![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Похмурский, В. И. Коррозионно-усталостная прочность сталей и методы ее повышения
.pdfДиффузионное меднение при толщине слоя около 0,2 мм сни
жает |
предел |
усталостной прочности гладких образцов с 25,5 |
до |
22,5 |
кГ/мм2. |
Заметное снижение предела усталости вызвано, |
по- |
видимому, спецификой строения слоя, приводящего к возникно вению большого количества структурных концентраторов напря жений в виде глубоких включений меди, а также значительно худшими механическими характеристиками диффундирующего элемента, вызывающими снижение прочности не только припо верхностного слоя, но и всей детали.
После меднения предел усталости образцов с концентраторами напряжений увеличивается на 15% за счет образования в зоне основного концентратора большого количества дополнительных структурных концентраторов напряжений, обусловленных весьма неравномерной диффузией меди в основной металл (преимуществен но по границам зерен). Эти дополнительные концентраторы являю тся разгружающими, они ослабляют действие основного концент ратора и несколько повышают выносливость.
Диффузионное меднение приводит к несущественному сниже нию условного предела коррозионной усталости и уменьшению времени до разрушения в области больших амплитуд напряжений . Анализ характера коррозионно-усталостного разрушения показал,
что через несплошности слоя меди на поверхности |
коррозионная |
||
среда проникает |
к твердому раствору меди в железе, |
что |
приводит |
к интенсивному |
его разъеданию, образованию глубоких |
раковин, |
из которых берут свое начало коррозионно-усталостные трещины. Аналогичные д а ш ш е получены в [177] при испытании образцов из стали 45, подвергнутой гальваническому меднению. Коррозион- но-усталостная прочность стали в 3%-ном растворе NaCl после
меднения уменьшилась почти |
в два раза . |
4. Алитирование |
|
Начало разработки |
методов алитирования относится |
к 1927—1930 г. Первые работы, посвященные алитированию, были выполнены Н . А. Минкевичем [122], Н . В. Агеевым, О. И. Вером [24], Ф. Г. Никоновым [130] и другими исследователями.
Алитирование до недавнего времени использовалось, главным образом, для повышения жаростойкости иизкоуглеродистых ста лей, а также в отдельных случаях среднеуглеродистых сталей и чугунов. В последнее время алитированию подвергают жаропрочные и окалиностойкие сплавы, а также применяют алитирование как метод защиты деталей от коррозии. Обзор по алитированию и его влиянию на некоторые свойства металлов приведены в монографиях [35, 82, 121,167].
В связи с тем что данных о влиянии алитирования на усталост ную и коррозионно-усталостную прочность имеется весьма огра ниченное количество, в работах [49,50] проведено изучение влия ния алитирования по различным режимам на выносливость угле-
144
родистых сталей в воздухе и коррозионной |
среде. Эксперименты |
|
проводились на образцах диаметром 8—10 мм при чистом |
изгибе. |
|
Было установлено [82], что алитирование в |
порошковых |
смесях |
по режиму, обеспечивающему получение толщины диффузионного
слоя 0,2 мм, снижает |
предел |
усталости |
среднеуглеродистой |
ста |
|||||||||||||
ли |
на 35—40%. Уменьшение |
толщины слоя до 0,1 мм |
приводит |
||||||||||||||
к снижению предела усталости до |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
25—30% (рис. 72). Образцы |
|
стали |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
45 с толщиной диффузионного |
слоя |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
около 0,045 мм имеют предел |
|
уста |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
лости почти такой же, как образцы |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
без покрытия. Д л я |
исследованных |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
режимов |
корреляция |
наблюдается |
24 |
|
3 |
i и*- |
|
||||||||||
также между пределом |
усталости |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
и микротвердостыо |
алитированно- |
