книги из ГПНТБ / Похмурский, В. И. Коррозионно-усталостная прочность сталей и методы ее повышения

П р и использовании мелкого абразива чистота обрабатываемой поверхности (при исходной V 8) увеличивается. Положительное влияние ультразвуковой обработки на характеристики выносли­ вости можно в данном случае связать с поверхностным наклепом поверхностных слоев металла образцов, возникновением в связи с этим остаточных сжимающих напряжений и повышением чистоты поверхности.

8 3-1220

Г Л А В А V

ВЛ И Я Н И Е Д И Ф Ф У З И О Н Н О Г О Н А С Ы Щ Е Н И Я НЕМЕТАЛЛАМИ

НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ СТАЛЕЙ

ВПРИСУТСТВИИ К О Р Р О З И О Н Н О Й С Р Е Д Ы

Диффузионное насыщение стали и сплавов азотом, бо­ ром, серой, углеродом, а также комплексное насыщение азотом и углеродом, азотом, углеродом и серой и т. п. применяются в раз­ личных отраслях промышленности давно, главным образом, для повышения поверхностной твердости, износостойкости, контакт­ ной прочности деталей Цементация, азотирование, цианирование, сульфоцианирование широко используются в технике и довольно подробно описаны в литературе [82, 93, 95, 97, 108, 120, 121]. В настоящее время разработана теория и технология диффузион­

главным образом, для повышения износостойкости и улучшения фрикционных свойств деталей, некоторые из них могут быть с ус­ пехом использованы для повышения усталостной и коррозионноусталостной прочности стальных изделий, в частности цементация

иазотирование.

Различные детали (валы, оси, цилиндры, штоки, штанги, паль­ цы и многие другие), подвергаемые, как правило, поверхностному упрочнению в процессе эксплуатации, в подавляющем большинстве случаев находятся в условиях воздействия циклических нагрузок н коррозионных сред, вызывающих усталостное и коррозионноусталостное разрушение изделий. Поэтому при выборе того или иного метода насыщения необходимо иметь сведения о его влиянии на циклическую прочность деталей в условиях, приближающихся

креальным.

1.Цементация

Цементация является одним из самых старых методов химико-термической обработки. В настоящее время трудно назвать такую отрасль промышленности, где бы не применялась цемента­ ция. Поскольку теория и практика цементации достаточно подроб­ но изложены во многих монографиях, не будем останавливаться

114

на методах насыщения, строении цементированных слоев, а остано­ вимся лишь на влиянии этого метода повышения поверхностной твердости и износостойкости на усталостную и коррозионно-уста­ лостную прочность сталей.

Цементация значительно повышает выносливость стали. Счи­ тают, что такое повышение обусловлено увеличением пределов прочности и твердости диффузионного слоя, а также влиянием сжимающих напряжений 1-го рода, возникающих в приповерхност­

после цементации, отмечают, что максимальное значение этих на­ пряжений может достигать 30—70 кГ/мм2 и более.

Д л я сталей 12ХН2А и 25Х21Т (диаметр образца 12 мм) уста­ новлено, что с увеличением глубины цементированного слоя от 1,1 до 2 мм величина остаточных напряжений сжатия в образце снижается, а при толщине слоя более 2 мм на поверхности они могут переходить в растягивающие. Остаточные н а п р я ж е н и я на углеродистых сталях при равной толщине диффузионного слоя не­ сколько меньше, чем на легированных, причем на стали 20 они достигают наибольшей величины. Пр и уменьшении или увеличе­ нии содержания углерода в стали абсолютная величина остаточ­ ных напряжений увеличивается. Величина и знак остаточных на­ пряжений зависят от температуры отпуска закаленной после це­ ментации стали. Так, дл я стали СК15 после отпуска при 180° С остаточные напряжения на глубине 0,2 мм снижаются вдвое, а при 350° С на поверхности действуют уже растягивающие н а п р я ­ жения . После отпуска при 500° С внутренние н а п р я ж е н и я прак ­ тически отсутствуют.

