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

Газовое и вакуумное борирование разработано в 50-х годах ны­ нешнего столетия. В настоящее время технология насыщения стали бором разработана достаточно хорошо и этот метод улуч­ шения свойств сталей начинает внедряться в промышленность.

В работах [48, 50, 56, 153] исследовалось влияние борирования на выносливость углеродистых сталей в различных средах. Результаты изучения усталостной прочности борированных об­ разцов показали (табл. 21), что порошковое контактное бориро­ вание примерно на 20% повышает предел усталости стали 45. Оптимальным режимом борирования, повышающим циклическую прочность стали 45 в воздухе и коррозионной среде, можно счи­ тать режим, обеспечивающий толщину диффузионного слоя по­ рядка 0,14—0,15 мм, т. е. при борировашш в течение 6 ч при 950° С.

Т а б л и ц а 21 Влияние борирования на предел усталости образцов стали 45

Условный предел коррозионной усталости стали 45 после бо­ рирования в порошках увеличивается в два раза дл я образцов

сается условного предела коррозионной усталости, то оптималь­ ной толщиной слоя, обеспечивающей наибольшую выносливость, также является толщина слоя боридов 0,14—0,15 мм.

Борирование углеродистых сталей, содержащих различное ко­ личество углерода (0,21—0,83%), приводит к повышению предела усталости на 20—25%, причем эффект упрочнения несколько мень­ ше на стали с меньшим содержанием углерода. При одном и том же времени насыщения (в течение 6 ч) наибольшим условным пределом коррозионной усталости обладают образцы из стали 45, хотя время до разрушения в области высоких амплитуд на­ пряжений возрастает с увеличением содержания углерода в стали. Б о л ь ш у ю ограниченную выносливость стали У8 , по-видимому,

123

можно объяснить тем, что углерод, замедляя скорость диффузии бора в сталь, способствует получению более плотных и равномер­ ных слоев.

Б о р и р о в а н н а я среднеуглеродистая сталь после закалки и ни­ зкого отпуска имеет примерно в четыре раза меньший предел

я отпуском объясняется наличием закалочных трещин в слое по указанным ранее причинам, через которые проникает коррозион­ ная среда к основному металлу, что приводит к его коррозионноусталостному разрушению. При отсутствии трещин, но наличии микропор в диффузионном слое среда также проникает к основ­ ному металлу, однако процесс коррозионно-усталостного разру -

124

шения протекает менее интенсивно, чем в случае закалки и от­ пуска. Из сравнения кривых коррозионно-усталостной прочности борированной стали после закалки и низкого отпуска, где внут­ ренние напряжения практически отсутствуют, и после з а к а л к и и высокого отпуска, где напряжения сжатия высоки, видно, что

лостного излома. Более медленное охлаждение после насыщения, которое, по нашему мнению, должно было резко уменьшить коли­

действительно повысило предел усталости на 10—15% (см. рис. 63).

Условный предел коррозионной усталости стали после электро­ лизного борирования увеличивается в 1,6—1,8 раза по сравнению со сталью без покрытия и находится на уровне прочности после порошкового контактного борирования с такой же толщиной слоя боридов.

Электролизное борирование стали 38XG снижает ее предел усталостной прочности на 25% по сравнению с нормализованными или ложноборированными образцами без покрытия [37, 82]. Изо­ термическая закалка этой стали после борирования уменьшает предел усталостной прочности на 46% по сравнению со сталью

125

П овы ш е нн ая травимость зоны под боридным слоем обусловлена, очевидно, обогащением ее углеродом, оттесненным с поверхности стали, который, связывая частично хром, уменьшает его коли­

примерно на 10% повышает предел усталостной прочности п почти

сталей Х17 и Х17Н2 можно объяснить различным строением диф­ фузионного слоя на этих сталях. Слой на стали X I 7 отличается равномерностью, в то время как на стали Х 1 7 Н 2 под основным бо­ ридным слоем происходит избирательная диффузия элементов по границам зерен. Это создает своего рода структурные концентра­ торы напряжений, являющиеся одной из основных причин отри­ цательного влияния борирования на усталостную и коррозионно-

В связи с тем, что большинство деталей машин имеет разные конструктивные и технологические концентраторы напряжений,

127

в работе [82] изучено влияние диффузионных покрытий на цикли­ ческую прочность образцов с концентраторами напряжений . Ре­ зультаты испытаний образцов (теоретический коэффициент кон­ центрации напряжений аа = 3,22) с различной толщиной диффу­ зионного слоя (0,10; 0,15; 0,19 мм) показали (см. табл. 21), что после порошкового контактного борирования предел усталости увеличивается примерно в два раза по сравнению с образцами без покрытий. При этом наблюдается тенденция незначительного уве­ личения предела усталости с ростом толщины диффузионного слоя. Исследования борированной стали 45 (толщина слоя 0,15 мм) с концентраторами напряжений, имеющими различные радиус

занных образцов в результате диффузионного борирования свя­ зана с различием в эпюрах напряжений, возникающих от действия внешней нагрузки. Действие остаточных сжимающих напряжений создает на гладких образцах асимметрию цикла (при действующем симметричном цикле нагружения) только лишь для поверхностных

по величине градиента к напряжениям от внешней нагрузки, по­ зволяют, если не полностью, то в достаточно большей степени разгрузить наиболее опасное сечение образца. Именно этим объяс­ няется высокая эффективность борирования для образцов с кон­ центраторами напряжений . Предел усталости образцов с концент­ ратором напряжений после борирования увеличивается примерно в два раза .

