CC BY
204
УДК 621.224:621.923.1
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗДЕЛИЙ В КОРРОЗИОННЫХ СРЕДАХ
Б.Н. Хватов
Кафедра «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты», ТГТУ
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: гидромашины; качество поверхностного слоя; коррозионно-усталостная прочность; упрочнение поверхностно-пластическим деформированием; шероховатость поверхности; электрохимические свойства поверхности; электродный потенциал.
Аннотация: Объяснен механизм формирования электрохимической неоднородности металла поверхностного слоя деталей гидромашин при механической обработке и показана роль электрохимического фактора в природе коррозионноусталостной прочности изделий. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния параметров физико-механического состояния поверхностного слоя на электродный потенциал гидротурбинной стали в коррозионной среде. Показана прямая зависимость электродного потенциала от деформационнонапряженного состояния металла поверхностного слоя в сторону его «разблаго-раживания». Приведены рекомендации по выбору методов и режимов финишной обработки деталей гидромашин, в частности, лопастей гидротурбин, с точки зрения формирования высоких эксплуатационных свойств с учетом влияния фактора электрохимического состояния поверхностного слоя.
Механическая обработка, изменяя физическое состояние металла поверхностного слоя, в значительной мере влияет на степень его электрохимической неоднородности, т.е. на величину общего и локальных электродных потенциалов поверхности, тока коррозии гальванопар, тока саморастворения металла и др., являющиеся ответственными за несущую способность деталей машин, работающих в коррозионных средах. Установлено [1, 2], что изделия с более отрицательным («разблагороженным») электродным потенциалом поверхности обладают меньшей термодинамической устойчивостью к коррозионному разрушению. Известно также [3], что с точки зрения обеспечения параметров надежности работы в коррозионных средах важное знание имеет степень однородности электрохимических свойств металла, определяющие количество и интенсивность работы микро-гальванических пар на поверхности изделий.
Именно с этих позиций рассматриваются в настоящее время механизмы коррозионной усталости металла изделий, работающих в коррозионных средах. При этом наибольшее распространение получили две гипотезы. Первая, электрохимическая, предложенная Ю.Р. Эвансом [1], согласно которой ответственными за
снижение усталостной прочности стали в средах являются процессы электрохимического растворения металла на анодных участках с образованием глубоких коррозионных язвин, инициирующих усталостные трещины. И вторая, более универсальная адсорбционно-электрохимическая гипотеза, разработанная Г.В. Карпенко [2], согласно которой коррозионная усталость металлов представляет более сложный процесс, обусловленный комплексным действием механического, электрохимического и адсорбционного факторов. Первичным и универсальным актом воздействия среды, при этом является адсорбционное снижение прочности материала, наступающее вследствие замещения атомами кристаллической решетки из среды поверхностно-активных компонентов, снижающих уровень поверхностной энергии материала («эффект Ребиндера»). Дальнейшее развитие усталостного разрушения в различных средах и в зависимости от величины действующих напряжений может происходить принципиально отличными путями. Т ак, для деталей гидротурбин коррозия в пресной воде протекает с кислородной деполяризацией и влияние среды для них сводится к уменьшению прочности под влиянием адсорбционного и коррозионного процессов, активируемых внешней нагрузкой.
Указанные процессы ослабляют поверхностный слой, повреждения от них имеют свойство накапливаться с течением времени, в связи с чем для деталей, работающих в коррозионных средах, наблюдаются значительное снижение и отсутствие истинного предела коррозионной выносливости, большая чувствительность его к видам и режимам обработки поверхности, доминирование периода развития коррозионно-усталостной трещины в общей долговечности по сравнению с аналогичными процессами, протекающими при усталостных испытаниях в условиях атмосферного воздуха.
В формировании различных электрохимических свойств важную роль играют такие факторы, как степень пластической деформации и напряженное состояние металла, его фазовый и химический составы, плотность дислокаций, параметры микронеровностей поверхности [2]. Все эти факторы непосредственно связаны с технологией изготовления изделий, и прежде всего, с методами и режимами их финишной обработки.
