CC BY
25
DOI: 10.47581/2020/30.10.2020/SMTT/32.5.020
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА Хамин Олег Николаевич, к.т.н., доцент
(e-mail: out87@mail.ru) Кадямов Шамиль Акдасович, студент (e-mail: leader2310@mail.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В работе проведен анализ различных методов поверхностного упрочнения коррозионно-стойких сталей аустенитного класса при их эксплуатации в условиях циклического температурно-силового воздействия и интенсивного износа в агрессивных средах. Предложен комплексный подход, заключающийся в сочетании химико-термической обработки с нанесением ионно-плазменных покрытий.
Ключевые слова: коррозионно-стойкие стали аустенттного класса, коррозия, износ, температурные воздействия, циклическое нагружение, поверхностное упрочнение, химико-термическая обработка, ионно-плазменные покрытия.
Проблема поверхностного упрочнения коррозионно-стойких сталей аустенитного класса в отличие от поверхностного упрочнения легированных сталей различного целевого назначения имеет свои особенности, связанные с вопросами структурно-фазовой стабильности аустенитных сталей при их обработке и эксплуатации. Речь, в первую очередь, идет о провоцирующей термической обработке (сенсибилизации), в результате которой протекают диффузионные процессы, приводящие к таким явлениям как межкристаллитная коррозия, коррозионное растрескивание и точечная коррозия. Эти же негативные явления могут вызвать температурные и деформационные условия при эксплуатации [1, 2]. Соответственно технология упрочнения коррозионно-стойких сталей аустенитного класса должна учитывать вопросы сенсибилизации при их обработке и эксплуатации.
Во-вторых, легированные стали аустенитного класса после оптимальной термической обработки имеют низкие прочностные показатели, что как раз и предопределяет задачу их поверхностного упрочнения, особенно в случае циклического температурно-силового воздействия и интенсивного износа в агрессивных средах на изделия из этих сталей при их эксплуатации.
Соответственно при решении вопросов поверхностного упрочнения коррозионно-стойких сталей аустенитного класса следует учитывать:
- условия эксплуатации, которые будут определять основные эксплуатационные свойства этих материалов;
- оценку и снижение влияния технологии и параметров обработки на структурно-фазовую стабильность этих материалов;
- оценку и снижение влияния условий эксплуатации на структурно-фазовую стабильность этих материалов.
Условия эксплуатации коррозионно-стойких сталей
Для наиболее тяжелых условий эксплуатации коррозионно-стойких сталей (оборудования для химических производств и т.п.) характерны следующие условия эксплуатации.
Коррозионная среда
Атмосферная коррозия, коррозия в водных растворах кислот, щелочей, солей. В зависимости от коррозионной среды различают электрохимическую и химическую коррозию. Соответственно эксплуатационными свойствами материалов будут являться способность противостоять различным механизмам электро-химической и химической коррозии (общая коррозия, межкристаллитная коррозия, коррозионное растрескивание и т.п.). Интенсивность коррозионного разрушения аустенитных сталей будет зависеть от конкретной коррозионной среды.
Температурный интервал
Температурные воздействия на материал изменяют его структурно-фазовое состояние и состояние поверхности, и как следствие, свойства материала, снижая в первую очередь прочностные свойства и способность противостоять коррозии.
При эксплуатации в условиях высоких температур материал должен обладать высокой жаропрочностью и жаростойкостью. Жаропрочность материала следует учитывать, когда рабочие температуры эксплуатации превышают 0,3 Тпл (Тпл - температура плавления материала). Жаростойкость будет определяться защитными свойствами поверхностных оксидных пленок.
Эксплуатация материалов в области отрицательных температур сопровождается снижением пластичности и вязкости и повышением склонности к хрупкому разрушению. Важнейшее требование, определяющее пригодность материала для эксплуатации при отрицательных температурах - его хладостойкость.
Характер и величина действующих нагрузок
Как правило, материал испытывает длительное действие переменных напряжений (циклическое нагружение). Этот вид эксплуатации вызывает усталостное разрушение материала - разрушение материала нагружаемого объекта до полной потери его прочности или работоспособности вследствие распространения усталостной трещины. В условиях циклического на-гружения материал должен обладать заданным уровнем сопротивления усталости. Разрушение материала под действием циклических нагрузок в агрессивных средах будет определять его коррозионную выносливость.
Эксплуатация материала в условиях контактного трения
В современных условиях эксплуатация детали машин, механизмов, конструкций работают в условиях контактного трения. Соответственно материал должен обладать высокой износостойкостью. Износостойкость - способность материала сохранять размеры, форму, массу или состояние поверхности вследствие разрушения поверхностного слоя при трении.
