CC BY
14
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛА
Обеспечение коррозионной стойкости деталей машин при механической обработке
О. Н. ФЕДОНИН, доцент, канд. техн. наук, докторант, БГТУ,
а. Брянск
При изготовлении детали коррозионную стойкость технологическими методами можно обеспечить засчет создания определенного качества поверхностного слоя при механической и термической обработке.
При этом коррозионная стойкость деталей машин будет зависеть от качества поверхностного слоя, от свойств коррозионной среды и условий корродирования.
С учетом перечисленного модель коррозии детали может быть записана в виде:
Ук =Ук0 -КС-Кук, (1)
гдеУк - коррозионная стойкость стали;
УКо - коррозионная стойкость детали (образца) сравнения. В качестве детали сравнения принимается образец из того же материала после химическсо травления и корродирующий при полном погружении в дистиллированной воде;
КС - комплексный параметр качества поверхностного слоя детали, характеризующий коррозионную стойкость детали после механической обработки [5]:
- для нетермообработанных деталей ,
/ ^ \п
_тт„«
КС = Uh
28-10 Rv (100-tm)2
Sm
(2)
гдеП - коэффициент, зависящий от условий корродирования;
П = 0,5 - для сухой коррозии; II = 0,7 - для влажной и мокрой коррозии; П = 0,66 - для коррозии при полном погружении; ин, Бш - параметры качества поверхностного слоя детали.
для термоупрочненных деталей,
28-Ю6 Rv
KC = bo
f нв I ы '
[HBOJ V
\n
(100-tm)'
♦Sm'
(3)
гдеНВо и НВ - твердость материала до и после термоупрочнения соответственно;
Ъо и Ь>1 - коэффициенты, зависящие от марки материала: для низкоуглеродистых сталей Ьо = 0,713; Ь] = 5,72; для среднеуглеродистых сталей Ьо = 0,74; Ь| = 5,57;
Кук - коэффициент, учитывающий влияние условий корродирования на скорость коррозии:
Кук = Кт • Кс • Ке • Крн , (4)
гдеКт - коэффициент, учитывающий влияние толщины пленки влаги на поверхности детали;
Кс - коэффициент, учитывающий агрессивность коррозионной среды;
К©" коэффициент, учитывающий влияние температуры коррозионной срэды на скорость коррозии детали;
Крн - коэффициент, учитывающий влияние концентрации ионов Н+ на скорость коррозии детали;
При эксплуатации детали на ее поверхности могут формироваться пленки влаги различной толщины. Толщина данной пленки будет зависеть эт формы и размеров микронеровностей поверхности, загрязненности поверхности, влажнозти воздуха и т.д.
При этом зависимость скорости коррозии от толщины пленки влаги на поверхности можно представить в виде графика (рис. 1) [2, 3].
Область сухой коррозии наблюдается при влажности воздуха у s 98% при адсорбционной, химической и капиллярной конденсации влаги из воздуха, область мокрой коррозии наблюдается при влажнозти у > 99 % при капельной конденсации влаги из воздуха и при прямом попадании атмосферных осадков на поверхность металла. Приведенную на рис. 1 зависимость можно представить в виде кусочно-непрерывной функции:
К Т = Ш> (5)
где КТ = 20И; 11<10~2мкм;
Кт = 5Ьо,695; 10"2 < Ь < 1,0 мкм;
Кт = 5e-<)'00,6h; 1,0 < Ь < 1000 мкм;
Кт = 1,0; 1000 <Ь мкм;
Н - толщина пленки влаги, мкм.
10"' 1 1000 h, мкм
Рис. 1. Зависимость изменении скорснли коррозии металла от толщины пленки влаги на ее поверхности: I - область сухой коррозии; II - область влажной коррозии; III - область мокрой коррозии; IV - область коррозии при полном погружении i
Толщина пленки влаги на поверхности металла может
быть опэеделена по зависимостям [3]:
h = 2,37-Ю"8ф3,8074 мкм; <р £ 98 % (6)
h = Rz мкм; 98 < ф < 100 %, мелкая роса (7)
h = 100 мкм; крупная роса (8)
h= 100-500 мкм; осадки ¡9)
h = 500 - 1000 мкм; периодическое окунание в жидкость (10)
гдеф - относительная влажность воздуха, %. Агрессивность среды может быть учтена с помощью коэффициента Кс (табл. 1), зависящую от химического состава среды, ее загрязненности и т.д. [2].
