CC BY
52
УДК 621.785.616:620.193
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА С АГРЕССИВНОЙ СРЕДОЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ
© 2016 О.М. Тимохова, О.Н. Бурмистрова Ухтинский государственный технический университет
Статья поступила в редакцию 18.03.2016
В статье предложена комплексная технология обработки и восстановления деталей машин, которая состоит из химико-термической обработки с последующим нанесением газотермического покрытия. В результате данной комплексной обработки сталь имеет в своём составе редкоземельные металлы, что в свою очередь, позволяет повысить коррозионную стойкость в 1,5-2 раза.
Ключевые слова: коррозия, износостойкость, сталь, химико-термическая обработка
Надёжность, долговечность, коррозионная износостойкость - основные параметры, определяющие нужную работу деталей лесотранспортных машин, а значит, и всего механизма. Однако в наше время остро стоит вопрос об улучшении этих параметров. Для этого необходимо внедрение новых технологий ремонта изношенных деталей, а также изготовление новых на заводах-изготовителях. Основными причинами разрушения деталей являются: коррозионный износ, механический износ, внутренняя усталость, хрупкость, трение и другие. Химико-термическая обработка позволяет увеличить коррозионную стойкость детали и подготовить деталь для напыления.
Для уменьшения коррозионного износа детали предлагается технология обработки и восстановления, которая состоит из химико-термической обработки (ХТО) с последующим нанесением газотермического покрытия. В результате такой обработки сталь имеет в своём составе редкоземельные металлы, что позволяет повысить коррозионный износ в 1,5-2 раза. ХТО стали является перспективным направлением нейтрализации вредного влияния серы и фосфора на процесс на-водораживания, а также на изменения электродного потенциала фаз, в результате которой происходит насыщение поверхности стали алюминием, кальцием и титаном.
Цель работы: изучить влияние агрессивной среды на износостойкость и коррозионную стойкость и выявить зависимость химического состава стали, коррозионной и износостойкости.
Перед непосредственным газотермическим напылением предлагается обработать образец стали 20Х не стандартными методами (например, струйно-абразивной обработкой), а ХТО, что позволит улучшить сцепляемость «напылённый слой-подложка». Были проведены экспериментальные исследования по ХТО и термической обработки стали. Для эксперимента были выбраны электролиты: 3%-ный раствор NaOH, 3%-ный раствор уксусной кислоты, газоконденсатная смесь, пресная и морская вода. Были изготовлены ролики из стали 20Х, которые подвергали микролегированию поверхности при ХТО.
Комплексное легирование поверхности при термической обработке возможно при цементации
Тимохова Оксана Михайловна, кандидат технических наук, заведующая кафедрой «Инжиниринг технологических машин и оборудования». E-mail: [email protected] Бурмистрова Ольга Николаевна, доктор технических наук, заведующая кафедрой «Технологии и машины лесозаготовок». E-mail: [email protected]
стали, где в качестве химического реагента используется карбюризатор, содержащий углерод, легирующие элементы. Технологический режим ХТО заключается в цементации при температуре 900-1080°С, закалке -при температуре 850°С, последующем низком отпуске. Охлаждение легированных сталей после закалки в различных технических маслах, а также водных растворах щелочей позволяет избежать остаточных внутренних напряжений и трещин. В исследовании масло было заменено водным раствором по массе, (%): моносульфидного натрия (ШШ) - 2-5, боргидрида натрия (МаВШ) - 0,4-0,74.
После этого образцы из легированной стали и образцы из стали 20Х без микролегирования прошли цементацию по стандартной схеме, они были исследованы на износо- и коррозионную стойкость. Исследования проведены на специально сконструированной установке, позволяющей поддерживать агрессивную естественную внешнюю среду с включениями продуктов износа. Кварцевый песок (фракции ~ 70 мкм) был выбран в качестве абразивной массы, который был подвержен обработке в качестве создания агрессивной среды 3%-ным раствором уксусной кислоты, газо-конденсатной смеси, морской и пресной воды. По окончании каждого эксперимента определялась степень наводораживания методом анодного растворения.
В результате эксперимента было выяснено, что после 4 часов трения содержание водорода в поверхностном слое увеличилась в 2,8 раза у образцов, прошедших обычную цементацию и закалку в масле, у роликов с микролегированием увеличили содержание водорода всего на 0,8%. Увеличение скорости изнашивания вызвано разупрочнением стали вследствие чрезмерной накачки водорода и охрупчивания поверхности трения. Следует отметить, что с увеличением давления p ф = 0,05-0,20 МПа) абразивной массы на образец время до наступления охрупчивания поверхности образца возрастает. Это объясняется тем, что водород, растворяясь в металле, диффундирует в зону повышенных температур и максимальных пластических деформаций. С повышением давления глубина пластических деформаций увеличивается, плотность дислокаций в металле возрастает, что увеличивает интенсивность наводораживания. Очевидно, при давлении p = 0,05 МПа удельное содержание водорода в стали достигает критической величины уже в течение 20 мин. эксперимента, и поэтому минимальная величина скорости изнашивания нами не была зарегистрирована.