Таким образом, для наиболее нагруженных объектов (в условиях циклического температурно-силового воздействия и интенсивного износа в агрессивных средах) коррозионно-стойкие материалы должны обладать следующим комплексом эксплуатационных свойств: коррозионная стойкость; жаростойкость; хладостойкость; жаропрочность; износостойкость; усталостная прочность; коррозионная выносливость.
Корорзионно-стойкие стали аустенитного класса Корорзионно-стойкие стали аустенитного класса по масштабам и универсальности использования являются наиболее важным классом коррози-онностойких сталей. По химическому составу эти стали разделяются на хромоникелевые (например, 08Х18Н10Т, 08Х17Н15М3Т) и хромомарган-цевые (например 10Х14АГ15) [3, 4].
Преимуществами аустенитных сталей являются высокая стойкость к общей коррозии, высокая пластичность и вязкость.
К недостаткам аустенитных сталей относят низкие прочностные показатели, а также подверженность к таким видам коррозии как межкристал-литная коррозия (МКК), коррозионное растрескивание (КР) и коррозион
После оптимальной термической обработки (закалка с 1050-1150 0С, охлаждение в воде) механические свойства хромоникелевых сталей следующие: ов=500-550 МПа; о02=150-240 МПа; 5=40-60 %; КСи=2-3 МДж/м ; НВ 200-250. Хромомарганцевые стали несколько прочнее: ов=600-800 МПа; о0,2=240-400 МПа [5].
Причиной МКК аустенитных сталей является дестабилизация фазового состава при термическом и деформационном воздействии на них. Так нагрев до 450-700 0С даже в течении нескольких минут сопровождается выделением углерода в виде карбида хрома Сг23С6 и появлением обедненного хромом слоя около границ зерен, что вызывает МКК. Это явление называется провоцирующей термической обработкой - сенсибилизацией [1]. Даже стабилизированные хромоникелевые стали с содержанием углерода не более 0,03 % после длительной эксплуатации при 500-600 0С теряют стойкость против МКК [2]. Аналогичная картина происходит при деформировании сталей с неустойчивым аустенитом. У хромоникелевых сталей формируется мартенсит деформации с ОЦК структурой, а у хромомарганце-вых - два разных мартенсита: с ОЦК и гексагональной структурами.
Коррозионное растрескивание появляется в результате одновременного действия активной среды и растягивающих напряжений, когда последние превысят величину в 0,5 00,2 и в среде, содержащий активатор, разрушаю-
щий пассивность сталей. Для коррозионно-стойких сталей с хромом активатором являются ионы хлора О-1.
Точечная коррозия аустенитных сталей имеет сходные с МКК и КР механизмы разрушения. В результате этого вида коррозии на поверхности изделия появляются ямки глубиной и диаметром в несколько миллиметров. Шероховатость поверхности Rа более 1,5 мкм также ускоряет точечную коррозию. В аустенитных сталях стойкость против точечной коррозии повышают легированием сталей молибденом в количестве 2-3 % (08Х17Н15М3Т), снижением шероховатости поверхности изделия, повышением структурно-фазовой и химической однородности этих сталей [5].
Таким образом, для широкого интервала температур и нагрузок при эксплуатации изделий из коррозионно-стойких сталей аустенитного класса в агрессивных средах, в том числе и низкоуглеродистых, возможно проявление после их поверхностного упрочнения таких коррозионных разрушений как МКК, КР, точечная коррозия, что может вызвать незапланированные разрушения изделия локально, или в целом при сохранении высоких показателей поверхностной прочности. Соответственно при назначении технологии и параметров поверхностного упрочнения этих сталей следует учитывать их склонность к сенсибилизации.
Анализ методов поверхностного упрочнения аустенитных сталей
Практика использования коррозионно-стойких материалов для перечисленных выше условий их эксплуатации показывает, что глубина упрочненного слоя должна быть в пределах 1-1,5 мм при твердости поверхности не менее HRC 40.
Из известных методов поверхностного упрочнения металлических материалов: термический; термомеханический; наплавка; газотермический; гальванический; химический; физический (вакуумно-плазменная и лазерная обработка); комбинированный, для поверхностного упрочнения аусте-нитных сталей в настоящее время наиболее распространены поверхностная закалка и химико-термическая обработка (ХТО).
Поверхностная закалка
При всех известных преимуществах поверхностной закалки вызывает сомнение ее использование для поверхностного упрочнения коррозионно-стойких сталей аустенитного класса по следующим причинам.
