температуре 840-860оС вместо 920-950оС; толщина слоя меньше; получаются меньшие деформации и коробление деталей; повышается твердость и сопротивление износу и коррозии. Толщина нитроцементованного THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 671 слоя составляли 200-800 мкм и не превышали 1000 мкм [8]. При большей толщине в нем образуются темная составляющая и другие дефекты, снижающие механические свойства углеродистых сталей. Поэтому для нитроцементации подвергают различные детали сложной конфигурации, склонные к короблению. Проведенным исследованием доказано, что структура поверхности слоя в небольшой степени зависит от содержания углерода в сердцевине. Этот результат находит объяснение при изучении степени насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом. При увеличении содержания углерода в сердцевине от 0,04% до 0,76% (почти в 20 раз) выявляется лишь некоторая тенденция к возрастанию степени насыщения поверхности углеродом. Основная разница в степени насыщения углеродом поверхностного слоя некоторых сталей находится в пределах 30-34%. Указанный эффект обусловлен, повидимому, тем, что более интенсивное насыщение поверхности железа углеродом за счет более высокого концентрационного напора не обеспечивает все же того уровня концентраций, который достигается при науглероживании средне – и высокоуглеродистой стали при продолжительности процесса 2-4 ч. При насыщении же углеродистой стали азотом степень насыщения практически не зависит от содержания углерода в сердцевине. Механические свойства углеродистых сталей [8-10] изменяются в зависимости от содержания углерода при одновременном изменении обработки, что необходимо учитывать при выборе марки стали для изготовления конкретной детали машин и оборудования. Проведенные анализы показал, что влияния различных технологических факторов, химического состава стали и поверхностных диффузионных слоев на структуру и физикомеханические характеристики нитроцементованных углеродистых сталей позволяет выбрать марки стали для изготовления конкретной детали, как ротационных игольчатых звездочек почвообрабатывающих машин, а также определить оптимальные условия обработки, например, температуры нагрева, время выдержки, состав газовой атмосферы, момент подачи аммиака в рабочее пространство печи, подачи углерода и азота, обеспечивающие наибольшую износостойкость и долговечность ротационных игольчатых звездочек деталей почвообрабатывающих машин в заданных условиях эксплуатации. Наиболее высокая механическая прочность и достаточный запас пластичности нитроцементованных деталей (звездочки) из углеродистых сталей достигаются при использовании среднеуглеродистых сталей, содержащих 0,3-0,4%С. При нитроцементации углеродистых сталей по оптимальным режимам термической обработки (закалки и отпуск) статическая прочность их при изгибе повышается на 10-15%, ударная вязкость на 15-25%, ударная выносливость на 20-40%, а износостойкость в 1,5-3,5 раза по сравнению с серийными. Эти данные полностью совпадают с результатами лабораторных и полевых испытаний. Выводы. Таким образом, анализируя весь цикл исследованных материалов по твердости и износостойкости на образцах с толщиной слоя 0,6-0,8 мм из углеродистого стали, можно видеть, что чем больше толщина покрытия, тем лучше качество изделия. Особенно термообработанные литые детали с цементованным износостойким покрытием повышают износостойкость и долговечность в 2-3 раза. Оптимальная термическая обработка закалка и отпуск повышает твердость и износостойкость литых деталей не только поверхностных, но и подповерхностных слоев готовых ротационных игольчатых THE VI INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE “SCIENTIFIC FOUNDATIONS FOR THE USE OF INFORMATION TECHNOLOGIES OF A NEW LEVEL AND MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION”, NOVEMBER 20, 2025 672 звездочек землеобрабатывающих машин. Данная инновационная технология внедрена в АО «Агрегатный завод» с экономическим эффектом. ЛИТЕРАТУРА 1. Лахтин Ю.М. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 2014. - 527 с. 2. Шмыков А.А. Справочник термиста. – М.: Машиностроение, 2005. - 392 с. 3. Геллер Ю.А. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1994. - 381 с. 4. Мухамедов А.А. Повышение износостойкости деталей почвообрабатывающих машин термообработкой // Композиционные материалы. Фан ва тараққиёт. – Ташкент, 2006. №2. - С.23-25. 5. Тилабов Б.К., Мухамедов А.А. О глубинном поверхностном покрытии стальных деталей при литье по газифицируемым моделям // Узбекский НТиП журнал «Композиционные материалы». Фан ва тараққиёт. – Ташкент, 2014. №3. - С.70-73. 6. А.П.Гуляев. Металловедение. – М.: Альянс, 2012. - 543 с. 7. Р.К.Мозберг. Материаловедение. – М.: Высшая школа, 1994. - 447 с. 8. Тилабов Б.К. Разработка технологии изготовления наральников рыхлящих лап культиваторов почвообрабатывающих машин с твердосплавным покрытием и термическим упрочнением // Материалы V Международная научная конференция. Технические науки в России и за рубежом. – Москва: Буки-Веди, 2016. - С.33-36. 9. Тилабов Б.К. Методы изготовления пеномоделей и получения литых деталей зубьев бороны с твердосплавным сормайтовым покрытием путем литья по газифицируемым моделям и их последующая термическая обработка с двойной фазовой перекристаллизацией. Universum технические науки научный журнал. Выпуск. 10(67). – Москва, октябрь 2019. - С.12-17. 10. Tilabov B.K. Increased durability of iron parts by thermal treatment with double phase recrystallization. European applied sciences // Europaische Fachhochschule. ORT Publishing. – Germaniy, 2015. #8. - P.49-53.