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

Газовое контактное хромирование проводилось в порошковой реакционной смеси, состоящей из 50% феррохрома (Хр 00; Х р ООО),

43% окиси алюминия и 7% хлористого аммония при температуре 950—1100° С в течение 2—20 ч. При таком насыщении на по­ верхности образцов из средне- и высокоуглеродистых сталей воз­

и комплексных карбидов (Fe, Сг)7 С3 , а еще глубже — обезуглероженная зона. Поскольку насыщение сталей из порошков про­ ходит с участием азота, образующегося вследствие распада аммиа­ ка, возможно образование и нитридов. Рентгеноструктурным ана­ лизом подтверждено существование нитрида хрома Cr 2 N . В за­ висимости от режимов насыщения общая толщина диффузионного слоя на среднеуглеродистой стали может изменяться в пределах 0,04—0,12 мм, а толщина карбидной зоны может составлять 0,008—0,045 мм. Микротвердость диффузионного слоя составляла 1500—1900 кГ/мм2. Газовое хромирование контактным способом, осуществленное при температуре 950° С в течение 2 ч, привело к повышению предела усталости стали 45 с 27 до 29 кГ/мм2. Уве­ личение времени выдержки при насыщении до 6 и 10 ч снизило полученный эффект, и усталостная прочность хромированной по этим режимам стали почти не отличается от прочности нехромированной. Аналогичные результаты в изменении усталостной проч­ ности получены для стали 45, хромированной при температуре

ности, а увеличение времени выдержки до 20 ч привело даже к некоторому ее снижению (рис. 68). Можно отметить, что в ука­ занном диапазоне температур и времени газового контактного хромирования, который рекомендуется дл я применения в промыш­

усталостная прочность при насыщении по таким режимам изме­ няется несущественно. Изменение усталостной прочности стали 45 после газового неконтактного хромирования подобно изменению прочности контактно хромированной стали, хотя повышение про­ должительности хромирования с 2 до 8 ч вызвало снижение предела усталости с 27 до 21 кГ'/мм2. Таким образом, газовое контактное хромирование по режимам, позволяющим получить сравнительно тонкие карбидные слои (толщиной до 0,010 мм), приводит к по­ вышению предела усталости на среднеуглеродистой стали 15— 20%.

Рост толщины карбидного слоя за счет увеличения выдержки и повышения температуры процесса способствует снижению вы­ носливости хромированной стали вплоть до значения вьшосли-

133

вости пехромированной стали и даже ниже. Результаты исследо­ ваний [821 показали, что изменение температурно-временных ре­ жимов хромирования различно влияет на коррозионно-усталост- ную прочность стали. Т а к , газовое контактное хромирование при температуре 950° С, хотя и обеспечивает возникновение сравни­ тельно высоких остаточных напряжений сжатия на поверхности

1

стали 45 в 3%-ном водном растворе NaCl. Причиной этого является, по-видимому, несплошность диффузионного слоя в виде точечных дефектов, через которые коррозионная среда проникает ь цикли­ чески деформируемому основному металлу. В то же время корро­ зионная стойкость хромированной по таким же режимам стали, находящейся в ненапряженном состоянии, высокая. Очаг корро- зионно-усталостного разрушения диффузионно хромированной стали имеет специфический вид, обусловленный наличием катод­ ного покрытия, которым является диффузионный хромированный слой. Под хромированным слоем, имеющим незначительный де­ фект, коррозионному разрушению подвергается большой объем металла. Коррозионно усталостная трещина на хромированной стали развивается иногда до значительных размеров, прежде чем

134

разрушится образец. Несмотря на рост толщины диффузионного слоя на стали 45 после газового контактного хромирования при

на некоторое снижение остаточных сжимающих напряжений, вы­

сплошностью диффузионного слоя. Таким образом, причиной повышения условного предела коррозионной усталости стали, мож­ но, вероятно, считать, наряду с наличием на поверхности остаточ­ ных напряжений сжатия, также хорошую сплошность коррозионно стойкого хромированного слоя. Результаты исследования кор­

условный предел коррозионной усталости примерно на 60%. Еще большее повышение коррозионно-усталостной прочности наблю­ дается при росте толщины диффузионного (карбидной зоны) слоя до 0,030—0,035 мм за счет увеличения времени выдержки до 10 ч upu насыщении с температурой 1100° С. Условный предел корро­ зионной усталости в этом случае повышается почти в три раза. Дальнейшее увеличение времени насыщения до 20 ч, при котором толщина карбидной зоны достигает 0,050—0,055 мм, почти не влияет на коррозионно-усталостную прочность стали. Сплошность

Изучение усталостной прочности стали 45, подвергнутой диф­ фузионному хромированию различными методами по режимам, обеспечивающим образование карбидной зоны толщиной 0,010—

тактное хромирование привело к существенному снижению пре­

135

Из сравнения усталостной прочности стали 45, хромированной различными методами с образованием сравнительно толстых кар ­ бидных зон (0,030—0,035 мм), видно (рис. 69), что после газового контактного хромирования предел усталости не изменился по сравнению с нехромированной сталью, а после газового неконтакт­ ного хромирования он снизился на 20—25% [82]. Сравнительно тонкий диффузионный слой (толщина карбидной зоны 0,010— 0,012 мм), созданный различными методами хромирования, не

\1 увеличения времени выдержки условный предел коррозионной

и характер их распределения, прочность и циклическую прочность карбидной, переходной и обезуглероженной зон диффузионного слоя, характер строения, сцепление и взаимодействие этих зон друг с другом и с основным металлом и т. п. Дальнейшее изучение всех этих вопросов будет способствовать более глубокому иссле­ дованию механизма разрушения диффузионно хромированных сталей [164].

