CC BY
41
УДК 62-1/-9
ВОЗДЕЙСТВИЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГАЗОВОГО ПОТОКА НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
Д.А. Иванов1, О.Н. Засухин2
Балтийский государственный университет (БГТУ) «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова,
190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1
В данной работе представлены результаты исследования влияния обработки пульсирующим дозвуковым газовым потоком на коррозионную стойкость углеродистых и легированных конструкционных сталей в агрессивных средах.
Ключевые слова: пульсирующий газовый поток, коррозионная стойкость, агрессивные среды, конструкционные стали.
ACTION OF THE PULSATORY GAS FLOW ON CORROSION RESISTANCE OF
STRUCTURAL STEELS
D.A. Ivanov, O.N. Zasuhin
The Baltic state university (BGTU) "VOYENMEKH" of D.F. Ustinov 190005, St. Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya St., 1
Are in this work represented the results of investigating the influence of processing by the pulsatory subsonic gas flow on corrosion resistance of carbon and alloy structural steels in the aggressive media.
Keywords: the pulsatory gas flow, corrosion resistance, aggressive media, structural steels.
В процессе восстановительного ремонта зачастую приходится сталкиваться с тем, что металлические детали транспортных средств, технологических машин, бытовых приборов, другого оборудования бытового и жилищно-коммунального назначения нередко подвергаются коррозии, особенно при взаимодействии с агрессивными средами, поэтому актуальной является задача повышения их коррозионной стойкости.
Коррозия не только черных, но и многих цветных сплавов в таких средах, как кислоты и щелочи протекает достаточно интенсивно, с образованием, в зависимости от агрессивной среды, соединений металла с серой, хлором, азотом и другими химическими элементами, что сопровождается заметной потерей массы детали, ведущей к уменьшению её несущей способности, а также повышению риска пластического деформирования и разрушения в процессе передачи усилия. При этом снижается чистота поверхности металла, способствуя интенсификации дальнейшего корродирования.
Коррозионная стойкость может быть повышена не только использованием покрытий, протекторов или введением дорогостоящих легирующих добавок, но и механической обработкой.
С целью повышения коррозионной стойкости металлических конструкционных
материалов на сегодняшний день применяются различные методы механической обработки. Известно, что снижение растягивающих напряжений, например, в результате обкатки роликом может приводить к повышению коррозионной стойкости металлических деталей. Схожие результаты по повышения коррозионной стойкости даёт и дробеструйная обработка, причем вне зависимости от величины и знака исходных остаточных напряжений.
Были проведены исследования влияния обработки пульсирующим дозвуковым газовым потоком (газоимпульсной обработки), ранее показавшей высокую эффективность при повышении механических свойств металлических материалов [1^9], на коррозионную стойкость углеродистых и легированных конструкционных сталей в агрессивных средах.
Для оценки влияния газоимпульсной обработки на коррозионную стойкость средне-углеродистых конструкционных сталей образцы из стали 40 закаливали в воде с температуры 850 °С, после чего часть образцов подвергалась отпуску при температуре 200 °С, в то время как остальные образцы были обработаны в течение 15 минут пульсирующим дозвуковым воздушным потоком, обладающего частотой порядка 1130 Гц.
Иванов Денис Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Технология конструкционных материалов и производства ракетно-космической техники», тел.: +79817640822; Засухин Отто Николаевич - заведующий лабораторией газодинамики БГТУ «ВОЕНМЕХ», тел.: +7 951 6484544, e-mail: [email protected]
Испытания на коррозионную стойкость осуществлялись путём погружения образцов в 4%-ный водный раствор HCl на 20 суток с промежуточным контролем изменения массы через 5 суток (таблица 1), сопровождающимся обновлением раствора.
В таблице 2 приведены результаты измерения потери массы образцов из стали 40 за 0 ^ 5, 5 ^ 10, 10 ^ 15, 15 ^ 20 сутки коррозионных испытаний.
Относительная потеря массы образцов за 20 суток составила 7,14% в случае газоимпульсной обработки вместо низкого отпуска после закалки и 10,03% в случае закалки с последующим низким отпуском.
Потеря массы на единицу площади за 20 суток рассчитывалась по формуле Am = (т0 — mt)/s, где: т0 - масса до испытания, кг; тг - масса после испытания, кг; s - площадь поверхности, м2.