Во-первых, для правильного выполнения поверхностной закалки необходимо точно определить температуру нагрева и его продолжительность в зависимости от скорости нагрева в области фазовых превращений. Выполнение этих основных параметров требует специального оборудования для каждого конкретного изделия.
Во-вторых, поверхностная закалка аустенитных сталей может привести к проявлению явления их сенсибилизации на достаточную глубину, так как при поверхностной закалке даже наименьшая глубина закаленного слоя изменяется от 5,5 мм при частоте тока 800 Гц до 1,3 мм при 8000 Гц, а оптимальная глубина от 11 мм при 800 Гц до 5,5 мм при 8000 Гц [6].
В-третьих, технология поверхностной закалки экономически целесообразна в условиях серийного и массового производства.
Химико-термическая обработка (ХТО)
Цементация
При цементации в поверхностном слое достигается твердость НRC 5862, что приводит к повышению износостойкости и контактной выносливости при изгибе и кручении. Глубина цементованного слоя достигает 1,5 мм. Вместе с тем, цементованный слой за счет увеличения содержания углерода получит существенную предрасположенность к МКК и КР, что затем усилится формированием структуры мартенсита после закалки.
Варианты диффузионного насыщения углеродом без проведения закалки может существенно понизить стойкость аустенитных сталей к общей коррозии из-за многофазной структуры сердцевины изделия.
Азотирование
Азотирование повышает твердость поверхности до HRС 65-70, что обеспечивает высокую износостойкость поверхности и усталостную прочность.
Недостатки при азотировании аустенитных сталей следующие:
- незначительная, по сравнению с цементаций, глубина диффузионного слоя (0,1-0,8 мм);
- диффузионное насыщение азотом происходит в температурном интервале сенсибилизации;
- снижение стойкости к общей коррозии и МКК в азотированном слое;
- хромомарганцевые стали с азотом склонны к МКК из-за взаимодействия азота с никелем.
Вместе с тем, негативные явления, связанные с возможным понижением стойкости к коррозии, распространяется, главным образом, на глубину диффузионного слоя. Кроме того после азотирования в поверхностном слое формируется высокий уровень сжимающих напряжений, что является положительным фактором в плане технологической наследственности при дальнейшей обработке изделия [7]. Соответственно, наиболее существенным недостатком азотирования аустенитных сталей является незначительная глубина диффузионного слоя.
Цианирование
При цианировании производится одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом. Результаты цианирования - повышение износостойкости, контактной и усталостной прочности. Глубина диффузионного слоя после цианирования находится в пределах 0,2-1,5 мм. Регулируя концентрацию углерода и азота в насыщающей среде и температуру процесса, в широких пределах изменяют глубину и свойства диффузионного слоя. Соответственно изменяя указанные параметры процесса можно будет получить заданное упрочнение поверхности на глубину до 1,5 мм при снижении склонности аустенитных сталей к МКК и КР.
Существенным недостатком цианирования является более сложная технология по сравнению с цементацией и азотированием. Кроме того, цианирование является «грязным» экологическим процессом.
Таким образом, из используемых для поверхностного упрочнения аусте-нитных сталей процессов ХТО, наиболее подходящими вариантами для общего случая эксплуатации коррозионно-стойких аустенитных сталей в агрессивных средах являются азотирование и цианирование.
Физические методы поверхностного упрочнения аустенитных сталей
В настоящее время для поверхностного упрочнения аустенитных сталей могут представлять определенный интерес следующие варианты: ионная имплантация (легирование); ионная ХТО; нанесение вакуумно-плазменных покрытий.
Ионная имплантация
При ионной имплантации нанесение износостойких покрытий осуществляется путем бомбардировки поверхности изделия пучком ионов высокой энергии (10-200 КэВ), которые проникают в кристаллическую решетку сплава, легируя поверхностный слой и упрочняя его за счет ее искажения. Например, в работе [8] упрочнение нержавеющей хромоникеле-вой стали 12Х18Н10Т осуществляли лазерным легированием в углесодер-жащей среде порошком диоксида титана. Однако в известных работах по этому направлению не содержатся сведения о стойкости аустенитных сталей к общей коррозии, МКК, КР после поверхностного упрочнения и при эксплуатации.
Ионная ХТО
Сущность ионной ХТО заключается в ионизации газа в тлеющем разряде, инициированном в потоке чистого газа, при давлениях порядка 5001300 Па и напряжении 300-800 В [9].