В связи с этим, были проведены исследования начального уровня электродного потенциала поверхности стали 06Х12Н3Д и изменение его во времени в среде пресной (водопроводной) воды для различных методов механической обработки, применяемых при изготовлении деталей гидромашин.
Методы обработки и параметры формируемого при этом состояния поверхностного слоя стали 06Х12Н3Д приведены в табл. 1 [4].
Из параметров физико-механического состояния поверхностного слоя исследовали высоту микронеровностей шероховатости поверхности, оцениваемой в основном по среднему арифметическому отклонению Ка, глубину и степень деформационного упрочнения (наклепа) металла; знак, величину и глубину залегания технологических остаточных напряжений, формируемых в поверхностном слое после исследуемых видов обработки.
Методы и технические средства оценки приведенных параметров достаточно хорошо известны и подробно изложены автором в работе [4].
Как видно из приведенных в табл. 1 данных, параметры состояния поверхностного слоя стали 06Х12Н3Д после существующих на настоящее время способов механической обработки деталей гидромашин изменяются в очень широких пределах.
Так, при способах ручной абразивной обработки поверхностей шлифованием, характерных при обработке крупных криволинейных поверхностей лопастей гидротурбин, гребных винтов высота микронеровностей изменяется в пределах Ка = 0,83...2,3 мкм, степень упрочнения поверхностного слоя 19...23 % при глу-
794 ISSN G136-5835. Вестник ТГТУ. 2GG6. Том 12. № 3Б. Transactions TSTU.
бине 40.50 мкм. В тонком поверхностном слое 10.50 мкм формируются остаточные напряжения сжатия с величиной на поверхности 280. 540 МПа. При ручном шлифовании войлочными кругами с нанесенным абразивом 14А25 отмечается наличие технологических остаточных напряжений растяжения величиной на поверхности до 100 МПа, переходящие в подслое на глубине 10 мкм в остаточные напряжения сжатия с максимальным значением 250 МПа.
Использование механизированного шлифования абразивной лентой зернистостью 14А12П позволяет сформировать на образцах наилучшую чистоту поверхности с параметром Ка = 0,11 мкм. При этом отмечается небольшое деформационное упрочнение металла (на 23,4 %) в поверхностном слое и наличие остаточных напряжений сжатия на глубине до 50 мкм с величиной на поверхности 450 МПа.
Особенностями методов упрочнения поверхностно-пластическим деформированием (ППД) стали 06Х12Н3Д является наличие в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия и сильно упрочненного металла на значительной глубине, в десятки раз превышающие аналогичные показатели после лезвийной и абразивной обработок.
Так, после дробеструйного упрочнения образцов на дробеметной установке (скорость дроби 40.45 м/с) степень деформационного наклепа стали 06Х12Н3Д составляет 56,7 % при глубине упрочнения до 350 мкм при наличие в подслое глубиной до 700 мкм остаточных напряжений сжатия с величиной на поверхности 760 МПа.
Примерно такие же параметры физико-механического состояния поверхностного слоя наблюдаются на стали 06Х12Н3Д и после гидродробеструйного упрочнения, с той лишь существенной разницей, что шероховатость поверхности после «мягкого» гидродробеструйного упрочнения в среде масла «Индустриаль-ное-40» более, чем в четыре раза ниже, чем после обдувки дробью на дробемет-ной установке, и составляет Ка = 2,3 мкм.
Упрочнение микрошариками, как процесс «тонкого» упрочнения, позволяет сформировать упрочненный слой металла с наклепом 39,8 % на глубине до 90 мкм при наличии на поверхности остаточных напряжений сжатия 630 МПа, распространяющихся в подслое до 100 мкм. Шероховатость поверхности при этом Ка = 0,97 мкм соизмерима с параметрами шероховатости отдельных видов обработки поверхностей шлифованием (см. табл. 1).