Здесь Am =1,078 кг/м2, в случае закалки с обдувом и Am =1,495 кг/м2 при закалке с низким отпуском.
Скорость коррозии VK составила 0,0539 кг/м2Хсут в случае газоимпульсной обработки и 0,0748 кг/м2Хсут в случае закалки с последующим низким отпуском.
Положительное влияние газоимпульсной обработки на коррозионную стойкость образцов из стали 40 показано в таблице 3 и на рисунке 1.
Повышение коррозионной стойкости связано с более значительной, чем в случае стандартного отпускного нагрева, релаксацией растягивающих остаточных напряжений на поверхности изделий в результате обдува пульсирующим газовым потоком, а также меньшим количеством продуктов распада мартенсита (прежде всего вторичных карбидов).
Таблица 1 - Изменение массы образцов из стали 40 на 5, 10, 15 и 20-е сутки коррозионных испытаний в 4%-ном водном растворе HCl
Потеря твёрдости закалённой стали 40 после обдува низкочастотным воздушным потоком меньше (менее 2 единиц HRC), чем после отпуска при температуре 200 градусов (2 единицы HRC и более).
Можно сделать вывод, что газоимпульсная обработка оказывает положительное влияние на механические свойства, надежность и долговечность термоупрочнённых изделий из конструкционных среднеуглеродистых сталей.
Таблица 2 - Потеря массы образцов из стали 40 за 0^5, 5^10, 10^15, 15^20 сутки коррозионных испытаний: в скобках указана суммарная потеря массы за данный промежуток времени
Обработка Потеря массы, г
5 сут 10 сут 15 сут 20 сут
Закалка + низкий отпуск 1,1 0,25 (1,35) 0,65 (2) 0,62 (2,62)
Закалка + газоимпульсная обработка 0,85 0,21 (1,06) 0,45 (1,51) 0,38 (1.89)
Таблица 3 - Потеря массы за время коррозионных испытаний образцов из стали 40
Обработка Потеря массы, г/м2
5 сут 10сут 15 сут 20сут
Закалка + низкий отпуск 628 771 1142 1495
Закалка
+ газоимпульсная обработка 485 605 862 1078
«
л
<и н о
С
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
5
10
15
20
Масса, г
Обработка Исходная масса 5 сут 10 сут 15 сут 20 сут
Закалка
+ низкий 26,12 25,02 24,77 24,12 23,5
отпуск
Закалка +
газоимпульсная обработка 26,46 25,61 25,4 24,95 24,57
Время коррозионных испытаний, сутки Закалка + низкий отпуск
Закалка+газоимпульсная обработка
Экспоненциальная (Закалка + низкий отпуск)
. Экспоненциальная (Закалка+газоимпульсная обработка)
Рисунок 1 - Влияние газоимпульсной обработки на потерю массы образцов из стали 40 при коррозионных испытаниях
В дальнейшем было проведено исследование воздействия газоимпульсной обработки на коррозионную стойкость легированных конструкционных сталей.
Среднеуглеродистые легированные конструкционные стали, такие, как сталь 40Х в
Воздействие пульсирующего газового потока на коррозионную стойкость конструкционных сталей
высокопрочном состоянии чувствительны к коррозии под действием напряжений.
Для оценки влияния газоимпульсной обработки на коррозионную стойкость конструкционных легированных сталей в высокопрочном состоянии образцы из стали 40Х закаливали в воде с температуры 860 °С, после чего часть образцов подвергалась отпуску при температуре 200 °С, в то время как остальные образцы были обработаны в течение 15 минут пульсирующим дозвуковым воздушным потоком, обладающего частотой порядка 1130 Гц и звуковым давлением до 120 дБ. Испытания на коррозионную стойкость осуществлялись путём погружения образцов в 4%-ный водный раствор HCl на 20 суток с промежуточным контролем изменения массы через 5 суток, сопровождающимся обновлением раствора.
В таблице 4 приведены результаты измерения потери массы образцов из стали 40X за 0 ^ 5, 5 ^ 10, 10 ^ 15, 15 ^ 20 сутки коррозионных испытаний.
Относительная потеря массы образцов за 20 суток составила 2,8 % в случае газоимпульсной обработки вместо низкого отпуска после закалки и 3,5 % в случае закалки с последующим низким отпуском.
Потеря массы на единицу площади за 20 суток составила Am = 0,2 кг/М в случае закалки с последующей газоимпульсной обработкой и 0,26 кг/М при закалке с низким отпуском.