Ионная ХТО - управляемый, экологически «чистый» процесс, который можно применять для любых сплавов. Изменяя плотность плазмы, можно управлять интенсивностью диффузионного насыщения поверхности изделий. Ионная ХТО более экономический и производительный процесс по сравнению с традиционными способами ХТО. Наиболее интересны варианты ионного азотирования и ионной нитроцементации.
Нанесение вакуумно-плазменных покрытий
При вакуумно-плазменном нанесении покрытия образуются путем осаждения и конденсации на поверхности изделия потока газообразных частиц паровой фазы (атомов, молекул, ионов) материала покрытия. Процесс осуществляется в жестких герметичных вакуумных камерах при давлении
3 2
газа от 10 до 10 Па, благодаря чему обеспечивается необходимая длина свободного пробега частиц и защита процесса от взаимодействия с атмосферными газами. Наибольшую адгезионную прочность покрытия с поверхностью изделия, а следовательно и износостойкость поверхности, обеспечивает способ КИБ - конденсация в сочетании с ионной бомбардировкой [10-12]. Наибольшее распространение способ КИБ получил для
нанесения тонких износостойких и коррозионно-стойких нитридных покрытий на основе тугоплавких металлов (Т1К, 7гК, МоК, Т1АШ и т.п.).
Главные достоинства вакуумно-плазменных покрытий: высокие физико-механические свойства покрытий; возможность получать покрытия из разнообразных соединений (оксидов, нитридов, карбидов и другие); экологическая «чистота» процесса.
Важным преимуществом вакуумно-плазменных покрытий применительно к аустенитным сталям является значительное, по сравнению с другими вариантами формирования покрытий, снижение стойкости к МКК, КР и точечной коррозии в виду скоротечности процесса (20-30 мин для создания износостойкого покрытия толщиной 3-5 мкм) и возможность использовать температурный режим изделия при нанесении покрытий в пределах 350-400 0С.
Основные недостатки: низкая скорость конденсации покрытия; сложность оборудования и технологии; ограниченность габаритов вакуумных камер; малая толщина износостойких покрытий (5-10 мкм).
Анализ физических методов поверхностного упрочнения аустенитных сталей показывает, что физико-механические свойства по глубине внутренних (диффузионных) покрытий при ионной имплантации и ионной ХТО, и по толщине внешних покрытий (вакуумно-плазменные покрытия) имеют высокие показатели. Вакуумно-плазменные покрытия обеспечивают наибольшую адгезионную прочность, а следовательно и износостойкость. Основной недостаток этих покрытий- существенно малая глубина упрочнения (до 10 мкм).
Варианты комплексной технологии поверхностного упрочнения коррозионно-стойких аустенитных сталей
Анализ известных технологических вариантов поверхностного упрочнения коррозионно-стойких аустенитных сталей показал, что ни один из них в полной мере не обеспеченивает поверхностного упрочнения на глубину 1-1,5 мм при твердости не менее HRC 40 и сохранении стойкости к общей коррозии, МКК, КР, точечной коррозии, коррозионной выносливости.
Варианты цементации при обеспечении заданной глубины и твердости упрочненного слоя могу привести к резкому снижению стойкости к МКК и КР даже сразу после упрочнения или при незначительном ресурсе работы при эксплуатации.
Азотирование в меньшей мере вызывает явления МКК, КР и снижение коррозионной выносливости, чем цементация. Однако глубина упрочненного слоя в пределах 0,2-0,8 мм.
Использование нитроцементации может обеспечить заданные показатели по глубине и твердости упрочненного слоя. Вместе с тем, остается опасность протекания заметных коррозионных явлений в поверхностных слоях после упрочнения и при эксплуатации.
Технологии ионной имплантации, ионной ХТО повышают стойкость ау-стенитных сталей к проявлению коррозии в поверхностных слоях изделий,
однако эти явления в зависимости от коррозионной среды и температурно-силового режима эксплуатации могут иметь решающую роль в их разрушении.
Вакуумно-плазменные покрытия на основе тугоплавких металлов являются наиболее износостойкими при высокой коррозионной стойкости. Однако эти покрытия являются тонкопленочными (оптимальная толщина с позиций повышенной износостойкости 5-7 мкм). Соответственно долговечность изделий с такими покрытиями обеспечивается также за счет высокой твердости основы изделий (например, режущий и деформирующий инструменты, высокопрочные детали машин и т. п.).
Исходя из вышеизложенного в настоящей работе предлагается комплексная технология двухступенчатого поверхностного упрочнения аусте-нитных сталей, включающая формирование диффузионных покрытий с использованием ионной ХТО с последующим нанесением ионно-плазменных коррозионно-стойких покрытий.