20 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
го слоя: с увеличением |
|
микротвер |
V |
|
т |
|
|
|
|||||||||
дости прочность снижается. |
|
Отри |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
цательное |
влияние |
алитирования |
16 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
на |
усталостную |
прочность |
можно |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
объяснить |
высокой |
хрупкостью |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
диффузионного |
слоя за счет |
высо |
12 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
кого содержания алюминия в нем. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Предел |
усталости |
стали |
|
45 с |
|
|
|
|
\ / / / / |
|||||||
концентратором н а п р я ж е н и й после |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
алитирования, |
обеспечивающего |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
толщину |
|
диффузионного |
|
слоя |
0,1 |
0,5 7 |
|
5. 10 |
Ы,млн. |
||||||||
0,1 |
мм, |
увеличивается |
на |
30%, |
|
||||||||||||
а при толщине |
слоя |
0,045 мм — |
Рис. 72. Кривые |
усталости в воз |
|||||||||||||
остается |
на |
уровне |
выносливости |
||||||||||||||
духе (1—3) и 3%-ном |
|
растворе |
|||||||||||||||
образцов без покрытия. При |
NaCl |
( / — о б р а з ц о в |
|
из |
ста |
||||||||||||
наличии концентраторов |
напряже |
ли 45: |
|
|
|
|
|
||||||||||
ний |
наблюдается инверсия |
влия |
1,1 — отожженные; |
|
2, II |
и S, |
I I I ' — |
||||||||||
ния |
алитирования |
на |
выносли |
алитированные на |
глубину |
0,045 и |
|||||||||||
0,1 мм соответственно. |
|
|
|
вость по сравнению с гладкими об разцами: с увеличением толщины диффузионного слоя и микро
твердости повышается предел усталости (хотя двух режимов на
сыщения явно |
недостаточно |
дл я таких |
выводов). Это кажущееся |
по сравнению |
с гладкими |
образцами |
противоречие объясняется |
значительной разницей в толщине диффузионного слоя на гладкой части образца и в зоне концентратора [164]. Согласно металлогра фическим исследованиям толщина слоя в области надреза пример но в 2,5 раза меньше, чем на гладкой части. Возможно, что тол щина диффузионного слоя, равная 35—40 мк, является оптималь ной для порошкового алитирования и обеспечивает наибольшую выносливость стали 45.
При алитировании жидкостным методом «альфин» отрицатель ного влияния покрытия на усталостную прочность стали не бы ло обнаружено [267]. Результаты проведенных испытаний на
Ю 3—1220 |
145 |
усталость образцов из углеродистой и нержавеющих сталей типа
304 |
и 410 с алюминиевым покрытием (жидкостной метод) |
показали, |
||
что |
предел усталостной прочности для углеродистой стали типа |
|||
410 |
снижается на 10—15% |
и несущественно влияет на усталостную |
||
прочность стали типа |
304 |
[237]. |
|
|
|
Условный предел |
коррозионной усталости образцов |
из стали |
45 после алитирования в значительной степени зависит от толщи ны диффузионного слоя в исследованном интервале. При толщине слоя 0,1 мм условный предел коррозионной усталости увеличи вается в 1,4 раза, а ограниченная выносливость остается па уровне непокрытых образцов (см. рис. 72). С уменьшением толщины диф фузионного слоя до 0,45 мм условный предел коррозионной вы носливости возрастает в 2,6 раза. Время до разрушения в области высоких амплитуд нагружения увеличивается в 2—4 раза. Таким образом, при порошковом алитировании условный предел корро
зионной |
усталости |
наибольший у |
стали |
с толщиной покрытия |
|
0,045 мм в исследованном интервале |
толщин. Значительное повы |
||||
шение |
коррозионной выносливости |
после |
алитирования |
можно |
|
объяснить высокой |
коррозионной стойкостью слоя за счет |
образо |
вания окисной пленки, а т а к ж е за счет некоторой пластичности диффузионного слоя, которая увеличивается с уменьшением тол
щины слоя. Условный |
предел |
коррозионной |
усталости |
алити- |
||||||||||||
рованных |
образцов |
из |
сталей 45 с концентратором |
напряжений с |
||||||||||||
толщиной |
покрытия 0,1 мм увеличивается |
