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

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.10.2024

Просмотров: 111

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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

 

 

при

Предел усталости

пГ/мм1

 

 

базе 5хЮ' циклов,

 

Толщина

гладкие образцы

образцы с концентра­

Режны борирования

диффузи­

онного

 

 

тором напряжения

 

слоя, мм

 

 

 

 

 

 

в воздухе

в 3%-ном

в воздухе

в 3%-ном

 

 

растворе

растворе

 

 

 

NaCl

 

NaCl

950" С, 3 ч

0,10

30,5

8,0

20,0

3,5

950° С, 6 ч

0,15

31,0

10,0

19,0

3,5

950° С, 10 ч

0,19

30,0

10,0

21,5

4,0

Без борирования

 

25,5

5,0

10,0

2,5

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

с

толщиной

покрытия 0,15 и 0,19

мм и в 1,6 раза — для образцов

с

толщиной

слоя 0,1 мм, причем

время до разрушения в области

больших

амплитуд напряжений увеличивается в 4—5 раз . С уве­

личением

толщины диффузионного слоя время до разрушения

в области

больших амплитуд напряжений возрастает, что же ка­

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

усталости по

сравнению с закаленной сталью без покрытия

и в

 

 

 

 

 

 

два

раза

по сравнению с борирован-

 

 

 

 

 

 

ной сталью без закалки

(рис. 62).

Это

 

 

 

 

 

 

явление

можно

объяснить

 

наличием

 

 

 

 

 

 

большого числа трещин, возникаю­

 

 

 

 

 

 

щих

в

слое вследствие

различных

 

 

 

 

 

 

коэффициентов

линейного

расшире­

 

 

 

 

 

 

ния слоя и основного металла, а также

 

 

 

 

 

 

отсутствием

остаточных напряжений

 

 

 

 

 

 

сжатия

из-за примерно равного

 

 

 

 

 

 

удельного объема мартенсита основ­

 

 

 

 

 

 

ного металла и боридов при нор­

 

 

 

 

 

 

мальной

температуре.

Борирование

 

 

 

 

 

 

с последующей закалкой и высоким

 

 

 

 

 

 

отпуском

снижает

предел

 

усталости

 

 

 

 

 

 

на 20% по сравнению

со сталью

без

 

 

 

 

 

 

покрытия в таком же структурном

 

 

 

 

 

 

состоянии, а по сравнению с бориро-

 

 

 

 

 

 

ванной сталью без закалки предел

 

 

 

 

 

 

усталостной

прочности

увеличива­

0,05

 

0,51

5 Ю И,млн.

ется

на

20%.

Некоторое

 

снижение

Рис. 62.

Кривые

усталости

предела

усталости

можно

 

объяснить

наличием трещин

в слое

по

указан ­

(1—4)

и

коррозионной

уста­

лости (/—IV) образцов из

ста­

ным

ранее

причинам.

Однако

бла­

ли 45 без покрытия (1,3,1,

III)

годаря

 

значительным

остаточным

и борированной

(2,

4, II,

IV):

напряжениям сжатия

в слое,

дости­

1,2,1,

11

— закалка,

низкий от­

гающих

около

80

кГ 1мм2,

 

а

также

пуск; S, 4,

I I I , IV

— закалка, вы­

 

сокий отпуск.

 

 

 

меньшей чувствительности сорбитной

структуры основного металла по сравнению

с мартенситной к

концентраторам

напряжений (трещины

в слое) снижение

предела

усталости не так заметно, как в случае закалки и низкого

отпуска.

Условный

предел коррозионной усталости после закалки

и

от­

пуска (как низкого, так и высокого) увеличивается

несущественно

(см. рис. 62). Однако время до разрушения при высоких

ампли­

тудах

напряжений по

сравнению

с

борированной

сталью

без

за­

к а л к и

(после

вакуумного

отжига)

уменьшается

примерно

в

5—

6 раз . М а л а я эффективность борирования с последующей

закалкой

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

при

наличии

трещин

в

хрупком

диффузионном

слое

остаточные

н а п р я ж е н и я сжатия не оказывают существенного

в л и я н и я

на

условный предел коррозионной усталости борированной

стали.

