Файл: Похмурский, В. И. Коррозионно-усталостная прочность сталей и методы ее повышения.pdf

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