Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Россия

И. С. Белашова, профессор кафедры 903, докт. техн. наук, профессор

Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Москва, Россия
Л. Г. Петрова, заведующая кафедрой технологии конструкционных материалов, докт. техн. наук, профессор

Вятский государственный университет, Киров, Россия
Е. А. Маринин, доцент кафедры информационных технологий в машиностроении, канд. техн. наук,
эл. почта: e.marrini@gmail.com

ООО «НПП «НИТРИД», Саратов, Россия
П. С. Бибиков, ведущий инженер, канд. техн. наук

Представлены результаты исследования влияния режимов циклического азотирования мартенситной стали 13Х11Н2В2МФ в аммиачно-воздушных средах. Одним из способов снижения хрупкости азотированного слоя является проведение процесса деазотирования, которое традиционно осуществляют путем выдержки изделия при температуре азотирования с перекрытием подачи аммиака. Существенным ограничением применения такого газового азотирования для поверхностного упрочнения высоколегированных сталей, в которых снижена диффузионная подвижность азота, является большая продолжительность процесса. Высокую эффективность интенсификации роста слоя в сталях показали циклические процессы азотирования с чередующейся подачей аммиака и аммиачно-воздушной смеси. Проведены исследования циклических процессов азотирования с чередованием циклов подачи аммиака с заданной степенью диссоциации и подачи смеси аммиак – воздух в насыщающую атмосферу. Показано, что при температурах 500–520 °C в условиях газоциклирования образование азотированного слоя в стали 13Х11Н2В2МФ не происходит. Исследования азотированной мартенситной стали 13X11Н2В2МФ показали существенные различия в строении азотированного слоя и его отдельных участков в зависимости от режима циклического азотирования с чередующимися атмосферами чистого аммиака и аммиака с воздухом. Установлено, что несомненными преимуществами по сравнению с изотермическими процессами обладают стадийные процессы с повышением температуры на второй и третьей стадиях процесса, которые заключаются в ускорении роста диффузионного слоя и возможностях регулирования фазового состава зоны соединений. Разработанный трехстадийный режим азотирования включает завершающую стадию в атмосфере сильно диссоциированного аммиака. Процесс деазотирования приводит к разложению хрупкой высокоазотистой ε-фазы, при этом формируется поверхностный слой на основе γ’-фазы.

Материал подготовлен в рамках научных исследований по проекту № FSFM-2024-0001, экспериментальные исследования проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования МАДИ.

1. Громов В. И., Вознесенская Н. М., Покровская Н. Г., Тонышева О. А. Высокопрочные конструкционные и коррозионностойкие стали ФГУП «ВИАМ» для изделий авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 5. С. 159–174.
2. Вознесенская Н. М., Тонышева О. А., Елисеев Э. А. Современные конструкционные стали криогенного назначения и влияние некоторых легирующих элементов на их свойства (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 1(85). С. 3–14.
3. Алексеева Г. П., Банас И. П., Белякова В. И. и др. Стали для зубчатых передач и деталей топливной аппаратуры, упрочняемых химико-термической обработкой // Авиационная промышленность. 1982. № 8. С. 31–32.
4. Бибиков П. С., Белашова И. С., Прокофьев М. В. Особенности технологии азотирования высоколегированных коррозионностойких сталей авиационного назначения // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 2. С. 206–215.
5. Aizawa T., Yoshino T., Morikawa K., Yoshihara S.-I. Microstructure of plasma nitrided AISI 420 martensitic stainless steel at 673 K // Crystals. 2019. Vol. 9, Iss. 2. 60. DOI: 10.3390/cryst9020060
6. Alphonsa I., Chainani A., Raole P. M., Ganguli B. et al. A study of marten sitic stainless steel AISI 420 modified using plasma nitriding // Surf. Coat. Technol. 2002. Vol. 150, Iss. 2. P. 263–268. DOI: 10.1016/S0257-8972(01)01536-5
7. Петрова Л. Г., Белашова И. С., Лисовская О. Б., Маринин Е. А. Формирование азотированных слоев в железе в условиях термоциклирования // Черные металлы. 2023. № 7. С. 42–46.
8. Hongyu Shen, Liang Wang. Influence of temperature and duration on the nitriding behavior of 40Cr low alloy steel in mixture of NH3 and N2 // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 378. 124953. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.124953
9. Faltejsek P., Joska Z., Pokorný Z., Dobrocký D. et al. Effect of nitriding on the microstructure and mechanical properties of stainless steels // Manufacturing technology. 2019. Vol. 19, Iss. 5. P. 745–748. DOI: 10.21062/ujep/365.2019/a/1213-2489/MT/19/5/745

10. Arun Prasad M., Dharmalingam G., Salunkhe S. Microstructural evaluation of gas nitrided AISI 316 LN austenitic stainless steel // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 68, Iss. 6. P. 1887–1890. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.08.060
11. Лахтин Ю. М., Коган Я. Д., Шпис Г. И., Бемер З. Теория и технология азотирования. — М. : Металлургия, 1991. — 320 с.
12. Niu J. B., Zhang X. H., Ma X. X., Liu Y. et al. Characterization of vein-like structures formed in nitrided layers during plasma nitriding of 8Cr4Mo4V steel // Materialia. 2022. Vol. 22. 101378. DOI: 10.1016/j.mtla.2022.101378
13. Han Z., Lu J., Yin C., Lai P. et al. Composition, microstructure, and phase evolution of 17-4 PH stainless steel with a work-hardened layer in the low-temperature plasma nitriding process // Surf. Coat. Technol. 2022. Vol. 451. 128950. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128950
14. Борисюк Ю. В., Орешникова Н. М., Писарев А. А. Низкотемпературное плазменное азотирование высокохромистых и низкохромистых сталей // Известия РАН. Серия : Физическая. 2020. Т. 84. № 6. С. 892–898.
15. Хусаинов Ю. Г., Рамазанов К. Н., Есипов Р. С. Низкотемпературное ионное азотирование конструкционных сталей 13Х11Н2В2МФ-Ш и 12Х18Н10Т с ультрамелкозернистой структурой // Упрочняющие технологии и покрытия. 2017. № 10. С. 459–463.
16. Петрова Л. Г., Белашова И. С., Бибиков П. С. Совершенствование технологий химико-термической обработки для поверхностного упрочнения высоколегированных сталей авиационного назначения // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022. № 8(134). С. 3–11. DOI: 10.30987/2223-4608-2022-8-3-11
17. Шестопалова Л. П., Александров В. А. Влияние циклического оксиазотирования на технические характеристики конструкционных легированных сталей // Упрочняющие технологии и покрытия. 2018. Т. 14. № 5. С. 220–224.
18. Bin Liu, Bo Wang, Xudong Yang, Xingfeng Zhao et al. Thermal fatigue evaluation of AISI H13 steels surface modified by gas nitriding with pre- and post-shot peening // Applied Surface Science. 2019. Vol. 483. P. 45–51. DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.03.291
19. Белашова И. С., Петрова Л. Г. Регулирование фазового состава азотированного слоя в железе при химико-термической обработке в условиях термоциклирования // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 2. С. 237–245.
20. Tadepalli L. D., Gosala A. M., Kondamuru L., Bairi S. Ch. et al. A review on effects of nitriding of AISI409 ferritic stainless steel // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 26, Iss. 2. P. 1014–1020. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.01.299
21. ГОСТ 5632–2014. Нержавеющие стали и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. — Введ. 01.01.2015.