22
№ 3 (24) 2004
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛА
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Исследования различных авторов [1, 2, 3] зависимости скорости коррозии металлов от температуры показывают, что в условиях атмосферной коррозии увеличение температуры прямо пропорционально приводит к увеличению скорости коррозии, а при полном погружении с увеличением температуры вначале скорость коррозии растет и достигает максимума при 0 =70°С, а затем снижается (рис. 2), что объясняется резким снижением растворенного кислорода в воде при температуре (3 >70°С. С уменьшением концентрации деполяризатора скорость коррозии снижается.
Влияние на скорость коррозии температуры может быть учтено с помощью коэффициента Ке, определяемого по зависимостям: для атмосферной коррозии:
Ке = 0,674 + 0,019 0 (11)
дгя коррозии при полном погружении:
Ке = - 1,2476 + 0,106 0; 20<©<70°С (12)
Ке = 21-0,2125 0 ; 7О<0<9О°С (13)
Зависимость скорости коррозии детали от концентрации иэнов Н+ (рН среды) можно изобразить в виде графика (рис. 3) [1, 3].
Влияние на скорость коррозии рН среды может быть учтено с помощью коэффициента Крн, определяемого по зависимостям:
Крн = 26-5 рН; рН < 5 (14)
КрН=1,0; 5 < рН < 12 (15)
КрН = -23 + 2рН; 12 ^ рН (16)
При необходимости обеспечения тэебуемой коррозионной стойкости [Ук] механическими методами обработки анализируется возможность ее обеспечения механической обработкой и выбором материала детали:
-^] = УК0.КС (17)
Кук
Коррозионная стойкость образцов сравнения приведена в табл. 2, возможности методов механической обработки
по обеспечению комплекс-Таблица 1 ного параметра, характеризующего коррозионную стойкость - в табл. 3.
Если выбор материала детали уже произведен, то определяют значение комплексною параметра качества КС
[УК]
КС =-^— (18)
После чего производят выбор метода обработки поверхности детали по табл. 3.
Обеспечить требуемое значение параметра КС при механической обработке можно двумя способами. Первый предполагает двух-этапное обеспечение параметра:
- на первом этапе определяются значения параметров качества поверхностного слоя 1_Гн, ку, Ш1, Бш, обеспечивающие требуемое значение параметра КС;
- на зтором этапе определяется метод обработки поверхности и условия обработки, обеспечивающие заданные значения параметров качества поверхностного слоя детали.
Второй способ предлагает одноэтапное обеспечение параметра КС за счет выбора соотостстоующего метода и условий обработки.
ко
6--
5 --
4----1
2--
1--
10 20 30 40 50 60 70 80 90 0, °С
Рис. 2. Зависимость изменения скорости коррозии металла от температуры: 1 - коррозия в парах воды; 2 - коррозия в дистиллированной воде
Влияние агрессивности коррозийной среды на скорость коррозии
Название Коррозионная стойкость стали, мм/год Коррозионная сто йсосгь стали, балл Обозначение Коэффициент Кс Состав среды
Неагрессивная до 0,01 до 0,01 1-3 Н1 0,25 Деаэрированная пресная м морская поло; пресная очень жесткая вода без примсссй С/, помещения с влажностью ф < 70%, и содержанием БОг < 0,02 мг/м3 и С/<0,03 ут/м2. сут.
0.01 0,02 C1 С2 1,0 2,0 Дистиллированная вода Пресная вода с содержанием Г^^-Ю"4 М, помещения с влажностью ф < 70 - 80%
Слабая 0.01+0.05 0,03 4-5 сз 3,0 Пресная вода с содержанием М^* 510'5М, помещения с влажностью ф < 85%
0,04 С4 4,0 Пресная вода; Сельская зона
0,05 С5 5,0 Пресная минеральная вода; городская зона с содержанием С/« 0,03 мг/м2.сут.