Измерение электродного потенциала проводилось компенсационным методом на установке НПО ЦНИИТмаш [3] по отношению к насыщенному хлорсе-ребряному электроду сравнения, имеющему потенциал по водородному электроду при температуре 25 °С - 0,2438 В. Образцы для исследований имели вид полосок с размерами рабочей поверхности 10 х 100 мм, в верхней части которых холодным спаем укреплялся гибкий токопровод. Поверхности, не подлежащие исследованию, и место спайки покрывали токозащитным лаком ХВ-5179 так, чтобы участок исследуемой поверхности для всех образцов, находящийся в электролите (воде), был строго одинаковым и составлял 10х80 мм. Измерение потенциала проводилось с точностью до 10-4 В через каждые 2 ч испытаний. Общая продолжительность испытаний составляла 400 ч.
Анализ сопоставляемых методов обработки производился по следующим параметрам: уровню начального электродного потенциала на поверхности ип, величине времени / до изменения знака начального потенциала на противоположный и скорости изменения абсолютной величины потенциала при этом - Ди/Д/ .
Результаты исследования электродных потенциалов стали 06Х12Н3Д в соответствии с принятыми методами обработки представлены на рис. и в табл. 1.
Рис. Изменение электродного потенциала стали 06Х12Н3Д в пресной воде после различных методов механической обработки:
1 — 4 - ручного шлифования абразивной лентой, лепестковым, фибровым и войлочными кругами, соответственно; 5 — 6 - механического шлифования торцом сегментного и периферией плоского кругов; 7 - ленточного шлифования;
8 -торцового фрезерования; 9 - 11 - упрочнения ППД: дробеструйного, гидродробеструйного и микрошариками, соответственно
Как видно из представленных в табл. 1 данных, уровни начального потенциала стали 06Х12Н3Д в пресной воде для различных видов механической обработки различны. Наибольшие значения электродного потенциала имеют образцы после упрочнения методами ППД: дробеструйного, гидродробеструйного и упрочнения микрошариками (ип для них, соответственно, -302, -250 и -232 мВ). После механической обработки резанием по возрастанию абсолютной величины электродного потенциала на поверхности образцы расположены в следующей последовательности: фрезерование, шлифование торцом сегментного и периферией плоского круга, шлифование абразивной лентой 14А12П (ип, соответственно, -230, -214, -154 и -130 мВ).
При ручном шлифовании наиболее «разблагороженной» является поверхность образцов после шлифования войлочным кругом с нанесенным абразивом (ип = -158 мВ), затем следуют образцы после шлифования абразивной лентой, лепестковым и фибровым кругами (ип, соответственно, -156, -146 и -142 мВ).
Анализ приведенных на рис. кривых изменения начального уровня электродного потенциала стали 06Х12Н3Д от времени нахождения в коррозионной среде показывает, что характер их изменения для различных методов обработки идентичен, т.е. с течением времени электродные потенциалы стремятся сдвигать-
ся в положительную сторону. Так, после ручных методов абразивной обработки, шлифования абразивной лентой и периферией плоского круга, изменение знака начального потенциала на противоположный происходит уже через 60.75 ч (кривые 1 - 4, 6, 7), после шлифования торцом сегментного круга, торцового шлифования и упрочнения микрошариками - через 113.178 ч (кривые 5, 11). В то же время после дробе- и гидродробеструйного упрочнения изменение знака начального потенциала не произошло на протяжении всей базы испытаний - 400 ч (кривые 9, 10).
Такой характер изменения электродных потенциалов в коррозионной среде с течением времени объясняют явлением пассивирования металла, т.е. образованием на нем пленок окислов, что и приводит к «облагораживанию» потенциала поверхности [3]. После испытаний на исследуемых поверхностях продукты коррозии наблюдаются в виде бурых пятен.
Интенсивность пассивации стали 06Х12Н3Д (Ди/Д/) с различной обработкой
поверхности различна. Для ручных методов шлифования скорость сдвига потенциалов в область положительных значений составляет 2,1.2,6 мВ/ч (см. табл. 1). После механического шлифования скорость пассивации металла для различных методов составляет 1,9. 3,2 мВ/ч. После гидродробеструйного упрочнения, фрезерования и упрочнения микрошариками интенсивность изменения начального уровня потенциалов составляет соответственно 0,54; 1,21 и 1,31 мВ/ч.