Вопросу влияния цементации на выносливость сталей в воз­ духе посвящены работы [82, 95, 121 ]. В результате цементации и последующей термообработки существенно повышается предел усталости как углеродистых, так и легированных сталей в возду­ хе. Предел усталости увеличивается с возрастанием глубины цементованного слоя, достигая максимума при определенной тол­ щине слоя (в зависимости от марки стали), а при дальнейшем уве­ личении толщины слоя происходит снижение циклической проч­ ности. Оптимальная толщина цементированного слоя для повыше­ ния усталостной прочности стали составляет 0,4—0,7 мм.

Содержание углерода в диффузионном слое оказывает большое влияние на предел усталости стали. Так, для стали 18Х1М опти­ мальным содержанием углерода в слое является 0,93%, что обес­

цементации с последующей закалкой и низким отпуском на кор­ розионную выносливость сталей в литературе отсутствуют. Сле­ дует полагать, что по аналогии с закалкой т. в. ч. цементация по

общепринятой технологии должна оказать положительное влияние на коррозионно-усталостную прочность стальных изделий.

Цементация в твердом карбюризаторе при 920° С в течение 4 ч (проводилась как промежуточный процесс при карбохромиро-

5 кГ/мм2. Д л я стали 45 цементация оказалась менее эффективной (предел усталости увеличился с 27 до 29 кГ1мм2, а условный пре­

и другими металлами проведены Н . П. Чижевским в 1907—1914 гг. Он определил оптимальные температуры взаимодействия азота и железа в потоке аммиака, изучил свойства многих нитридов и дал принципиальные у к а з а н и я о характере диаграммы Fe — N [207]. В Советском Союзе азотирование широко применяется с 1926 г. Сейчас азотирование занимает одно из первых мест среди различ­ ных методов диффузионного насыщения.

Азотирование существенно повышает усталостную прочность сталей в атмосфере горячего пара [240—242, 249]. Н а повышение коррозионно-усталостной прочности сталей в других средах в ре­ зультате их азотирования указывается в работах [233, 256]. Азо­ тирование благоприятно влияет на изменение усталостной и кор­ розионно-усталостной прочности стальных образцов, если толщина

лено снижение усталостной прочности [199], что, по-видимому,

благоприятного распределения остаточных напряжений .

При кратковременном азотировании существенно увеличивает­ ся предел усталости углеродистой стали. В случае испытания гладких образцов предел усталости увеличился на 50—60%, при­ чем температура насыщения в интервале 550—650° С не оказы­ вает заметного влияния на выносливость стали. Прочность надре­ занных образцов увеличивается на 25—35% по сравнению с неазотированными [82].

Предел усталости легированных сталей 3 8 Х Н М Ф А и ЭИ355 на гладких образцах после азотирования выше на 30—35%, а надрезанных — на 250—300% по сравнению с ненасыщенными [109]. Предел усталости сталей 3 8 Х Н Ф А и 18ХНМА имеет макси-

116

мальное значение при оптимальной толщине слоя. С. В . Сервисен

[183]объясняет это явление тем, что по мере увеличения глубины слоя н а п р я ж е н и я сжатия в нем уменьшаются. П р и наличии на поверхности большого количества е-фазы в азотированном слое

С увеличением температуры азотирования при одинаковой глу­ бине диффузионного слоя предел усталости снижается [109]. По­ лагают, что это является следствием снижения остаточных напря ­ жений за счет коагуляции нитридов и увеличения количества е- фазы, приводящих к перераспределению остаточных напряжений и даже к изменению их знака.

Влияние антикоррозионного азотирования на коррозионную усталость сталей изучалось в [177]. После азотирования при тем­ пературе 600° С в течение 2 ч условный предел коррозионной уста­ лости стали 30 на базе 107 циклов нагружений увеличивается примерно в два раза в водопроводной воде, 0,04%-ном и 3%-ном растворах NaCl, незначительно снижаясь с увеличением агрес­ сивности коррозионной среды. В случае насыщения стали 45 при температуре 600° С время насыщения, которое варьировалось в пределах от 0,5 до 5 ч, практически не влияет на условный предел коррозионной усталости на базе 107 циклов нагружений . Длитель ­ ное азотирование (до 90 ч) специальных легированных сталей приво­ дит к такому же снижению условного предела коррозионной усталос­