0,06 С6 6,0 Пресная минеральная вода, напыщенная СОг; городская
Средняя 0,05+0,5 0.1 0,2 0,3 6 СЮ С20 СЗО 10 20 30 промытшштая зона Морская вода; промышленная морская зона Морские брызги; промышленная зона с содержанием БОг» 03 мг/м3 Морские брызги; промышленная зона с содержанием 802 0.5 иг/м3
0,4 С40 40 Гальванические, травильные цеха
0,5 С50 50 Промышленная зона и цеха с содержанием БОг « 0,75 мг/м3
0,6 С60 60 Загрязненная промышленная зона и цеха с содержанием 50> - 0,85 мг/м3
Сильная более 0,5 0,7 0.8 7 С70 С80 70 80 Загрязненчая промышленная зона и цеха с содержанием ЯОг = 1,0 иг/м3 Загрязненная промышленная зона и цеха с содержанием БОг > 1,0 мг/м3 и сильной запыленностью
0,9 1.0 С90 С100 90 100 Электролиты с содержанием НгБОд — 0,08% Электролиты с содержанием НгБОд »0,1%
№ 3 (24) 2004 23
Ом
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Таблица 2
Коррозионная стойкость образцов сравнения
Марка стали Коррозионная стойкость УКо > мм/год
сталь 3 0,023
10 0,030
20 0,020
20Х 0,017
30 0,030
30ХГСА 0,028
40 0,019
40Х 0,017
45 0,021
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛА
Возможность методов обработки Таблица 3
в обеспечении параметров качества и комплексного параметра коррозионной стойкости наружных поверхностей вращения деталей машин
В настоящее время реализация первого способа не представляет сложностей, так как создано большое число справочников, нормалей и другой нормативно-технической документации, позволяющей достаточно точно определить условия обработки для получения поверхностного слоя детали с требуемыми параметрами качества [30, 52, 59, 60]. Второй способ наиболее предпочтителен, однако в настоящее время реализовывать его на практике достаточно сложно, так как не существует соответствующей справочной документации.
Для реализации второго способа были получены следующие многофакторные зависимости для сред-неуглеродистых легированных сталей:
- точение
КС = 1274 • V0,416 • Бо^52 • I0,468 х
-0,312 #
Метод обработки Параметры качества поверхностно: о слоя детали
Ка, мкм 8т, мм ин,% Ин, мм КС
Обтачивание черное получистовое чистовое 12-40 2,0-16 0,8-2,5 0,32-1,25 0,16-0,40 0,08-0,16 10-50 10-40 20-40 0,2-0,5 0,15-0,30 0,05-0,20 4,2-73 3,2-13,3 6,8-13,1
Шлифование черное чистовое тонкое плосковершинное 1,0-2,5 0,2-1,25 0,05-1,25 0,32-2,5 0,63-0,2 0,025-0,1 0,008-0,025 0,063-1,25 10-40 10-30 0-20 0-10 0,05-0,08 0,02-0,05 0,01-0,02 0,01-0,015 7,3-6,9 8,9-10,6 9,8-15,4 2,0-1,0
Суперфиниширование и полирование обычное плосковершинное 0,032-0,25 0,25-2,0 0,006-0,02 0,05-1,25 0-20 0-10 0,02-0,06 0,01-0,02 10-20 2,3-1,0
Полирование обычное плосковершинное 0,008-0,08 0.10-0.80 0,008-0,025 0,032-0,20 0-20 0-10 0,01-0,02 0,005-0,01 2,7-3,7 2,2-1,0
Притирка обычная плосковершинная 0,01-0,10 0,10-0,80 0,006-0.04 0,032-0,2 0-20 0-10 0,005-0,01 0,005-0,008 4,7-4,2 2,3-1,2
Обкатывание черное чистовое 0,8-2,5 0,05-1.00 0,2-1,25 0,025-0,2 30-80 20-70 0,8-5,0 0,3-2,0 2,9-2,7 4,9-13.8
Выглаживание Вибронакатывание Электромеханическая Магнитно-абразивная 0,05-2,0 0,063-1,6 0,02-1,16 0,02-1,16 0,025-1,25 0,01-10,5 0,025-1,25 0,008-1,25 20-70 10-70 40-30 0-Ю 0,3-3,0 0,1-3,0 0,05-1,5 0,01-0,03 4,9-1,7 13,9-15,0 5,9-10 5,0-1,0
- растачивание
КС = 79,7 • у0,052 • Бп'104 • I0,156 х
,0,104 'о
X г^416-п).(50+у)-
а
.0,364 • 0,572 ^СТ
(19)
г(-0,052-п) (50+уу
^-0,572 • 0.468 * .|СТ
(20)
V*
V.
2 3 4 5 6 7 8 9 1011 121314 рН Рис. 3.
