Експериментальна методика дослідження структурно-фазових та напружено-деформованих станів сталевих поверхонь після комплексного іонного азотування

Abstract

У сучасному машинобудуванні та приладобудуванні підвищується роль поверхневої інженерії як одного з ключових напрямів забезпечення довговічності та надійності деталей машин. У статті представлено комплексну методику експериментального дослідження структурно-фазових та напружено-деформованих змін у поверхневих шарах сталевих деталей після комплексного іонного азотування, орієнтовану на кількісну оцінку ефективності зміцнювальної хіміко-термічної обробки. Запропонований підхід базується на поєднанні взаємодоповнюючих методів аналізу, зокрема рентгенівської дифракції, металографічних і мікроструктурних досліджень, вимірювання мікротвердості та оцінювання залишкових напружень, що дозволяє отримати цілісне уявлення про формування та еволюцію зміцнених поверхневих шарів. Показано, що режими іонного азотування, зокрема температура, тривалість обробки, тиск робочого газового середовища та енергетичні параметри іонного бомбардування, істотно впливають на фазовий склад системи Fe-N, товщину з’єднувального (компаундного) нітридногота дифузійного шарів, а також на характер розподілу залишкових напружень у приповерхневій зоні. У процесі азотування в поверхневому шарі сталі можуть формуватися різні структурні утворення, включаючи розширений аустеніт (γN), нітридні фази ε-Fe₂-₃N та γ′-Fe₄N, а також нітриди легувальних елементів, зокрема CrN, співвідношення яких визначається термодинамічними та кінетичними умовами процесу. Встановлено кореляційний зв’язок між фазовим складом, профілями мікротвердості та рівнем стискуючих залишкових напружень, що безпосередньо впливає на експлуатаційні характеристики сталевих поверхонь, зокрема зносостійкість, контактну витривалість і опір втомному руйнуванню. Запропонована методика може бути використана для оптимізації режимів комплексного іонного азотування та прогнозування властивостей зміцнених поверхонь відповідальних машинобудівних вузлів, у тому числі газових опор шпиндельних систем.