Как упрочнить нержавеющую хромоникелевую сталь с помощью азота и деформаций

В машиностроении для обработки металла производители используют методы холодной деформации, когда под воздействием силы изменяется структура материала и возрастает прочность. Хромоникелевые стали, из которых производят, например, нержавеющие трубы, цистерны и сварную аппаратуру, обладают уникальными свойствами, но в процессе эксплуатации в агрессивных средах и при повышенных нагрузках поверхности изделий изнашиваются. Ученые Пермского Политеха разработали способ комплексной обработки, которая сочетает холодную деформацию и последующее насыщение материала азотом. Такая технология позволяет быстро повысить уровень прочности и твердости поверхности стали и ее сердцевины.

Статья с результатами опубликована в журнале «Metal Science and Heat Treatment», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» и при финансовой поддержке Правительства Пермского края в рамках научного проекта №С 26/513.

Нержавеющая хромоникелевая сталь 08Х18Н10Т-Ш благодаря множеству своих уникальных свойств активно применяется в производственной сфере. Из нее изготавливают сварную аппаратуру, нержавеющие трубы, детали для химической промышленности, контактирующие с агрессивными жидкостями, цистерны, холодильные камеры и многое другое. Хорошая технологичность этой стали позволяет прибегать к пластической деформации для повышения ее прочности.

Металлическая заготовка может менять свою форму и размеры. Чтобы это произошло, изделие сгибают, растягивают, скручивают и сжимают с помощью специальных станков и оборудования. Даже незначительное приложение силы меняет структуру металла. Так можно кардинально повлиять на его характеристики. В этом и заключается суть пластических деформаций.

Добиться таких изменений можно как физическим, так и температурным воздействием. Технология холодной обработки осуществляется при комнатной температуре и способствует упрочнению изделия. Радиальная ковка – один из перспективных методов такого процесса, когда на металл оказывают давление две или более наковальни. Перемещаясь по кругу, они формируют деталь нужных размеров.

Несмотря на ценные свойства хромоникелевых сталей, их поверхность интенсивно изнашивается при эксплуатации. В связи с этим для улучшения их свойств актуальны комплексные обработки, которые включают и пластические деформации, и современные высокотехнологичные химико-термические методы, такие как ионно-плазменное азотирование.

Ученые Пермского Политеха детально изучили влияние деформации радиальной ковкой и последующего азотирования на структуру и свойства стали 08Х18Н10Т-Ш. Ранее такие комплексные работы не проводились.

– Такое сочетание технологий увеличивает проникновение азота в структуру металла, тем самым повышая характеристики поверхности. Увеличивается прочность, стойкость к коррозии и сопротивляемость к образованию микротрещин. Насыщение сплава азотом происходит в вакуумной камере, куда подается газ. Между изделием и стенками камеры возникает тлеющий заряд и образуется среда с заряженными ионами, молекулами и атомами. Это формирует на поверхности стали упрочняющий азотированный слой, – объясняет кандидат технических наук, доцент кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ Ольга Силина.

На итоговый результат особенно влияют степень деформации заготовки, состав газа, температура и длительность процесса азотирования. С помощью радиальной ковки ученые воздействовали на образцы и далее проводили с ними эксперименты азотирования при разной температуре и времени.

Внутренняя структура стали при деформации фрагментируется, повышается твердость металла. Так, деформация стали на 40% увеличивает ее твердость на 80-95% относительно исходного состояния, а ковка на 90% – в 2,5 раза.

Исследования показали, что степень деформации при холодной радиальной ковке стали влияет на толщину азотированного слоя и характер изменения его твердости. На заготовках, азотированных при температуре 460-520°С, с увеличением степени деформации толщина упрочненного слоя возрастает. Так, у стали, кованной на 40%, толщина слоя больше в 2 раза, а на 90% – более чем в 3 по сравнению с недеформированным образцом. Политехники отмечают, что повышение температуры до 570°С не так эффективно, скорость проникновения азота в материал снижается.  

Ученые ПНИПУ доказали, что использование радиальной ковки перед азотированием стали ускоряет формирование упрочняющего слоя азота и обеспечивает более твердую поверхность изделия. Такой способ комплексной обработки позволит изготавливать промышленные детали из хромоникелевых сплавов с высоким уровнем прочности и надежности.