После электролизного борирования, проведенного по обычной

технологии

(с

охлаждением

на воздухе),

предел

усталости

оста­

ется

на

 

уровне

образцов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

без покрытия (рис. 63),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

однако время до разруше ­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ния

при

амплитудах

 

на­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пряжений,

близких к пре­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

делу

усталости,

уменьша­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ется в 3—4 раза. Это объяс­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

няется

тем, что

после

на­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сыщения

и

последующего

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

охлаждения

 

на

воздухе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

диффузионный

слой

пок­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рывается

сеткой

трещин,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

часто не видимых

снаружи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(обнаружено при

последо­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вательном

 

стравливании

 

 

 

 

 

 

 

5

10 И,млн.

слоя боридов), хотя оста­

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

точные

напряжения

сжа­

Рис. 63. Кривые усталости (а) и коррози­

тия в слое достигают зна­

онной

усталости

(б)

 

гладких

образцов

чительной

величины

(при­

(1—3)

и

образцов

с

концентраторами

на­

близительно

50

кГ/мм2).

пряжений

(I—III)

 

из

стали

45

после

электролизного

борирования:

 

 

 

По-видимому, эти трещины

1, I — без

покрытия;

2,

II

— борирование,

предопределяют

место

за­

охлаждение

замедленное; 3, III

— борирование,

рождения и развития

уста­

охлаждение на воздухе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

чество трещин вследствие релаксации

напряжений, возникающих

в слое, а также вследствие меньшего

температурного градиента,

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

чество в твердом растворе. Увеличение толщины боридных

слоев

выше 0,10—0,12 мм приводит к

разрушению слоя и местному

отслоению наиболее богатой бором зоны (Fe, Сг) В.

Максимальная

микротвердость боридных слоев на указанных нержавеющих

ста­

л я х составляет 2200—2350 кГ/мм2.

Результаты исследований по­

казали, что борирование при 950° С на глубину

0,05—0.06

мм

примерно на 10% повышает предел усталостной прочности п почти

в два раза увеличивает условный предел кор-

 

розионно-усталостной

прочности

стали Х17

 

при чистом круговом изгибе (рис. 65).

 

Совершенно иначе влияет борирование на

 

изменение

 

циклической

прочности

стали

 

Х 1 7 Н 2 , предел

 

усталостной

прочности кото­

 

рой резко снижается с увеличением

времени

 

борирования .

При

наличии

слоя

толщиной

 

0,1—0,12

мм предел

усталостной

прочности

 

в три раза

меньше,

чем у ложноборирован-

 

ной стали. В коррозионной среде

 

(3%-ный

 

раствор NaCl) усталостная прочность стали

 

после борирования также снижается, однако

 

Рис. 65. Кривые усталости в воздухе

(1—5) и

 

3%-ном растворе

 

NaCl

(I—V)

образцов

из стали

 

Х17Н2 {1—3, I—III)

и Х17 (4, 5, IV, V).

Отжиг при

 

950° С (1, 4, I,

IV)

и борирование прп 950° С в тече­

 

ние 6 ч (3, 5,

III,

 

V) и 3 ч (2,

II).

 

0,1 0,51

5 N,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

толщина

слоя

в этом случае значительно меньше сказывается на

величине условного

предела

коррозионно-усталостной

прочности.

Различное

влияние

борирования

на циклическую

прочность

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-

усталостную прочность стали Х17Н2 . Кроме того,

стали Х17Н2

обладают

более

высокой

чувствительностью

к

концентрации,

чем

сталь

Х17. Автор данной монографии совместно с В. Г. Про-

циком

исследовал

влияние

легирования среднеуглеродистой ста­

ли

хромом,

никелем,, марганцем,

кремнием в

количестве до 5%

на

строение диффузионного

слоя и

коррозионную

выносливость

после

борирования (рис. 66).

 

 

 

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

127

Смотрите также файлы