Таблица 4 - Изменение массы образцов из стали 40Х на 5, 10, 15 и 20-е сутки коррозионных испытаний в 4%-ном водном растворе HCl
стандартного отпускного нагрева, релаксацией растягивающих остаточных напряжений на поверхности изделий в результате обдува пульсирующим газовым потоком, а также меньшим количеством продуктов распада мартенсита (прежде всего вторичных карбидов).
Таблица 5 - Потеря массы за время коррозионных испытаний образцов из стали 40Х
Обработка Потеря массы, г/м2
5 сут 10 сут 15 сут 20 сут
Закалка + низкий отпуск 25 101 245 262
Закалка + газоимпульсная обработка 17 80 203 207
Твёрдость случае закалки с последующей газоимпульсной обработкой составила 51 HRC, а случае закалки с последующим низким отпуском - 50 HRC.
300
250
200
л
I 150 «
& 100 о
С 50
Масса, г
Ис-
Обработка ход- 5 сут 10 15 20
ная сут сут сут
масса
Закалка
+ низкий 17,67 17,61 17,43 17,09 17,05
отпуск
Закалка +
газоимпульсная обработка 17,76 17,72 17,57 17,28 17,27
Скорость коррозии Ук составила 0,01 кг/м2Хсут в случае газоимпульсной обработки и 0,013 кг/м2Хсут в случае закалки с последующим низким отпуском.
Потеря массы за время коррозионных испытаний образцов из стали 40Х с 5 по 20 сутки приведена в таблице 5 и на гистограмме (рис. 2).
Повышение коррозионной стойкости связано с более значительной, чем в случае
5 10 15 20
Время коррозионных испытаний, сутки
Закалка + низкий отпуск
Закалка+газоимпульс-ная обработка
• Логарифмическая (Закалка + низкий отпуск)
Логарифмическая (Закалка+газоимпульс-ная обработка)
Рисунок 2 - Влияние газоимпульсной обработки на потерю массы образцов из стали 40Х при коррозионных испытаниях
Повышение коррозионной стойкости связано с тем, что газоимпульсная обработка более эффективно в сравнении с низким отпуском устраняет нежелательные растягивающие остаточные напряжения, образующиеся в результате закалки на поверхности стальных изделий, а также с их более однородной структурой, благодаря меньшему выделению карбидной фазы.
0
Таким образом, замена низкого отпуска газоимпульсной обработкой не только делает технологический процесс достижения легированными конструкционными сталями высокопрочного состояния более экономичным, при сохранении высоких значений показателей твёрдости и прочности и обеспечении достаточной надёжности но и оказывает положительное влияние на их коррозионную стойкость.
Также исследовалось влияние газоимпульсной обработки на коррозионную стойкость легированной конструкционной стали 12ХН, применяемую для изготовления, зубчатых колес, пальцев и других ответственных деталей бытовых машин, работающих в условиях ударных и знакопеременных нагрузок, в состоянии поставки.
Образцы из стали 12ХН цилиндрической формы диаметром d0=16 мм и высотой h0=19,6 мм были обработаны в течение 12 минут пульсирующим дозвуковым воздушным потоком, обладающего частотой порядка 2100 Гц и звуковым давлением до 140 дБ.
Испытания на коррозионную стойкость осуществлялись путём погружения образцов в 4%-ный водный раствор HCl на 15 суток с промежуточным контролем изменения массы.
На фотографии (рис. 3) показаны образцы из стали 12ХН после пребывания в 4%-м водном растворе HCl продолжительностью 15 суток в состоянии поставки и подвергнутый газоимпульсной обработке. Видно, что последний корродировал слабее.
Таблица 6 - Потеря массы образцов из стали 12ХН в состоянии поставки и подвергнутых газоимпульсной обработке за время коррозионных испытаний в 4%-ном водном растворе
НС1: в скобках указана потеря массы в сравнении с непосредственно предыдущей
У образцов, подвергнутых газоимпульсной обработке, в результате пребывания в 4%-м водном растворе HCl продолжительностью 15 суток потеря массы на 24% меньше, чем у необработанных образцов (таблица 6), что может быть объяснено релаксацией остаточных микронапряжений, присутствовавших в холоднокатаном прутке под действием механических волн, вызванных пульсациями воздушного потока, натекающего на образец и свидетельствует о эффективности применения пульсирующе-
го дозвукового газового потока для повышения коррозионной стойкости легированных конструкционных сталей.