в 2,4 раза. С уменьше |
||||||||||||||
нием |
толщины |
диффузионного |
слоя до 0,05 мм |
условный предел |
||||||||||||
коррозионной |
усталости |
увеличивается |
|
примерно |
в |
четыре |
||||||||||
раза. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Термодиффузионное |
алитирование |
значительно |
повышает |
жа - |
||||||||||||
ро- и коррозионную стойкость изделий в горячих |
сернистых |
сре |
||||||||||||||
дах |
[91 [. |
Однако |
широкое |
внедрение |
на |
производстве |
изделий |
|||||||||
с этим покрытием тормозится |
из-за |
наличия |
в |
слое |
поверхност |
|||||||||||
ной |
хрупкой |
зоны. Эта зона имеет высокую |
микротвердость |
|||||||||||||
(до 600 кГ/мм2), |
легко выкрашивается, |
и |
поэтому |
слой |
обладает |
|||||||||||
малой деформационной |
способностью, |
пониженной |
усталостной |
|||||||||||||
прочностью при испытании на воздухе и т. п. |
|
|
|
|
|
|||||||||||
Применение скоростного электронагрева при алитировании из |
||||||||||||||||
паст |
позволило |
получить слои без |
хрупкой |
зоны, с |
пониженной |
концентрацией алюминия, что значительно повысило пластические свойства и термостойкость алитированного слоя. Изменение строе ния и фазового состава слоя при использовании электронагрева должно оказать влияние на усталостную и коррозионно-усталост
ную прочность стали. Проведенные [91 ] исследования |
на образцах |
|||||
диаметром 4 мм из стали Х5М (0,1% С; |
4,42% |
Сг; 0,57% |
Мо) |
|||
показали, что алитирование |
в порошкообразной |
смеси, состоя |
||||
щей из |
88% FeAl (50 : 50) + |
10% маршалита + 2 % |
хлористого |
|||
аммония |
при 1000 и 1100° С с выдержкой |
1 и 1,5 ч в |
случае |
печ |
||
ного нагрева (приблизительно 0,1 град/сек) |
обеспечило получение |
|||||
алитированных слоев толщиной 0,1 и 0,2.мм соответственно. |
|
146
Повышение скорости пагрева за счет применения |
т. в. ч. |
до |
|
50 град!сек |
и насыщении при 1050° С в течение 5 мин |
привело |
к |
получению |
диффузионного слоя толщиной 0,15—0,2 мм. Испыта |
ния показали, что алитирование как с медленным, так и с быстрым индукционным нагревом вызывает снижение предела усталости образцов соответственно на 36 и 27% (рис. 73).
Методы насыщения влияют па выносливость в коррозионной среде меньше, чем в воздухе, что обусловлено меньшими ампли тудами напряжений, меньшими деформациями диффузионного слоя, когда действие хрупкой составляющей слоя не проявляется .
При |
больших амплитудах |
напряже |
см |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ний долговечность образцов с тол |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
щиной слоя 0,1 мм в 6—10 раз выше, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
чем в образцах со слоем 0,2 мм. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Условный предел коррозионно-уста |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
лостной прочности |
т а к ж е несколько |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
больше у стали с меньшей толщиной |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
алитированного слоя. Условный пре |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
дел |
коррозионной |
|
усталости |
при |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
обоих видах алитирования увеличи |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
вается в 1,3—1,5 раза. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Д л я предотвращения |
|
образования |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
интерметаллидов |
с высоким |
содержа |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
нием |
|
алюминия можно |
ограничивать |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
содержание |
алюминия в реакционной |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
смеси, |
что |
легко |
осуществить |
при |
|
0,1 |
|
0£ 1 |
5 10 |
Ы,млн. |
||||||||
насыщении из обмазок с заданным |
|
|
||||||||||||||||
Рис. 73. Кривые усталости об |
||||||||||||||||||
количеством |
алюминия. В работе [82] |
|||||||||||||||||
