Не подлежит сомнению, что сплавы на основе железа (главным образом стали) останутся наиболее используемыми материалами в новом столетии. Так же очевидно, что требования к свойствам материалов будут непрерывно возрастать. Не смотря на распространенное мнение о том, что стали за свою более чем трех тысячелетнюю историю полностью изучены и не приходиться ожидать открытия в них принципиально новых качеств, развитие материаловедения привело к созданию таких новых сталей, как мартенситно-стареющие, ТРИП-стали и высокоазотистые стали.
Легированные азотом стали давно привлекают внимание исследователей ввиду их особого комплекса свойств, прежде всего высокой прочности, износостойкости и хорошей коррозионной стойкости в биологически активных средах. Азот — доступный легирующий элемент, отличающийся высокой аустенитостабилизирующей способностью и интенсивно упрочняющий сплав. Использование азота позволяет снизить содержание в сталях дефицитных никеля и марганца, а в случае сверхравновесных концентраций — вовсе отказаться от использования данных легирующих элементов.
При всех достоинствах азотсодержащих сталей их производство и использование в настоящее время весьма ограничено в связи со значительными трудностями получения значительных концентраций азота по традиционным металлургическим технологиям. Используемые в настоящее время технологии объемного легирования сталей азотом в расплавленном состоянии (литье с противодавлением азота, плазменная либо индукционная плавка в газостатах под высоким давлением азота) отличаются высокой сложностью и стоимостью оборудования, значительными энергетическими затратами и трудно реализуемы в условиях массового производства.
Новые возможности в производстве и изучении азотсодержащих сталей открывает сочетание твердорастворного азотирования и технологий порошковой металлургии. На фоне введения азота в расплав твердофазное газовое азотирование является более простой и доступной технологической операциейварьируя условия проведения азотирования и применяя образцы различной формы можно достигать различных фазовых состояний и содержания азота в материале. С другой стороны, значительная удельная поверхность порошковых материалов и многочисленные границы раздела, служащие эффективным диффузионным транспортом атомов насыщающего элемента, в сочетании малым размером зерен металла (сопоставимым с глубиной диффузионной зоны при азотировании объемных изделий) предполагают быстрое достижение равновесной концентрации азота и его равномерное распределение. Анализ литературных источников за последнее десятилетие показывает, что технология порошковой металлургии применительно к синтезу высокоазотистых сталей является малоизученной, но весьма перспективной и потому представляет значительный научный и практический интерес.
Целью настоящей работы являлось изучение закономерностей формирования микроструктуры, химического и фазового состава в процессе низкотемпературного газового азотирования порошков на основе железа в виброожиженном слое, а так же эволюции фазового и химического состава азотированных порошков в процессе нагрева в различных атмосферах. Кроме того, были рассмотрены возможности использования азотированных порошков в качестве функциональных материалов и компонентов порошковых сплавов.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
В диссертационной работе представлены результаты комплексного исследования порошковых материалов на основе железа, прошедших азотирование в виброожиженном слое. Основные результаты работы следующие:
1. Изучена структура и фазовый состав порошков на основе железа после ХТО в виброкипящем слое. Установлено, что проведение хромоалитирования с последующим азотированием порошковой стали 20 позволило получить сферические порошки системы Fe-C-2Cr-4Al-9N с выраженной оболочечной структурой, состоящей из тонкого слоя е-Fe2−3N нитрида, развитого слоя y'-Fe4N нитрида и области внутреннего азотирования, состоящей предположительно из смеси азотистого феррита и карбонитридной фазы. Общее содержание азота в материале составило 8−9 вес.%.
2. Установлено, что кратковременное азотирование порошков системы легирования Fe-2Mn привело к образованию игольчатых выделений y'-Fe4N во всем объеме матрицы а-Fe, свидетельствуя о сквозном азотировании частиц порошка. Суммарное содержание азота составило 1−1,15 вес.%. Увеличение температуры и продолжительности ХТО привело к появлению в структуре частиц оболочки е-нитрида и многофазной y'-Fe4N + а-Fe центральной области с незначительной долей a-Fe. Общее содержание азота в данном случае составило порядка 6,5 вес.%.
3. Изучено протекание фазовых превращений при нагреве азотированных порошков в различных атмосферах. Установлено, что распад нитрида y'-Fe4N в порошках системы Fe-C-2Cr-4Al-9N идет с образованием нестабильного азотистого аустенита с его последующей перекристаллизацией в a-Fe, сопровождающейся активным выделением газообразного азота. При этом образование е-нитрида по эвтектоидной реакции y-Fe + у'-Fe4N —" e-Fe2−3N не зафиксированоболее того, имеющийся изначально е-нитрид поглощается у'-фазой в процессе нагрева. Показано, что в системе Fe-2Mn-l, 5N образующийся при нагреве азотистый аустенит является стабильным в интервале температур 540−950°С.
4. С помощью методов синхронного термического анализа и терморентгенографии установлены интервалы термической стабильности нитридов железа y'-Fe4N и e-Fe2−3N. Интервал диссоциации в значительной степени определяется составом атмосферы и составляет 630.700°С в аргоне и 530.590°С в вакууме. Показано, что нитридные фазы системы Fe-N являются стабильными по крайней мере до 400 °C даже в условиях крайне низкого парциального давления азота. Кроме того, выделение газообразного азота не наблюдается до температуры 540 °C.
5. Исследование процессов компактирования и спекания азотсодержащих порошков показали, что термическая обработка в интервале температур в интервале 30.1200°С не приводит к полной потере азота материалом, более того, спекание в атмосфере АЗГ сопровождается активным поглощением азота из атмосферы и приводит к образованию эвтектоида aFen + C^N (азотистого перлита) при медленном охлаждении.
6. Установлено, что структура плазменного покрытия из порошка Fe-C-2Cr-4Al-9N состоит из областей легированного алюминием феррита, незначительной доли мартенситных участков, губчатых фрагментов, содержащих нитриды A1N либо оксонитриды типа Al2. s1O3.56N0.44, а так же пленок окислов железа FeO и РегОз.
7. Показано, что высокая адгезия и когезия азотсодержащих материалов в основном обусловлена следующими факторами: предотвращением интенсивного окисления материала в плазменной струе вследствие диссоциации y'-Fe4N и s-Fe2−3N нитридных оболочек с выделением газообразного азотаснижением уровня термических и фазовых напряжений из-за развитой пористости покрытияподавлением мартенситного превращения вследствие стабилизации феррита алюминием и хромом.
