CC BY
3
УДК 621.785.5+631.785.5+620.22
УПРОЧНЕНИЕ ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКОЙ
Хамин Олег Николаевич, к.т.н., доцент (e-mail: out87@mail.ru) Кадямов Шамиль Акдасович, магистрант (e-mail: leader2310@mail.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В работе предложен вариант комбинированной (комплексной) обработки полых изделий из коррозионно-стойких сталей аустенитного класса при эксплуатации в условиях циклического температурно-силового воздействия и интенсивного износа в агрессивных средах с целью их упрочнения. Комплексная обработка включает пластическую деформацию с финишным нанесением упрочняющих ионно-плазменных покрытий.
Ключевые слова: полые изделия, коррозионно-стойкие стали аустентт-ного класса, коррозия, износ, температурные воздействия, циклическое нагружение, комплексная упрочняющая обработка, пластическая деформация, ионно-плазменные покрытия.
Коррозионно-стойкие стали аустенитного класса после оптимальной термической обработки (закалка с 1050-1150 0С, охлаждение в воде) имеют низкие прочностные показатели. Механические свойства хро-моникелевых сталей следующие: ов=500-550 МПа; о0,2=150-240 МПа; 5=40-60 %; KCU=2-3 МДж/м2; НВ 200-250. Хромомарганцевые стали несколько прочнее: ов=600-800 МПа; о0,2=240-400 МПа [1,2]. Это 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.
Практика использования коррозионно-стойких материалов для перечисленных выше условий их эксплуатации показывает, что основными условиями упрочнения поверхности являются: глубина упрочненного слоя должна быть в пределах 1-1,5 мм при твердости поверхности не менее HRC 40 и микротвердости поверхностных слоев в пределах <30 < H < 40 ГПа.
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. Поверхностная закалка аустенитных сталей может привести к проявлению явления их сенсибилизации на достаточную глубину [3]. Так 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 [4]. Кроме того, поверхностная закалка экономически целесообразна в условиях серийного и массового производства, так как требует специального оборудования для каждого конкретного изделия.
Химико-термическая обработка (ХТО)
Анализ известных технологических вариантов ХТО показал, что ни один из них в полной мере не обеспечивает поверхностное упрочнение коррозионно-стойких аустенитных сталей на глубину 1-1,5 мм при твердости не менее HRC 40 и сохранения стойкости к межкристаллитной коррозии (МКК), коррозионному растрескиванию (КР), точечной коррозии, коррозионной выносливости [5].
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.
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.
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. Однако одновременное достижение указанных выше показателей состояния поверхности этими методами не обеспечивается.
Комбинированные методы поверхностного упрочнения
Расширение технологических возможностей поверхностной обработки материалов обеспечивают комбинированные методы, основанные на использовании сочетания различных по физической природе методов упроч-
нения. К комбинированным методам относятся методы, сочетающие термическую и механическую (объемная и поверхностная пластическая деформация) обработки, модификацию поверхности и нанесение покрытий, нанесение покрытий и поверхностная пластическая деформация и другие [6-8].
Комплексная технология поверхностного упрочнения полых изделий из коррозионно-стойких аустенитных сталей
Исходя из вышеизложенного в настоящей работе предлагается комплексная технология поверхностного упрочнения полых изделий из корро-зионностойких аустенитных сталей, включающая формирование полостей процессами обработки давлением с финишным нанесением ионно-плазменных износостойких покрытий.
Технологический маршрут данной технологии может быть представлен следующим образом:
С ^ ОЗП ^ ОРО ^ ОПО ^ Д. (1)
В структурной зависимости (1) введены следующие обозначения:
С - сырье (горячекатанный прокат);
Д - деталь-изделие;
ОЗП - операции заготовительного производства (обработка давлением);
ОРО - операции размерной обработки;
ОПО - операции поверхностной обработки.
Исходное состояние сырья - горячекатанный прокат аустенитных сталей с последующей термической обработкой (закалка с 1050 иС, охлаждение в воде) [9].
Из проката вырезается исходная цилиндрическая заготовка необходимых размеров под операцию закрытого обратного выдавливания заданной полой заготовки. При этом заготовку вырезают из проката не параллельно его оси, а перпендикулярно, для того, чтобы внедрение пуансона при выдавливании полости происходило не поперек, а вдоль направления волокон после прокатки.
При выдавливании полой заготовки необходимо учитывать следующее. При холодной пластической деформации стали аустенитного класса во-первых, интенсивно упрочняются, и во-вторых, наклепываются с образованием мартенсита деформации, что может вызвать у сталей склонность к МКК [1,2]. Соответственно в случае холодного выдавливания полых заготовок следует использовать аустенитные хромоникелевые стали типа 08Х18Н10Т и 12Х18Н12Т, которые упрочняются без образования мартенсита. Для других сталей аустенитного класса возможно использовать при выдавливании полостей пластическую деформацию в температурном диапазоне 400-550 0С с целью снижения уровня склонности к МКК.
После выдавливания полой заготовки осуществляется ее размерная обработка для достижения необходимой точности размеров изделия и шероховатости поверхности.