Предел усталости надрезанных образцов после электролизного борирования примерно на 10% ниже, чем после порошкового контактного, что связано с некоторым ростом зерна сердцевины

128

действуют осевые остаточные сжимающие напряжения 1-го рода ве­

о влиянии толщины диффузионного слоя на величину и характер распределения остаточных напряжений должно было бы увели­ чить максимальное их значение, однако нами наблюдалась обрат­ ная картина. Такое отклонение во влиянии толщины слоя на характер распределения остаточных напряжений вызвано спе­

ности. Поэтому наличие таких относительно «мягких» участков без боридов FeB приводит к частичной компенсации остаточных

прочности и остаточных напряжений видно, что для образцов с раз­ личной толщиной боридного слоя величина и характер распре­ деления остаточных напряжений по глубине слоя практически не оказывают влияния на величину предела усталости. В то же время из сопоставления литературных данных по остаточным напряже ­ ниям, возникающим в результате насыщения стали углеродом, азотом или после обкатки с соответствующими пределами уста­ лости, следует, что эффективность борирования, несмотря на вы­ сокие остаточные напряжения, весьма низкая по сравнению с упо­ мянутыми методами упрочнения. Это позволяет сделать вывод, что величина остаточных напряжений не является единственным определяющим фактором в повышении предела усталости. Д л я оценки влияния того или иного вида упрочнения необходимо учи­ тывать строение диффузионного (или упрочненного) слоя, характер сцепления его с основным металлом, когерентность решетки диф­ фузионного слоя, его прочность, пластичность, твердость, хруп­ кость и другие параметры. Сравнительно малый эффект упрочне­ ния после борирования, по-видимому, объясняется большой хруп­

На величину и характер распределения остаточных напря ­ жений в борированных сталях большее влияние оказывает

последующая термическая обработка, которая, мало влияя на изме­ нение свойств самого слоя, существенно изменяет структуру сердце­ вины, что приводит к перераспределению остаточных напряжений . Так, например, закалка с низким отпуском благодаря резкому увеличению удельного объема сердцевины (отпущенный мартенсит) практически полностью устраняет остаточные напряжения . При закалке и высоком отпуске, а также вакуумном отжиге величина и характер распределения остаточных напряжений изменяются незначительно.

Из сравнения результатов определения остаточных напряже ­ ний и циклической прочности видно, что закалка с высоким от­ пуском несущественно изменяет максимальное значение остаточ­

усталостной прочности борированной стали. Причина такого влия ­ ния термообработки на выносливость борированной стали заклю ­

увеличивается на 40—00% по сравнению со сталью без покрытия (см. табл. 21). Время до разрушения в области высоких амплитуд напряжений у борированной стали увеличивается в 4—10 раз, причем большая цифра относится к образцам с большей толщиной диффузионного слоя. С уменьшением значения коэффициента концентрации напряжений от 3,22 до 1,78 условный предел кор­ розионной усталости увеличивается в два раза после борирования по сравнению со сталью без покрытия. При снижении значения коэффициента концентрации до 1,21 условный предел коррозион­ ной усталости остается примерно на уровне образцов после бори­ рования с а 0 = 1,78. Ограниченная выносливость при больших амплитудах напряжений после борирования увеличивается в 3—4 раза. Условный предел коррозионной усталости образцов с кон­ центраторами напряжений после электролизного борирования находится на уровне выносливости после порошкового контакт­ ного борирования с толщиной диффузионного слоя 0,1 мм, однако при замедленном охлаждении выносливость несколько выше по сравнению с образцами, охлажденными на воздухе.

130

Таким образом, условный предел коррозионной усталости с

растворе NaCl объясняется некоторой пористостью диффузионного слоя, обусловленной меньшей толщиной слоя боридов в вершине концентратора, а также локализацией электрохимических про­ цессов в зоне концентратора.

5. Силицирование

Нами исследовалась усталостная прочность среднеуглеродистой стали, силицированной в порошковой смеси ферро­ силиция (30 вес. % ) , окиси алюминия (8—10 вес. % ) , хлористого аммония (10—12 вес. %) с добавкой кварцевого песка. Насыщение при температуре 900° С в течение 3 ч привело к образованию сравнительно плотных диффузионных слоев с толщиной нетравящейся (в 2%-ном растворе азотной кислоты) зоны 0,1—0,15 мм.

Предел усталости силицированной стали повышается на 15— 20% по сравнению с непокрытой сталью. З а к а л к а и последующий высокий отпуск способствуют еще большему повышению предела выносливости до 25—30%. Низкий отпуск закаленной силициро­ ванной стали снижает ее усталостную прочность.

Коррозионно-усталостная прочность стали после силицирования заметно повышается. При испытании в 3%-ном водном рас­ творе NaCl с частотой нагружения 50 гц на базе 20 млн. циклов предел усталости силицированной стали увеличился почти в три раза (с 5 до 14 кГ1ммг) по сравнению с непокрытой.

9*

Г Л А В А V I

ВЛИЯНИЕ ДИФФУЗИОННОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ НА УСТАЛОСТНУЮ И КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ СТАЛЕЙ

Диффузионному насыщению изделий из сталей и сплавов различными металлами в последнее время придается большое значение, так как такой способ обработки может придать деталям новые физико-механические и электрохимические свой­ ства, улучшить их эксплуатационные характеристики. Диффузион­ ное насыщение порой бывает единственно возможным методом ре­

циальные покрытия на основе диффузионной металлизации для повышения усталостной и коррозионно-усталостной прочности не разрабатывались. Однако с учетом того, что большинство дета­ лей в процессе эксплуатации подвергается комплексному воздей­ ствию ряда факторов, в том числе механических циклических нагрузок и коррозионных сред, часто существенно снижающему не­ сущую способность деталей вследствие проявления процесса кор­

132