Данный подход позволит получить максимально возможную износостойкость поверхностного слоя при сохранении высокой коррозионной стойкости ко всем видам коррозии как в поверхностном слое, так и в целом.
Список литературы
1. Уил Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику. - Л.: Химия, 1989. - 456 с.
2. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Теория коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы. - М.: Металлургия, 1986. - 360 с.
3. ГОСТ 5632-2014. Нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. - Вед. 2015-01-01. - М.: Стандартинформ, 2015. - 52 с.
4. Гуляев А.П. Металловедение / А. П. Гуляев, А. А. Гуляев. - 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Альянс, 2012. - 643 с.
5. Арзамасов Б.Н. и др. Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений. - М.: Машиностроение, 2005. - 481 с.
6. Самохоцкий А.И., Парфеновская Н.Г. Технология термической обработки металлов. -М.: Машиностроение, 1976. - 311 с.
7. Хамин О.Н. Роль механической схемы деформации в технологической наследственности процессов обработки давлением. Металлургия машиностроения. - 2019. -№ 3. - С. 44-46.
8. Проскуряков В. И. Упрочнение поверхности нержавеющей хромоникелеаой стали 12Х18Н10Т лазерным легированием в углесодержащей среде порошком диоксида титана. Современные материалы, техника и технологии. - 2019. - N 1(22). - С. 98-102.
9. Арзамасов Б.Н. и др. Ионная химико-термическая обработка сплавов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1999. - 400 с.
10. Современные вакуумные процессы ионной обработки поверхности / Мубояд-жан С. А. // Конверсия в машиностроении. 2004, N4. С. 69-77.
11. Григорьев С.Н., Волосова М.А. Нанесение покрытий и поверхностная модификация инструмента. Учебное пособие. М.: ИЦ МГТУ «СТАНКИН», Янус-К, 2007. - 324 с.
12. Рабочие процессы высоких технологий в машиностроении / Под ред. А.И. Грабченко. - Харьков: ХГПУ, 1999. - 436 с.
Khamin Oleg Nikolaevich, candidate of technical Sciences, associate Professor Samara State Technical University, Samara, Russian Federation (E-mail: out87@mail.ru)
Kadyamov Shamil Akdasovich, student Samara State Technical University, Samara, Russian Federation(E-mail: leader2310@mail.ru)
COMPARATIVE ANALYSIS OF SURFACE METHODS STRENGTHENING CORROSION RESISTANT STEELS AUSTENITE CLASS
Abstract. The paper analyzes various methods of surface hardening of corrosion-resistant steels of the austenitic class during their operation under conditions of cyclic temperature-force action and intense wear in corrosive environments. An integrated approach is proposed, which consists in a combination of chemical-thermal treatment with the application of ionplasma coatings.
Key words: corrosion-resistant steels of the austentte class, corrosion, wear, temperature effects, cyclic loading, surface hardening, chemical-thermal treatment, ion-plasma coatings.
DOI: 10.47581/2020/30.10.2020/SMTT/32.5.021
ПРИБЛИЖЕННАЯ ОЦЕНКА СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ШТАМПОВКЕ ВЫДАВЛЕНИЕМ ПОЛЫХ ЗАГОТОВОК Хамин Олег Николаевич, к.т.н., доцент (e-mail: out87@mail.ru) Самарский государственный технический университет,
г. Самара, Россия
В работе предложен параметр, оценивающий величину контактной поверхности деформируемой заготовки при штамповке выдавливанием полых заготовок с деформирующим инструментом в очаге деформации заготовки (зоне пластической деформации), позволяющий простым пересчетом определять силовые параметры при выдавливании конкретной полой заготовки, имея информацию о таковых параметрах для некоторой «базовой» полости, при выполнении необходимых условий подобия для конкретной и «базовой» полостях.
Ключевые слова: выдавливание полых заготовок, силовые параметры, контактная поверхность заготовки с инструментом, очаг пластической деформации, базовая полость.
В обработке давлением (ОД) при практических расчетах интегральным показателем процессов является величина деформирующего усилия. Деформирующее усилие определяет сопротивление пластической деформации, деформируемость заготовки, граничные условия при пластической деформации, стойкость деформирующего инструмента, мощность и ресурс работы кузнечно-прессового оборудования.
Под деформирующим усилием при ОД принимают активное усилие, которое развивает оборудование на деформирующем инструменте по направлению его движения в заданный момент деформирования [1].