изучалось влияние |
алитирования из |
разцов из стали Х5М в воздухе |
||||||||||||||||
(1—3) |
и 3%-ном растворе NaCl |
|||||||||||||||||
шликера (1000 см'л |
параксилола, 20 г |
|||||||||||||||||
(I-III): |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
полистирола |
кристаллического, 300 г |
lf |
I |
— i |
ложное |
алитирование; |
||||||||||||
пудры |
алюминиевой |
ПАК-З) на вы |
2, |
I I — алитирование на |
глубину |
|||||||||||||
0,1 |
мм; |
3, |
111 —- алитирование о |
|||||||||||||||
носливость |
образцов |
из |
стали |
45 в |
индукционным нагревом на глуби |
|||||||||||||
воздухе и 3%-ном |
|
растворе |
NaCl |
ну |
0,15 |
мм. |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
при |
чистом |
изгибе |
их |
с |
вращением |
Обмазку |
наносили |
на об- |
||||||||||
разцы |
два раза |
с |
промежуточной сушкой |
в |
вакуумном |
шкафу. |
||||||||||||
Д л я |
получения |
диффузионного |
слоя |
образцы |
с обмазкой |
нагре |
||||||||||||
вали |
|
нри 900° С в течение |
3—4 ч в |
герметичном, |
продуваемом |
осушенным аргоном, контейнере. Концентрация алюминия в диф фузионном слое составляла 10—15%, а микротвердость — около 300 кГ/мм2. Механические характеристики стали после такого насыщения меняются несущественно. Высокая пластичность ак тивированного слоя оказала положительное влияние на вынос ливость образцов. В отличие от алитирования в порошках насы щение в шликере с образованием слоя толщиной около 0,075 мм
привело |
к повышению |
предела усталости образцов |
из стали |
45 с |
|
25 до 29 |
кГ/мм2. |
Условный предел коррозионной |
усталости |
уве |
|
личился |
всего с |
5 до 7 |
кГ/мм2. |
|
|
10* |
147 |
Жидкостное алитирование (покрытие детали методом погруже ния детали в расплав алюминия) приводит к образованию на дета л я х слоя, состоящего из чистого алюминия на поверхности и ин-
терметаллидного промежуточного слоя, возникающего в резуль |
||||||||||
тате |
взаимодействия |
расплавлен |
||||||||
ного |
алюминия |
с |
обрабатываемой |
|||||||
деталью. На углеродистых сталях |
||||||||||
толщина |
|
интерметаллидного |
слоя |
|||||||
колеблется в зависимости от режи |
||||||||||
мов |
алитирования |
до |
нескольких |
|||||||
десятков |
|
и |
даже |
сотен |
|
микрон. |
||||
Обладая |
повышенной |
хрупкостью, |
||||||||
интерметаллидный |
|
слой |
|
снижает |
||||||
пластичность, |
выносливость |
и |
неко |
|||||||
торые |
другие характеристики сталей |
|||||||||
В работе |
[3] |
исследовалось |
|
влияние |
||||||
жидкостного |
алитирования |
|
на |
вы |
||||||
носливость |
углеродистых |
сталей в |
||||||||
воздухе и 3%-ном растворе |
NaCl. |
|||||||||
Испытания |
проводились |
на |
образцах |
|||||||
диаметром |
|
5 |
мм |
при |
чистом |
изгибе |
||||
их с вращением. Установлено, что |
||||||||||
алитирование |
снижает |
выносливость |
||||||||
образцов в воздухе с 24 до 21 |
|
кГ/мм2 |
||||||||
(рис. 74). |
|
В |
3%-ном |
растворе |
NaCl |
|||||
10 N, млн. условный |
|
предел |
усталости |
возрас |
Рис. 74. Кривые |
усталости об |
тает с 3 до 16 |
кГ/мм2. |
|
|
|
||||
разцов из стали |
45 |
в воздухе |
Д л я |
повышения |
пластичности |
|||||
(J—3) и 3%-ном растворе NaCl |
слоя за |
счет уменьшения |
толщины |
|||||||
(I-JII): |
|
|
|
|||||||
|
|
|
интерметаллидной |
зоны в |
ванну с |
|||||
1,1 — без покрытия; |
2, 11 — i али |
|||||||||
тирование в ванне |
из чистого алю |
расплавленным |
алюминием |
вводили |
||||||
миния; В, I I I — алитирование |
в |
до 7% |
кремния. |
В |
этом |
случае |
||||
расплаве, содержащем 7% кремния. |
||||||||||
|
|
|
|
толщина |
интерметаллидного |
слоя |
||||
уменьшилась при всех прочих равных условиях получения |
по- |
|||||||||
крытий с 0,02 |
до |
0,005 |
мм. |
|
|
|
|
|
|
|
Алитирование |
в кремнесодержащей ванне |
значительно |
уве |
личило выносливость стали при циклической деформации ее в уп руго-пластической области и не оказало существенного влияния на выносливость среднеуглеродистой стали по сравнению с алитированием из чистого расплава алюминия.