поступал обезвоженный и очищенный аммиак. Насыщение прово­ дилось в течение 7 ч п р и температуре 550° С и степени диссоциации аммиака около 30%. Поверхность образцов после азотирования

117

Х о тя в настоящее время отсутствуют полные данные о тройной диаграмме железо — азот — углерод, однако можно полагать, что при азотировании стали 45 нитриды железа Fe4 N и Fe2 N растворяют в себе углерод, образуя нитрокарбиды, которые можно

отметить, что повышение выносливости азотированной стали в кор­ розионной среде происходит не только за счет создания на поверх­ ности образца коррозионно стойкого слоя, препятствующего кор­ розионному разрушению, но и за счет образования в нем остаточ­ ных напряжений сжатия, максимальное значение которых в дан­ ном случае составляло около 31 кГ/мм2. При этом наибольшие остаточные н а п р я ж е н и я сжатия имеют место не у самой поверх­

118

при 550° С в течение 7 ч значительно повышает усталостную и кор­ розионно-усталостную прочность как гладких, так и надрезанных образцов. Основными причинами повышения выносливости азо­ тированной стали 45 следует считать создание коррозионно-стой­ кого азотированного слоя и наличие в нем значительных остаточ­ ных напряжений сжатия. При принятой нами температуре насы­ щения сохраняется исходная структура сердцевины металла изделия, обеспечивается снятие напряжений, внесенных предвари­ тельной механической обработкой, а также отсутствует коробле­ ние, что позволяет азотировать окончательно отработанные детали

Использование тлеющего разряда для проведения процессов химико-термической обработки, и в частности азотирования, позво­ ляет значительно сократить продолжительность насыщения и улуч­ шить свойства получаемых диффузионных слоев. Влияние ионного азотирования на выносливость стали в воздухе и коррозионной среде (3%-ный раствор NaCI) исследовано в [21]. Испытания про­

За базу испытаний в воздухе было принято 107 , а в коррозионной среде — 5 X Ю 7 циклов нагружении. Д л я всех исследованных режимов ионного азотирования характерно повышение усталост­ ной прочности стали 38ХМЮА, возрастающей с увеличением тол­

ной стали. В 3%-ном растворе NaCI азотированная сталь 38ХМЮА находится в пассивном состоянии, причем ток растворения сни­ жается с увеличением продолжительности ионного азотирования, а стационарный потенциал сдвигается в положительную сторону. Р1онное азотирование в течение 8 ч сдвигает стационарный потен­ циал стали более чем на 0,5 в по сравнению с неазотированной сталью. Одновременно исключается возможность пробоя пасси­ вированного слоя вплоть до потенциала гидролиза воды.

Тонкая механическая полировка поверхности стали, практи ­ чески не сказывающаяся на общей толщине диффузионного слоя, полученного ионным азотированием в течение 8 ч, изменяет х а р а к ­ тер анодной поляризационной кривой. Потенциал пробоя стано­ вится даже более отрицательным, чем при менее продолжитель ­ ном азотировании, но пассивность остается глубокой, хотя ста­ ционарный потенциал стали сдвигается в отрицательную сторону. Таким образом, ионное азотирование стали затрудняет анодный процесс, причем наибольшей пассивирующей способностью обла­ дает тонкий поверхностный слой. Д л я оценки влияния метода азотирования на усталостную и коррозионно-усталостную проч­ ность исследовались образцы, подвергнутые ионному и газовому

119

азотированию по режимам, обеспечивающим образование диффу­ зионного слоя толщиной 0,13 мм. При газовом азотировании в этом случае необходима выдержка в течение 6 ч при температуре 520° С, в то время как при ионном азотировании при той же температуре достаточно насыщение в течение 1 ч. Повышение предела усталости на воздухе оказалось одинаковым для газового и ионного азоти­ рования (рис. 61). Это объясняется, по-видимому, идентичностью фазового состава и одинаковым уровнем предельной концентрации

