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

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