Зависимость изменения скорости коррозии металла от рН среды
где V - скорость резания (50 - 150 м/мин); Бо - подача на оборот (0,05 - 0,5 мм/об); Ь глубина резания (0,15- 0,9 мм); Гв- радиус вершины резания (0,5 - 2 мм); П - коэффициент, зависящий от условий корродирования:
П = 0,66 при коррозии в жидкости; П = 0,7 при влажной и мокрой коррозии; П = 0,5 при сухой коррозии; У - передний угол (4( - (-4)(); а - задний угол (3( - 7(); ]сг - жесткость станка (10-40 кН/мм). - алмазное выглаживание
>-0,2418 с 0,3676
КС = 13,5 • Р™. • Каисх (21)
где V - скорость выглаживания (10-50 м/мин); Бо - подача на оборот (0,05 - 0,1 мм/об);
0,0269
24
№ 3 (24) 2004
ТЕХНОЛОГИЯ
обработка металлов
Р - усилие выглаживания (80 - 160 Н);
Ra„cx - исходная шеэоховатость поверхности (0,5 - 2,5 мкм);
Гв - радиус выглаживателя (2,5 мм);
Получение подобных зависимостей для других методов обработки в настоящее время достаточно перспективно и важно
Литература
1. Герасимов В.В. Прогнозирование коррозии металлов. - М.: Металлургия, 1989. 2. Защита от коррозии, старения и биоповреждения машин, оборудования и сооружений: Справочник. В 2 т. Т. 1 / Под ред. A.A. Герасименко. - М.: Машиностроение, 1987. 3. Исаев Н.И. Теория коррозион-
ных процессов. М.: Металлургия, 1997. '4. Федонин О.Н. Технологическсе обеспечение коррозионной стойкости деталей машин Ч Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века / Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. в г. Севастополе 10-16 сентября 2001 г. В 3 т. - Донецк: Дон-ГТУ, 2001, Т. 2. - С. 267 - 272. 5. Федонин О.Н. Инженерия поверхности детали с позиции ее коррозионной стойкости // Инженерия поверхности. Машиностроение. Справочник. Инженерный журнал. Приложение № 10, 2001. - С. 2 - 5. 6. Федонин О.Н. l/нженерия поверхности детали с позиции накопленной внутренней энергии // Инженерия поверхности. Машиностроение. Справочник. Инженерный журнал. Приложение № 8, 2002. - С. 23 - 24. 7. Качество машин: Справочник. В 2 т. Т. 1 / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, H.A. Вит-кевич и др. - М.: Машиностроение, 1995.
Применение электронно лучевой обработки для упрочнения режущего инструмента из быстрорежущих сталей
А. Н. ТАРАСОВ, с.н.с., канд. техн. наук, член-корр. Российской Академии космических исследований, В. Н. ТИЛИПАЛОВ, профессор, доктор техн. наук, КГТУ, П. Р. ШЕВЧЕНКО, инженер, ОКБ «Факел», г. Калининград
Применение ионного нагрева высокоэнергетическими источниками - лазерным, электронным лучом и плазмой после проведения объёмной термической обработки является эффективным способом упрочнения и повышения эксплуатационных характеристик конструкционных деталей и инструмента из сталей различных классов [1-3,5]. Перспективным направлением является также проведение аналогичных прогрессивных способов нагрева легированных сталей поспе проведения предварительной химико-терми-ческой обработки карбонитриэованием или нитроцемен-тации по различным технологическим схемам [2, 4, 6-7].
В ОКБ «Факел» на базе накопленного в последнее время опыта химико-термической обработки специального тонколезвийного инструмента для резания прецизионных сплавов, керамик и композитов [6-9] проведены совместно с КГТУ, в рамках конверсионных программ, исследованы и разработаны новые технологии повышения износостойкости инструмента из быстрорежущих сталей с ис-
пользованием электронно-лучевого нагрева.
При проведении исследований и производственных испытаний использованы прутки из сталей Р6М5 и Р12 серийного производства по ГОСТ 19265-73 с карбидной неоднородностью не выше 2 балла, диаметр прутков 24-30 мм. Образцы для металлографии, измерения микротвердости, рентгеноструктурного анализа и механических испытаний изготавливались и обрабатывались одновременно с опытными партиями тонколезвийного режущего инструмента - расточных, седельных, и канавочных резцов с круглыми державками диаметром 16-18 мм и квадратными 14x14x120 мм. В табл. 1 приведены режимы объёмной закалки резцов и образцов с одновременной нитроцементацией в процессе нагрева для закалки в активированных древесноугольных смесях с азотоуглеродо-содержащими компонентами [8-9].
Для нагрева при закалке с одновременной нитроцементацией были использованы малоэнергоёмкие печи
Таблица 1
Вид инструмента, Условия нитроцементации в процессе нагрева для закалки Режим отпуска
сталь Состав среды ТН,°С Выдерж- Охлажде- Тслть Время,
ка, ние °С ч
мин
Резцы расточные Уголь 960- Масло 220- 3,0-
левые и правые древесный 970 120-180 веретенное, 240 4,0
из стали Р12 активированныи
Резцы - 90%, 950- машинное 240- 1,5-
канавочные и карбамид и 960 120-150 20-70°С 250 2,0
седельные из трилон-Б по 5 %
Р6М5 каждого
№ 3 (24) 2004 25