Для достижения заданной микротвердости поверхностных слоев наиболее целесообразно использовать технологии нанесения износостойких ионно-плазменных покрытий на основе тугоплавких металлов по следующим основаниям. Эти покрытия имеют микротвердость свыше 30 ГПа [10]. Операции по нанесению ионно-плазменных покрытий являются финишными.
При реализации нанесения высококачественных ионно-плазменных покрытий также следует иметь в виду избирательный характер выбора марочного состава аустенитных сталей. При реализации технологии КИБ (конденсация ионной бомбардировкой) рабочие температуры нагрева изделия в вакуумной камере достигаю температур свыше 600 0С при длительности нахождения изделия в ней для достижения толщины покрытий 5-7 мкм не менее одного часа, что может вызвать явление сенсибилизации сталей. Соответственно и в этом случае следует использовать также стали типа 08Х18Н10Т и 12Х18 Н12Т, которые устойчивы в плане МКК к указанному температурному интервалу. Другие аустенитные стали следует обрабатывать на магнетронных системах ионного распыления.
Для отработки предложенной комплексной технологии поверхностного упрочнения аустенитных сталей в лабораторных условиях авторами настоящей статьи использован способ определения качества покрытий на изделиях, полученных обработкой давлением [11].
Поставленная цель достигается тем, что образец-свидетель перед подготовкой поверхности по ГОСТ 9.301.78 и нанесением покрытия на него подвергают осадке по схеме напряженно-деформированного состояния аналогично таковой для конкретного вида обработки давлением, при котором получено изделие, затем исследуемую поверхность образца-свидетеля подвергают комплексной обработке, соответствующей комплексу поверхностной обработки реального изделия после обработки давлением перед нанесением покрытия. В этом случае напряженно-деформированное состояние образца и физико-механическое состояние его поверхности в наибольшей степени соответствует таковым для конкретного вида обработки давлением и последующей поверхностной обработки при которых получено изделие. Это позволяет значительно повысить точность определения параметров качества покрытий на изделиях, полученных обработкой давлением.
В качестве образцов-свидетелей используются цилиндрические образцы. Размеры образцов-свидетелей и параметры их деформации устанавливаются в соответствие с критериями подобия критериального уравнения описывающего силовой режим процессов выдавливания полых изделий [12].
Исследования, проведенные авторами на стали 12Х18Н12Т для случая выдавливания заготовок с полостью комбинированной конфигурации (наличие цилиндрических и конических участков) показали, что после обработки модельных образцов-свидетелей по предложенному технологиче-
скому маршруту, последние показали требуемые параметры по твердости и микротвердости поверхности.
Список литературы
1. Гуляев А.П. Металловедение / А. П. Гуляев, А. А. Гуляев. - 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Альянс, 2012. - 643 с.
2. Арзамасов Б.Н. и др. Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений. - М.: Машиностроение, 2005. - 481 с.
3. Уил Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику. - Л.: Химия, 1989. - 456 с.
4. Самохоцкий А.И., Парфеновская Н.Г. Технология термической обработки металлов. -М.: Машиностроение, 1976. - 311 с.
5. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Теория коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы. - М.: Металлургия, 1986. - 360 с.
6. Поляк М.С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. Т 1. -М.: «Л.В.С.-СКРИПТ», Машиностроение, 1995. - 832 с.
7. Поляк М.С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. 2. -М.: «Л.В.С.-СКРИПТ», Машиностроение, 1995. - 688 с.
8. Суслов А.Г., Безъязычный В.Ф., Панфилов, Ю.В. Инженерия поверхности деталей. - М.: Машиностроение, 2008. - 384 с.
9. ГОСТ 5449-2018. Металлопродукция из сталей нержавеющих и сплавов на же-лезноникелевой основе коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных. Технические условия. - Введ. 2019-02-01. - М.: Стандартинформ, 2018. - 35 с.
10. Григорьев С.Н., Волосова М.А. Нанесение покрытий и поверхностная модификация инструмента. Учебное пособие. М.: ИЦ МГТУ «СТАНКИН», Янус-К, 2007. - 324 с.
11. Пат. 2558268 Российская Федерация, МПК G 01 N 15/00. Способ определения качества покрытий на изделиях, полученных обработкой давлением. / Хамин О.Н.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Самарск. гос. техн. ун-т. - N 2013155157/28; заявл. 11.12.13; опубл. 27.07.2015, Бюл. № 21. - 4 с.
12. Хамин О.Н. Моделирование силовых параметров нестационарных процессов обработки давлением // Современные материалы, техника и технологии (научно-практический журнал). - 2019. - N 5 (26). - С. 202-217.
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)
HARDENING OF HOLLOW PRODUCTS MADE OF CORROSION-RESISTANT AUSTENITIC CLASS COMBINED STEELS PROCESSING
Abstract. The paper proposes a variant of combined (complex) processing of hollow products made of corrosion-resistant austenitic steels during operation under conditions of cyclic temperature-force exposure and intense wear in aggressive environments in order to strengthen them. The complex treatment includes plastic deformation with the final application of hardening ion-plasma coatings.
Keywords: hollow products, corrosion-resistant austent steels, corrosion, wear, temperature effects, cyclic loading, complex hardening treatment, plastic deformation, ion-plasma coatings.