Комплексное насыщение углеродистой стали алюминием и бо ром (бороалитирование) в зависимости от соотношения компонен тов в реакционной смеси может увеличивать условный предел кор розионно-усталостной прочности при базе 5 X 107 циклов нагру жения до 2,5 раза [82].
148
5. Цинкование |
|
|
Диффузионное |
цинкование — довольно |
распростра |
ненный и эффективный |
метод защиты деталей от |
коррозии во |
многих агрессивных средах. Из анализа данных, приведенных в
литературе, |
следует, что диффузионное цинкование практически |
|||
не оказывает заметного влияния на механические свойства |
стали, |
|||
определенные при одноосном |
растяжении |
кратковременно |
дей |
|
ствующей |
статической силой |
[257]. Пр и |
испытании образцов |
диаметром 19 мм из стали |
марок 40У |
|
|
|
|
|||||||||||
и 2 0 Х Н , |
цинкованных в порошковой |
|
4 |
3 |
|
|||||||||||
смеси, |
разницы |
в |
пределах |
проч |
|
/ |
/ |
|
||||||||
ности, |
|
а |
также |
в |
относительном |
10 |
|
|
|
|||||||
удлинении |
и сужении |
между |
цинко |
+1 |
|
|
|
|||||||||
26 |
|
|
|
|||||||||||||
ванными |
и непокрытыми |
образцами |
|
|
|
|||||||||||
I18 |
|
|
|
|||||||||||||
не обнаружено [20]. Горячее |
цинко |
|
|
|
||||||||||||
вание углеродистых сталей (содержа |
|
|
|
|||||||||||||
ние |
углерода |
|
от |
0,43 |
до |
0,73%) в |
10 |
|
|
|
||||||
виде образцов диаметром 4 мм |
также |
6 |
|
N, млн. |
||||||||||||
а |
|
|||||||||||||||
существенно |
не изменило |
их |
проч |
Рис. 75. Кривые коррозионной |
||||||||||||
ности |
и |
пластичности |
при растяже |
|||||||||||||
усталости оцинкованных ста |
||||||||||||||||
нии |
[185]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
лей в пластовой воде нефтяных |
||||||||
Горячее |
|
цинкование |
в |
ванне |
скважин |
[82]: |
|
20ХН; |
||||||||
расплавленного |
цинка при |
темпе |
1 — сталь |
40У; 2 — сталь |
||||||||||||
3 — сталь |
15НМ; 4 — сталь 35Г2; |
|||||||||||||||
ратуре |
|
400° |
С |
заметно |
снизило |
5 — сталь |
40У без покрытия. |
|||||||||
(до |
20%) |
предел |
|
усталости |
угле |
|
|
|
|
|||||||
родистой проволоки в случае циклического |
нагружения |
[185 J. |
||||||||||||||
Вероятно, |
основная |
причина этого эффекта — сравнительно |
высо |
|||||||||||||
кая |
хрупкость |
диффузионного |
слоя, |
места разрушения |
которого |
являются эффективными концентраторами, снижающими усталост
ную прочность. Если |
образцы перед испытаниями |
подвергались |
коррозионному воздействию воды, условный предел |
коррозионной |
|
усталости непокрытой |
стали снижается на 65— 70%, |
а диффузион |
но циикованной стали — лишь на 30%, т. е. коррозионно-усталост ная прочность последней в два раза выше. Исследования показали, что цинковое покрытие толщиной 0,020—0,035 мм, наносимое на сталь диффузионным способом в порошковой смеси при темпера туре 380° С в течение 4 ч, существенно повышает коррозионноусталостную прочность стали. Перед испытаниями на усталость непокрытые и оцинкованные образцы из сталей 40У, 2 0 Х Н , 15НМ
и 35Г2 подвергали предварительной коррозии (без доступа |
воз |
духа) в течение одного месяца в пластовой воде нефтяных |