Полученные результаты по изменениям электродных потенциалов стали 06Х12Н3Д хорошо согласуются с параметрами физико-механического состояния поверхностного слоя и шероховатости поверхности исследованных образцов. Так, абсолютные наибольшие значения электродного потенциала у стали 06Х12Н3Д наблюдаются после упрочнения методами ППД (дробеструйного, гидродробеструйного и упрочнения микрошариками), а также после фрезерования и торцового шлифования сегментным кругом. Соответственно после этих методов обработки в поверхностном слое стали наблюдается и наибольшая степень деформационного упрочнения металла - 56,7.23,2 % (см. табл. 1). Это хорошо согласуется с известным положением [3] о том, что наклеп, повышая энергетический уровень металла, вызывает повышение его диффузионной проницаемости и снижение электродного потенциала в коррозионных средах. Для указанных методов обработки сохраняется и более высокое значение устойчивости начального уровня электродного потенциала: скорость пассивации Ди/ Д/ при них составляет соответственно 0,54; 1,30; 1,81 и 1,89 мВ/ч, в то время как для других методов - 2,11.3,25 мВ/ч.
Для ручных методов шлифования, а также при механическом шлифовании абразивной лентой и периферией плоского круга абсолютные значения электродных потенциалов в 1,5.1,8 раза меньше, чем для рассмотренных выше. Соответственно этим методам свойственны и меньшие значения наклепа поверхностного слоя - 18,9.23,2 %. Вместе с тем, для них также прослеживается тенденция к росту абсолютных значений электродного потенциала с увеличением степени наклепа металла.
Для исследованных образцов хорошо прослеживается также связь скорости пассивации металла с величиной шероховатости обработанной поверхности, которая состоит в том, что с уменьшением высоты микронеровностей процесс сдвига потенциалов в область положительных значений осуществляется с большей интенсивностью (см. табл. 1).
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.
1 На электрохимические свойства изделий, получаемых вследствие различных технологий механической обработки, наибольшее влияние из параметров поверхностного слоя оказывают степень и глубина деформационного упрочнения (наклепа), знак и уровень остаточных напряжений на поверхности. Установлено,
что чем больше степень наклепа, тем больше абсолютная величина отрицательного электродного потенциала поверхности. Вместе с тем, с увеличением глубины наклепа прослеживается тенденция к уменьшению скорости пассивации металла в коррозионной среде.
2 Для методов обработки, сопровождающихся относительно небольшими изменениями формируемых свойств поверхностного слоя (например, при абразивной обработке), наименьшие значения электродного потенциала соответствуют методам обработки, обеспечивающими более низкие значения параметров шероховатости поверхности и наличие остаточных напряжений сжатия.
3 С точки зрения обеспечения эксплуатационных свойств изделий, работающих в коррозионной среде (коррозионно-усталостной прочности, кавитационной и гидроабразивной стойкости), предпочтительными являются методы упрочняющей технологии при обработке поверхностей, обеспечивающие глубокое упрочнение поверхностного слоя и выравнивание неоднородности электрохимических свойств металла на поверхности и по глубине поверхностного слоя. При назначении других методов для финишной обработки поверхностей ответственных деталей гидромашин, в частности, при абразивной обработке следует исходить из того, чтобы эти методы обработки сопровождались незначительным изменением степени пластической деформации металла поверхностного слоя, низкими значениями параметров шероховатости поверхности и наличием остаточных напряжений сжатия. Как показали результаты исследований, такой комплекс параметров состояния поверхностного слоя обеспечивают процессы шлифования абразивным инструментом на эластичной основе: ленточное шлифование и шлифование фибровыми кругами.
Список литературы
1 Эванс, Ю.Р. Коррозия, пассивность и защита металлов : пер. с англ. / Ю.Р. Эванс ; под ред. Г.В. Акимова. - М.: Из-во «Мир», 1941. - 885 с.
2 Карпенко, Г.В. Прочность стали в коррозионной среде / Г.В. Карпенко. -М. : Наукова Думка, 1963. - 188 с.