Значительное снижение усталостной прочности стали после электролитического хромирования обусловлено наводороживанием образцов и отрицательным действием в поверхност! ых слоях оста­ точных напряжений растяжения, достигающих при используемых в данном случае режимах хромирования 15—20 кГ/мм2 [177]. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что

136

не только режимы, но и методы хромирования оказывают замет­ ное влияние на усталостную прочность стали.

Большинство деталей машин и механизмов имеют различные конструктивные и технологические концентраторы н а п р я ж е н и й , часто предопределяющие разрушение деталей. В связи с этим изучение влияния диффузионного хромирования на чувствитель­ ность сталей к концентрации напряжений имеет важное значение. Результаты исследования влияния концентрации напряжений на усталостную прочность стали 45, подвергнутой газовому контакт­ ному хромированию, показали, что диффузионное хромирование существенно снижает чувствительность стали к концентрации на­ пряжений . Уже тонкий диффузионный слой (толщина карбидной зоны 0,010—0,012 мм), образовавшийся в случае насыщения в те­ чение 2 ч при температуре 1100° С, обеспечил повышение предела усталости на 35—40%. С увеличением толщины диффузионного слоя до 0,030 —0,035 мм за счет более продолжительной выдержки

Остаточные напряжения сжатия, образующиеся при диффу­ зионном хромировании сталей, несущественно влияют на выносли­ вость гладких образцов, однако значительно повышают усталост­ ную прочность образцов с концентраторами напряжений . Остаточ­ ные сжимающие напряжения имели более благоприятное влияние на выносливость грубообработанных (т. е. имеющих концентра­ торы напряжений) деталей, чем тонкообработанных. В работе

0,035 мм) уменьшает остроту надреза концентратора, что вызывает повышение выносливости образцов с концентраторами напряже ­ ний. Результаты проведенных исследований показали, что диф­ фузионное хромирование снижает чувствительность стали к кон­ центрации напряжений при одновременном действии циклических напряжений и коррозионной среды. Д а ж е сравнительно тонкий диффузионный слой с толщиной карбидной зоны 0,008—0,012 мм,

137

диффузионного слоя образуются микротрещины, которые ослабля­ ют действие концентратора напряжений . Хромированный слой, не имеющий несплошностей (толщина карбидной зоны 0,030— 0,035 мм), еще больше повышает условный предел коррозионной усталости стали (примерно в четыре раза, т. е. с 2 до 8 кГI мм2).

Термообработка хромированной стали, заключающаяся в за­ калке и последующем отпуске, нежелательна для деталей, рабо­ тающих длительное время в воздухе на циклический изгиб. Ис­ следование выносливости хромированной стали 45, подвергнутой последующей закалке (840° С) и отпуску (560° С) при одновремен­ ном воздействии циклических напряжений и коррозионной среды, показали, что условный предел коррозионной усталости хроми­ рованной и термообработанной стали практически не отличается от термообработанной нехромированной стали и не намного выше (на 1,5—2 кГ/мм2), чем у нехромированной без термообработки. В то же время, как уже говорилось, условный предел коррозион­ ной усталости хромированной стали без термообработки повышае­ тся почти в три раза.

Причиной снижения коррозиошю-усталостной прочности хро­ мированной и термообработанной стали при больших базах испы­ таний является наличие трещин в диффузионном слое. Таким об­ разом, закалка с отпуском не может быть рекомендована для диф- фузионно-хромированных углеродистых сталей, подверженных одновременному действию циклических напряжений и коррозион­ ных сред.

Исследование влияния содержания углерода в сталях на их выносливость после газового контактного хромирования при тем­ пературе 1100° С в течение 10 ч проводилось [82] на сталях 20, 45 и У8. Ранее было показано, что диффузионное хромирование по указанному режиму практически не влияет на предел вынос­ ливости стали 45. Аналогичная картина наблюдается также для

ливости объясняется, вероятно, высокой хрупкостью сравнительно толстых карбидных слоев на поверхности стали. Предел усталости

ности малоуглеродистой стали из-за дефицита углерода не образуе­ тся толстая карбидная зона и положительное действие остаточных сжимающих напряжений не снижается хрупкостью карбидного слоя так сильно, как это наблюдается у высокоуглеродистых сталей.

Условный предел коррозионной усталости углеродистых ста­ лей, независимо от содержания в них углерода, после диффузион­ ного хромирования повышается в 2,5—3 раза. Характер корро- зионно-усталостного разрушения диффузионно-хромированных уг­ леродистых сталей типичен для разрушения стали с катодным покрытием (рис. 70).

138