сква |
жин. Испытания на усталость с частотой нагружения 3000 |
об/мин |
при базе 107 циклов показали (рис. 75), что условный предел |
кор |
розионной усталости цинкованных образцов повышается на 35— 40% по сравнению с непокрытыми образцами. С увеличением вре мени испытаний (за счет уменьшения частоты нагружения до 45 цикл!мин) условный предел коррозионной усталости оцинкован-
149
ных сталей увеличился более чем в два раза. Результаты исследо ваний позволили применить диффузионное цинкование для за щиты насосных штанг, работающих в нефтяных скважинах с силь но коррозионной средой. Если обычные штанги через 1—3 месяца эксплуатации выходили из строя вследствие коррозионно-уста- лостного разрушения, то оцинкованные проработали более года [20 |. Коррозионно-усталостная прочность нормализованной и за тем цинкованной стали в 3%-ном водном растворе NaCl оказалась такой же, как у непокрытой стали на воздухе [120].
Влияние различных методов цинкования на усталостную и кор
розионно-усталостную |
прочность |
углеродистых |
сталей |
исследова |
|
но в [177 |, где показано, что |
при |
базе 2 X 107 циклов в |
распылен |
||
ном 3%-ном растворе |
NaCl |
как |
цинкование |
горячим |
способом |
(в расплаве), так и диффузионное цинкование (в порошках) обеспе чивают весьма надежное повышение коррозионно-усталостной прочности стали 50 в холоднотянутом и в нормализованном со стояниях. Условный предел коррозионной усталости составляет 93—100% предела усталости в воздухе. Толщина покрытия при
цинковании горячим и диффузионным способом составляла |
соот |
|||||
ветственно 0,048 и 0,013 |
мм. |
|
|
|
||
К а к |
было |
показано |
выше, объемная |
закалка |
углеродистых |
|
сталей |
не дает |
заметных |
преимуществ при |
работе |
детали |
в кор |
розионной среде, а при низком отпуске коррозионная выносли вость даже понижается. В работе [177] показано, что сочетание объемной закалки, и особенно закалки токами высокой частоты, с последующим цинкованием является весьма эффективным мето дом повышения коррозионной выносливости стальных изделий.
Г Л А В А VII
В Л И Я Н И Е Г А Л Ь В А Н И Ч Е С К И Х
П О К Р Ы Т И Й НА УСТАЛОСТНУЮ
ИКОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ СТАЛЕЙ
Процесс электролитического нанесения покрытий на изделия из сталей и сплавов широко применяется в различных областях техники для повышения коррозионной стойкости, изно состойкости, изменения электрофизических и химических свойств деталей. Часто гальваническое осаждение металлов используется и в декоративных целях.
Существуют методы получения покрытий из алюминия, хрома, железа, кобальта, никеля, меди, цинка, палладия, кадмия, индия, свинца, олова, висмута, серебра, золота, платины и других метал лов. Разработаны методы нанесения комплексных и многослойных
покрытий. Д л я управления |
свойствами |
конструкционных |
мате |
|
риалов чаще всего используют покрытия |
из |
хрома, никеля, |
кад |
|
мия, цинка, олова и т. д., |
для улучшения |
сцепления покрытия |
с основным металлом используют слой меди, которая может нано ситься и как самостоятельное покрытие.