3 Рябченков, А.В. Коррозионно-усталостная прочность стали / А.В. Ряб-ченков,. - М. : Машгиз, 1953. - 179 с.
4 Хватов, Б.Н. Изыскание и разработка технологического процесса абразивной обработки лопастей гидротурбин, обеспечивающего повышение их эксплуатационных свойств : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Б.Н. Хватов. - М., 1987. - 20 с.
Effect of Mechanical Processing on Electro-Chemical Properties of Surface Layer and Performance of Items in Corrosive Media
B.N. Khvatov
Department “Technology of Machine Building, Metal-Cut Machines and Instruments ”,
TSTU
Key words and phrases: electro-chemical properties of surface; electrode potential; fatigue-and-corrosive durability; hardening by surface plastic deformation; hydro-machines; the quality of surface layer; surface roughness.
Abstract: The mechanism of forming electro-chemical inhomogeneity of metal surface layer of hydro-machines parts under mechanical processing is explained; the role of electro-chemical factor in the nature of fatigue-and-corrosive durability of items
is shown. The results of experimental research into the effect of parameters of physico-mechanical state of surface layer on the electrode potential of hydro-turbine steel in corrosive media are given. The direct dependence of electrode potential on deformation-and-tense state of metal surface layer is shown; it makes metal less refined. The recommendations on the choice of methods and modes of finished processing of hydromachines parts, in particular, hydro-turbine blades, aimed at their high performance with regard for the influence of electro-chemical state of surface layer are given.
Einfluss der mechanischen Bearbeitung auf die elektrochemischen Eigenschaften der oberflächlichen Schicht und die Betriebscharakteristiken der Erzeugnisse auf die Korrosionsumgebungen
Zusammenfassung: Es ist den Mechanismus der Formierung der
elektrochemischen Ungleichartigkeit des Metalls der oberflächlichen Schicht der Einzelteile der Hydromaschinen bei der mechanischen Bearbeitung erklärt und es ist die Rolle des elektrochemischen Faktors in der Natur der korrosionsermüdeten Haltbarkeit der Erzeugnisse aufgezeigt. Es sind die Ergebnisse der experimentalen Forschungen des Einflusses der Parameter des physikalisch-mechanischen Zustandes der oberflächlichen Schicht auf das Elektrodenpotential des Wasserturbinestahls in der Korrosionsumgebung angeführt. Es ist die direkte Abhängigkeit des Elektrodenpotentials vom deformationsgespannten Zustand des Metalls der oberflächlichen Schicht zur Seite seiner «Unveredelung» aufgezeigt. Es sind die Empfehlungen nach der Wahl der Methoden und der Regimes der Zielbearbeitung der Einzelteile der Hydromaschinen, insbesondere der Schaufeln der Wasserturbinen, vom Gesichtspunkt der Formierung der hohen Betriebseigenschaften unter Berücksichtigung des Einflusses des Faktors des elektrochemischen Zustandes der oberflächlichen Schicht angeführt.
Influence du traitement mécanique sur les propriétés électrochimiques de la couche superficielle et caractéristiques d’expoitation des produits dans les milieux corrosifs
Résumé: Est expliqué le mécanisme de la formation de la non-unifomité électrochimique du métal de la couche superficielle des pièces des machines hydrauliques lors du traitement; est montré le rôle du facteur électrochimique dans la nature de la rigidité corrosive de fatigue des produits. Sont cités les résultats des études expérimentales de l’influence des paramèters de l’état physique et mécanique de la couche superficielle sur le potentiel d’électrode de l’acier de la turbine hydraulique dans le milieu corrosif. Est montrée une dépendance directe du potentiel d’électrode à partir de l’état de déformation et de tension du métal de la couche superficielle dans la côté de son «dénoblissement». Sont citées les recommandations sur le choix des méthodes et des régimes du traitement final des pièces des machines hydrauliques, en particulier des palettes des turbines hydrauliques du point de vue de la formation de hautes propriétés d’exploitation compte tenu du facteur de l’état électrochimique de la couche superficielle.