С целью подтверждения влияния наводоражи-вания на скорость изнашивания было проведено исследование стали о сухую, не обработанную электролитом абразивную массу при давлении p = 0,02 МПа. Из анализа полученных данных видно, что увеличения удельного содержания водорода в стали не происходит, а скорость изнашивания в этом случае является постоянной величиной. Исследования, проведённые для других сред, показали аналогичные результаты.
Для определения коррозионной стойкости образцы из стали 20Х, предварительно зачищенные на наждачном круге, обезжиренные ацетоном, взвешивали и подвешивали в сосуде (рис. 1) на нейлоновой нити таким образом, чтобы часть образцов была полностью погружена в среду смазочного масла, а другая находилась в газовой фазе на расстоянии 10-15 см от смазочного масла. После герметизации сосуд закрывали и перемешивали. Продолжительность опытов составляла 15 суток. Для создания условий периодического смачивания поверхности стали агрессивным электролитом ячейки дважды в сутки интенсивно встряхивали. Продукты коррозии удаляли травлением образцов в 2%-ном растворе НС1 в ацетоне в течение 5 мин. Взвешивание образцов проводили на аналитических весах ВЛР-200г с точностью 10~4 г.
1 - крышка с ниппельным клапаном; 2 - кронштейн для крепления образцов; 3 - ячейка; 4 - образцы сталь 20Х, ХТО; 5 -образцы 20Х, ХТО с микролегированием; 6 - уйат-спирит; 7 -среда смазочного масла
S = 0.53409002 r = 0.94055339
• ■
jTS
•
•4 •
•ч
Рис. 1. - Ячейка для коррозионных испытаний:
Таблица 1. Исследование состава охлаждающей среды
Рис. 2. Исследование твёрдости покрытия от состава охлаждающей среды:
а - график зависимости; б - остатки модели; S - дисперсия; r - коэффициент корреляции; по вертикали - ШСэ, по горизонтали NaBH
В каждой серии опытов определяли скорость коррозии в агрессивной среде. Исследуемые образцы при ХТО охлаждались при разной концентрации боро-гидрита натрия в жидкости. Данные приведены в табл. 1. В программной среде Curve Expert получена модель закономерности влияния борогидрита натрия в охлаждающей жидкости на физико-механические свойства детали. График зависимости представлен на рис. 2.
«я.®1
0.0
0.2
0.4
0.6
0.7
0.9
1.1
Охлаждающая среда Состав Твёрдость, HRC3 Скорость коррозии, г/м2 ч Интенсивность изнашивания образцов, мг/100 ч
1 2 3 4 5
Масло Классич. 49 48,0272 40,1
Вода 0,01NaBH4 48 4,9751 39,8
0,02NaBH4 48 4,8991 39,3
0,03NaBH4 48 4,8765 39,4
0,04NaBH4 48 4,6754 38,8
0,05NaBH4 48 4,6766 38,4
0,06NaBH4 48 4,7532 38,3
0,07NaBH4 48 4,7543 37,4
0,08NaBH4 48 4,6896 37,8
0,09NaBH4 48 4,6461 36,2
0,10NaBH4 48 4,7564 36,5
0,14NaBH4 49 4,7456 35,8
0,18NaBH4 49 4,6545 34,6
0,22NaBH4 49 4,6132 32,4
0,26NaBH4 49 4,6124 30,6
0,30NaBH4 49 4,6654 29,1
0,34NaBH4 49 4,6376 29,4
1 2 3 4 5
0,38КаВШ 49 4,6543 29,8
0,42КаВШ 49 4,6461 28,9
0,46КаВШ 50 4,5867 29,1
0,5(ЖаВН4 50 4,5678 29,5
0,54КаВШ 51 4,5661 29,3
0,58КаВШ 51 4,5511 29,0
0,62КаВШ 52 4,5210 28,9
0,66КаВШ 52 4,4498 28,6
0,70КаВШ 53 4,4687 28,7
0,74КаВШ 53 4,4588 28,1
0,78КаВШ 51 4,4577 28,8
0,82КаВШ 51 4,5342 29,2
0,86КаВШ 51 4,5464 29,5
0,90КаВШ 50 4,5322 29,3
0,94КаВШ 50 4,6123 29,9
0,98КаВШ 49 4,6234 30,1
1,0 МаВИ 49 4,6466 30,5
1,1 ШВИ 48 4,7654 31,9
1,2№ВИ4 48 4,7686 31,7
1,3КаВШ 46 4,7732 (отсл. слоя) 33,8
Таким образом, зависимость твердости упрочненного слоя от количества борогидрита натрия в охлаждающей жидкости примет следующий вид:
у = 5,5864 • х13-4185 • ехр(-19,8932 • x) + 48.