азота на поверхности стали 38ХМЮА, азотированной двумя различными ме­ тодами, что подтверждается фазовым рентгеноструктурным и сравнительным спектральным анализами. Результаты коррозионно-усталостных испытаний показали существенное различие в свой­ ствах диффузионных слоев равной тол­ щины, полученных различными метода­ ми азотирования. Если после газового азотирования условный предел корро­ зионной усталости увеличился по

сравнению с неазотированной сталью в 4,5 раза, то ионное азотирование обеспечило повышение в 6,5 раза (см. рис. 61). Полученные результаты связаны с изменением анодного проведе­ ния стали, азотированной различными методами. Поскольку фа­ зовый состав диффузионных слоев и средняя концентрация в них азота при обоих методах азотирования одинаковы, причину столь резкого различия в электрохимических свойствах поверхности следует искать в структурных особенностях строения слоев, харак ­ терных для каждого метода насыщения. При ионном азотировании диффузионный слой имеет высокую дисперсность и равномерное распределение нитридов (или карбонитридов) в ос-твердом раство­ ре. Это, видимо, и обусловливает большую пассивность отполи­ рованных образцов по сравнению с образцами, азотированными газовым методом. Свойства поверхности после ионного азотиро­ вания определяются не только более высокой гомогенностью, но и в большей степени специфическим тонким поверхностным фильмом.

При газовом азотировании образование на поверхности е-фазы происходит в результате диффузии и постепенного увеличения концентрации азота в твердом растворе. П р и ионном азотировании

120

в образовании диффузионного слоя помимо обычного процесса диффузии участвует процесс обратного катодного распыления, в результате которого атомы материала катода, выбитые с поверх­ ности, соединяются в плазме тлеющего разряда с азотом и оседают

на поверхности сплава образуется тонкий слой нового однород­ ного соединения. Это позволяет предположить, что приобретение поверхностью образцов из стали 38ХМЮА защитных свойств свя­ зано, кроме всего прочего, с напылением на ней в процессе ион­ ного азотирования однородного нитридного слоя какого-либо из легирующих элементов.

3. Сульфидирование и сульфоцианирование

О влиянии сульфоцианирования па усталостную проч­ ность указывается в работах английских исследователей |266|. Предел усталости низкоуглеродистой стали, сульфоцианированной в ванне SATS (95% NaCN и 5% Na2 S04 ), увеличивается на 30—50% по сравнению с нормализованной сталью. При сульфо-

в ванне Л И В Т - 5 повысило предел усталости на 35—40% [97]. Основной причиной повышения усталостной прочности сульфоцианированных образцов считают благоприятное действие внут­ ренних сжимающих напряжений, возникающих в результате

ванны) на 25—35%. В более агрессивной среде — в 3%-ном вод­ ном растворе NaCl это повышение составило 45—75%, а в серо­ водородной воде — 55—85%. Таким образом, можно сделать вы­ вод, что сульфоцианирование повышает долговечность машин не только при работе их на трение, но и при работе на усталость, осо­ бенно в коррозионной среде.

В связи с тем, что у сульфидов железа понижена концентра­ ция собственных ионов у поверхности, их антикоррозионная стой­

121

цианированных образцов и их коррозионной стойкостью в тех же средах не установлено.

Комбинированный метод поверхностной закалки т. в. ч. сульфидированной стали, который сочетает положительные свойства

на 20—25% [200]. Эти данные подтверждают возможность комби­

Проведенные в [187] исследования усталостной и коррозионноусталостной прочности сульфидированных и закаленных т. в. ч. образцов из стали 45 дали результаты, аналогичные результатам исследований усталостной прочности несульфидированных, по за­ каленных т. в. ч. Таким образом, дополнительного влияния суль­ фндирования стали 45 при последующей поверхностной закалке т. в. ч. на усталостную прочность не установлено. Следовательно, сульфидирование или сульфоцианирование как метод повышения долговечности деталей машин при их работе на трение повышает их долговечность так же и при работе на усталость, особенно в коррозионной среде (табл. 20). Сульфидирование стали 45 в ван­

ное повышение коррозионно-усталостной прочности имеет место

Н. П. Чижевским [207 ]. Электролизное борирование осуществлено

Н. Н . Мокииым в 1934 г. [126], а жидкостное — в 1949 г. [127].

122