1.Хромирование
Вработе [177 ] показано, что выносливость среднеугле-
родистой стали снижается гальваническими покрытиями в воздухе
хромом |
и никелем на 20—35%, медью — на 15%, кадмием — на |
||
10%. В |
случае |
покрытия цинком выносливость стали |
в воздухе |
не снижается. |
Хромирование оказало отрицательное |
влияние не |
только на усталостную прочность стали в воздухе, но и в такой агрессивной среде, как 3%-ный раствор NaCI. Только в 0,004%-ном растворе NaCI было получено несущественное повышение корро
зионно-усталостной прочности нормализованной |
стали |
30 |
|
(табл. 23). Д л я |
устранения вредного влияния хромирования |
на |
|
усталостную и |
коррозионно-усталостную прочность |
рекомендуе |
тся применять отжиг изделий. В работе [177] показано, что отжиг
при |
100—250° С не дает существенного эффекта. Д л я |
ликвидации |
||
отрицательного влияния |
хромирования |
необходимо |
температу |
|
р у |
отжига увеличить до |
650° С [179]. |
Положительное влияние |
151
высокотемпературного нагрева на выносливость хромированной стали описано в [30, 31 [.
Влияние хромирования на усталостную прочность стали в воз
духе |
|
зависит |
от |
методов |
и режимов |
обработки. |
Так, |
пористое |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
хромирование |
не |
повыша |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
23 |
ет, а блестящее хромирова |
||||||||||
Влияние хромирования на предел |
усталос |
ние — несколько увеличи |
|||||||||||||||||
ти образцов из стали 30 при базе |
10' |
цик |
вает |
предел |
усталостной |
||||||||||||||
лов |
[177] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прочности стали. В корро |
|||||||
|
|
|
|
|
Предел |
усталости, |
кГ/мм* |
зионной |
среде |
|
(растворы |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ном |
|
|
|
|
|
NaCl, пресная |
вода) |
галь |
||||
|
Образцы |
|
воздухев |
|
|
|
|
|
|
ваническое |
хромирование, |
||||||||
|
|
|
в растворе NaCl |
|
в растворе NaCl |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
ния, |
не дает заметных пре |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
- 0,004% |
|
|
ном - 3% |
|
|
режимов |
его |
осуществле |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
независимо |
от |
методов и |
||||
Нехромирован- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
имуществ. |
В |
работе |
[26I |
||||||
|
|
|
16,7 |
|
10,0 |
|
отмечается высокая порис |
||||||||||||
иые |
|
|
|
|
25,5 |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
тость хромовых покрытий. |
|||||||||||||
Хромированные |
|
20,3 |
18,2 |
|
|
8,7 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
Результаты |
исследова |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ния |
[821 |
показали, |
что |
|||
твердое |
электролитическое |
хромирование в стандартной |
хромовой |
||||||||||||||||
ванне |
(250 г/л |
хромового |
ангидрида |
и 2,5 |
г/л |
серной |
кислоты) |
||||||||||||
при |
температуре |
60° С |
и катодной плотности |
тока 35 |
а/дм2 |
при |
|||||||||||||
толщине слоя |
около 0,09 |
мм |
снижает |
предел |
усталостной |
проч |
|||||||||||||
ности |
стали |
45 |
на 25—30%. |
|
В |
коррозионной |
среде |
(3%-ный |
|||||||||||
раствор |
NaCl) |
условный |
|
предел |
коррозионно-усталостной |
проч |
|||||||||||||
ности |
хромированной |
и |
нехромированпой |
сталей |
оказался |
при |
|||||||||||||
мерно |
одинаковым. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
2. |
Никелирование |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
Данных |
о |
влиянии |
гальванического |
никелирования |
на усталостную и коррозионно-усталостную прочность сталей в литературе имеется ограниченное количество. Известно, что с уве личением плотности тока усталостная прочность сталей с никеле вым покрытием заметно снижается. Добавка в сульфатхлоридный электролит натриевой соли дисульфонафталиновой кислоты способствует переходу внутренних напряжений растяжения в на п р я ж е н и я сжатия и увеличению усталостной прочности никели рованной стали. Было отмечено, что величина сн жения выносли вости в воздухе в результате покрытий приблизительно пропор циональна толщине гальванически наносимого на сталь покрытия. Слабое защитное действие оказывают гальванические никелевые покрытия на сталь, работающую в брызгах солевого раствора [269].