Аналогичным образом получена математическая модель, отражающая изменение скорости коррозии от количества борогидрита натрия в охлаждающей жидкости (рис. 3).
Следовательно, математическая модель изменения скорости коррозии от количества борогидрита натрия будет выглядеть следующим образом:
у = 9,482176ехр(0,013641 • х) - 5,0622148 • х0,023562
8 = 0.06317680 г = 0.87484998
• ^ • •
—
••
0.0 0.2 0.4 0.6 0.7 0.9 1.1
МаВИ4, %
а
• •
• • • •• • • •
• •• • • • ) • •••
• •
,, т-,-,-,--,-,-,--,-,-,--,-,-,-
0.0 0.3 0.6 0.8 1.1
МаБИ4, %
б
Рис. 3. Изменение скорости коррозии от количества борогидрита натрия в охлаждающей жидкости:
а - график зависимости; б - остатки модели; S - дисперсия; г - коэффициент корреляции
На рис. 3 видно, что введение уже относительно небольшого количества борогидрита натрия в охлаждающую жидкость (0,4%) замедляет коррозию стали более, чем в 2,5 раза. Увеличение концентрации до 1% значительно усиливает защитные свойства поверхностного слоя. Однако, надо отметить, что при повышении концентрации борогидрита натрия более 1% на поверхности стали наблюдается отслоение упрочнённого слоя. Следовательно, наиболее оптимальной концентрацией борогидрита натрия следует считать концентрацию от 0,4% до 0,74%.
Таким образом, разработанная технология изготовления деталей позволяет путём микролегирования поверхностных слоёв металла, принципиально не изменяя химического состава стали, понижать скорость коррозии металла, т.е. уменьшать степень наво-дораживания.
Следующим этапом исследований являлся вопрос изучения влияния фосфора и серы на процесс наводораживания. Как отмечалось раньше, отрицательное влияние серы на механические свойства металла, его коррозионную стойкость изучены и постоянно исследуются, то влияние фосфора на коррозионные процессы исследованы недостаточно. Фосфор, растворяясь в феррите при комнатных температурах, при низких температурах выделяется из феррита и образует при этом химическое соединение FeзР. Микротрещины, образованные при эксплуатации металла за счёт разрушения химического соединения, играют при наводораживании стали такую же роль, как сера и дислокации. Это подтверждается экспериментом, который был проведён на образцах из стали 20Х. На рис. 4 представлена микроструктура образца стали 20Х, который был предварительно помещён в камеру при температуре -40°С, а затем был помещён в агрессивную среду, где подвергся наводораживанию при одновременном механическом воздействии. Образовавшаяся трещина носит следы коррозионного процесса, образуется по границам зёрен феррита, где и располагаются химические соединения FeзР. На фотографии видно, что трещина образуется на границе зерна и при выходе на поверхность значительно расширяется.
Иную картину наблюдаем у образа, который изготовлен из той же марки стали и также помещён в
холодильную камеру, но не подвергался воздействию агрессивной среды (рис. 5).
а затем подвергнут знакопеременным циклическим наг-рузкам при комнатной температуре в обычной атмосфере. Видно, что трещина образуется вокруг зёрен, но не распространяется вдоль границ. Как видно, повышенное содержание фосфора в стали также
По результатам эксперимента можно сделать вывод, что образцы из стали 20Х после наводоражива-ния и испытаний в агрессивной среде имеют более высокую коррозионную стойкость, по сравнению с образцами, предварительно охлаждёнными до минусовых температур, наводороженными и испытанными в агрессивной среде.
Для более полного выяснения данной зависимости проведен микроструктурный анализ образования трещин при коррозии исследуемых образцов. Характер образования питтингов у исследуемых образцов после выдержки в агрессивной среде в течение 100 часов имеет некоторые различия. По характеру образования питтингов исследуемые образцы не имеют относительно равные границы питтинга. Иная картина наблюдается в образцах, исследованных при минусовых температурах (питтинги образуют рваную, острую геометрию рисунка), по скорости коррозии можно предположить, что при минусовых температурах в местах выделения из феррита фосфора образуются
способствует процессу наводораживания, так как фосфор вызывает образование микротрещин, которые служат коллекторами для атомов водорода. Кроме того, фосфиды, как и сульфиды, являются активаторами процесса абсорбции водорода и изменяют термодинамический потенциал металла. Исследуемые образцы после наводораживания и выдержке в агрессивной среде исследовали на коррозионную стойкость, используя гравиметрический метод испытаний. Результаты исследования приведены в табл. 2.