Потеря твёрдости закалённой стали 40Х после обдува низкочастотным воздушным потоком так же, как и в случае стали 40 меньше (менее 2 единиц НЯС), чем после отпуска при температуре 200 градусов (2 единицы НЯС и более).
б)
Рисунок 3 - Образцы из стали 12ХН после пребывания в 4%-м водном растворе HCl продолжительностью 15 суток: а) - состояние поставки; б) -газоимпульсная обработка
Таким образом газоимпульсная обработка способствует повышению коррозионной стойкости изделий из конструкционных сталей, в дополнение к описываемому в источниках [1^9] её положительному влиянию на механические свойства, надежность и долговечность изделий из конструкционных сталей.
Литература
1. Иванов Д.А. Влияние дозвукового пульсирующего водовоздушного потока на напряженное состояние сталей при термообработке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2007, №1, с. 97-100.
2. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочности материалов за счет воздействия пульсирующих дозвуковых низкочастотных газовых потоков. Монография. - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2008. - 123 с.
Обработка Потеря массы, гр.
0 7 сут. 15 сут.
Состояние 31,03 30,86 30,16
поставки (0,17) (0,7)
Газоимпульсная обработка 12 мин. 30,9 30,77 (0,13) 30,24 (0,33)
3. Иванов Д.А. Закалка сталей, алюминиевых и титановых сплавов в пульсирующем дозвуковом водо-воздушном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2008, №2, с. 57-61.
4. Иванов Д.А. Прокаливаемость сталей при закалке в пульсирующем дозвуковом воздушном и водовоз-душном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2010, № 11, с. 50-53.
5. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочности металлических материалов путём их обработки нестационарными газовыми потоками без предварительного нагрева // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2011, №4, с. 24-29.
6. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование газоимпульсной обработки в процессе термического упрочнения деталей бытовых машин // Технико-
технологические проблемы сервиса. - СПб., 2012, № 4, с. 33-37.
7. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение конструктивной прочности машиностроительных материалов в результате сочетания термической и газоимпульсной обработки // Двигателестроение. - СПб., 2012, №3, с. 12-15.
8. Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру и механические свойства нормализуемых сталей // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2013, № 3, с. 19-22.
9. Булычев А.В., Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру, свойства и напряженное состояние металлических изделий // Технология металлов. - М., 2013, № 11, с. 30-33.
УДК 004.052.3
ДАТЧИКИ В «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ» АВТОМОБИЛЬНОЙ
ШИНЫ
А. В. Бойцев1
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29
В работе рассмотрены существующие методы получения информации о состоянии пневматического колеса с помощью различных датчиков. Изложены требования к "интеллектуальным" системам шин.
Ключевые слова: датчик, пневматическое колесо, системы управления, "интеллектуальная" система.
SENSORS IN THE "INTELLIGENT SYSTEMS" OF AUTOMOTIVE TIRES
A.V. Boitsev
Saint Petersburg State Polytechnical University 195251, St. Petersburg, st. Politekhnicheskaya, b. 29
The paper discusses the existing methods of obtaining information on the condition of the pneumatic wheels by different sensors. Sets out the requirements for "intelligent" tire systems.
Keywords: sensor, pneumatic wheel, control systems, intelligent system.
Введение
Современный автомобиль оснащен десятками датчиков для контроля и управления автомобилем: датчики положения, числа оборотов и скорости, акселерометры, датчики давления, усилия, крутящего момента, температуры, расходомеры, оптоэлектронные, концентрации вредных веществ и др.
Историю измерения параметров состояния пневматического колеса можно разделить на три этапа.
Первый - системы контроля давления в шинах. В настоящее время эта технология широко представлена на автомобильном рынке.
Второй этап - мониторинг нескольких параметров шины. Шины могут быть оснащены различными датчиками контроля безопасности дорожного движения:
-контроль давления в шинах - избыточное давление шины может привести к ДТП (особенно при поворотах и торможении);
-контроль температуры в шинах - слишком высокая температура может привести к «взрыву» шины и усиленному ее износу;
-измерение усилий и деформаций в шине; -мониторинг сцепления шины с дорогой.
1 Бойцев Андрей Владимирович - аспирант СПбГПУ, e-mail: [email protected]