В работе [187] исследовано влияние гальванического и хими ческого никелирования на коррозионно-усталостную прочность образцов из нормализованной стали 45 в различных средах. Уста новлено, что гальваническое (с подслоем меди и без него) и хими-
152
ческое никелирования не защищают от коррозионно-усталостного разрушения и даже уменьшают выносливость сталей в коррозион
ных средах. |
|
Гальваническое покрытие медью снизило |
коррозионно-уста |
лостную прочность сталей в пресной и соленой |
воде в два раза - |
покрытие кадмием практически не повлияло на |
коррозионно-уста |
лостную прочность углеродистой стали в нресной воде и существен но повысило ее в соленой воде (на 76%).
Условный предел коррозионно-усталостной прочности образ цов из стали 40ХНМА в 4%-ном растворе NaCl после кадмирова-
ния |
повысился |
на 30%, а после хромирования снизился |
на |
|
10% |
[123]; фосфатирование мало |
изменяет коррозионную вынос |
||
ливость стали. |
|
|
|
|
|
3. Никель-кадмиевые покрытия |
|
||
|
Выше |
было показано, |
что независимо от режимов |
тер |
мической обработки ряд нержавеющих сталей, в том числе сталей Х 1 7 Н 2 , 1Х12Н2ВМФ, слабо сопротивляются циклическим нагруз кам при одновременном воздействии коррозионной среды. Услов
ный предел коррозионно-усталостной |
прочности |
указанных |
нер |
||||||||||||||||
жавеющих сталей в 3%-ном растворе |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
NaCl при базе 5 X 107 циклов нагруже- |
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ния |
почти такой ж е , как |
мало- и сред- |
,\ j |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
неуглеродистой стали с перлито-фер- Ч |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
ритной |
или |
сорбитной |
структурой, в |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
то время |
как |
|
коррозионная |
стойкость |
/гд| |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
их |
в ненапряженном состоянии в де |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
сятки раз выше, чем, например,стали |
45. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
В работе [154] установлено, что при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
нанесении никель-кадмиевого покрытия |
| |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
на |
закаленную |
и |
отпущенную |
сталь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Х 1 7 Н 2 (толщина никеля и кадмия со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ответственно составляла 10 и 5 мкм) |
^ \ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
предел |
усталости |
снизился |
с |
49 |
до |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
47 кГ1ммг |
(рис. 76). |
В |
коррозионной |
J-?| |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
среде влияние |
никель-кадмиевого |
по |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
крытия |
|
оказалось |
более |
заметным. |
j # | |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
П р и |
базе 2 X 107 циклов такое покры |
2g \ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
тие достаточно хорошо защищает сталь |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
от коррозионно-усталостного |
разруше |
гг[ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ния, при этом не наблюдается замет- |
|
|
|
|
|
щ |
н,мпн. |
||||||||||||
ных |
изменений |
в структуре |
покрытия. |
|
|
|
/ |
5 |
|
||||||||||
Однако |
|
при |
достижении |
базы |
около |
р „ . |
7 |
R ' |
„ |
|
усталости |
||||||||
о |
m i |
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
Рис. 7о. |
Кривые |
||||||
2 X |
107 циклов условный предел кор- |
образцов из стали |
Х17Н2 в |
||||||||||||||||
розионно-усталостной |
прочности |
рез- |
воздухе |
(1, |
2) |
и 3%-ном |
|||||||||||||
ко |
снижается |
|
(с |
35 |
до |
28 |
кГ/мм*), |
Растворе |
NaCl |
(/, |
/ / ) : |
||||||||
что |
можно |
|
объяснить |
|
частичным |
и1, 1 i |
~ |
б е з п о к р |
ы т и |
я ; |
2. |
и |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
никель-кадмиевым |
покрытием. |
153