Рис. 5. Образование микротрещины при низких температурах в стали 20Х без воздействия агрессивной среды. *780
ловушки для атомарного водорода. Атомарный водород в силу своей активности может вступать в реакцию с сульфидами серы, создавать повышенное парциальное давление, что и приводит к развитию и распространению трещины внутри металла.
Выводы: можно предположить, что на развитие коррозионного растрескивания конструкций, работающих в условиях минусовых температур в агрессивной среде, одним из основных влияющих факторов является наличие фосфора и серы в металле. Наличие неметаллических включений существенно влияет на процессы наводораживания и, как следствие, на коррозионные разрушения, старение материала. Механизм коррозионного старения связан со структурными изменениями металла в процессе его эксплуатации не только с деформационно-пластическим упрочнением, но и с изменением химического состояния металла, вызванного выделением фосфора из феррита и насыщением водорода.
Рис. 4. Образование микротрещины при низких температурах (сталь 20Х) х780
Иную картину наблюдаем у образа, который изготовлен из той же марки стали и также помещён в холодильную камеру, но не подвергался воздействию агрессивной среды (рис. 5). На рис. 5 представлена микроструктура образца сталь 20Х, который был предварительно помещён в камеру при температуре -40°С,
Таблица 2. Результаты исследований коррозионной стойкости образцов после наводораживания
Наименование опыта, сталь 20Х Масса Разница Время экспозиции, ч Потеря массы 10"3, г/м2 ч Скорость коррозии, 10"3 мм/год
до, г после, г
до наводораживания 21,2343 21,2313 0,0030 18 91,5308 91,5430
22,0542 22,0492 0,0050 26 91,6059 102,2508
после наводораживания 21,7053 22,6948 0,0105 18 184,5915 204,8625
22,6542 22,5492 0,0108 26 113,2159 182,2508
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 5.
1. Тимохова, О.М. Исследование коррозионной стойкости стали после термической обработки // IX междунар. молодёжная науч. конф «Севергеоэкотех-2008»: мат-лы конф. (19-21 марта 2008 г., Ухта): в 3 ч.; ч. 1. - Ухта : УГ- 6. ТУ, 2008. С. 254-256.
2. Тимохова, О.М. Исследование наноматериалов при поверхностном упрочнении деталей лесных машин / О.М. Тимохова, Н.Р. Шоль // Система. Методика. Технологии. 2012. №4 (6). С. 29-31.
3. Тимохова, О.М. К вопросу водородного охрупчивания стали // Сборник научных трудов по итогам междун. на-уч.-техн. конф.: Новые материалы и технологии в ма- 7. шиностроении. Вып. 12. Под ред. Е.А. Памфилова. -Брянск: БГИТА, 2010. С. 120-122.
4. Тимохова, О.М. Мониторинг коррозионных разрушений конструкций машин и оборудования отрасли / О.М. Ти- 8. мохова, Н.Р. Шоль, Г.Б. Коптяева // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: мат-лы междунар. науч.-техн. конф. - Вологда: ВоГТУ, 2010. С. 225-228.
Тимохова, О.М. Особенности протекания коррозии при минусовых температурах // IX междунар. молодёжная науч. конф. «Севергеоэкотех-2008»: мат-лы конф. (19-21 марта 2008 г., Ухта): в 3 ч.; ч. 1. - Ухта: УГТУ, 2008. С. 256-258.
Тимохова, О.М. Перспективы применения газотермического напыления для восстановления деталей машин / О.М. Тимохова, Н.Р. Шоль, Г.Б. Коптяева // Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: мат-лы 12-й междунар. науч.-практ. конф. в 2-х ч.; ч. 1. - СПб.: Политех. ун-т, 2010. С. 217-220. Тимохова, О.М. Повышение коррозионной стойкости технологического оборудования и деталей машин / О.М. Тимохова, Н.Р. Шоль, Г.Б. Коптяева // Научно-технический вестник Поволжья. 2011. №3. С. 141-144. Тимохова, О.М. Повышение коррозионной стойкости деталей лесотранспортных машин: Автореф... дис. канд. техн. наук. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2013. 22 с.
RESEARCHES OF INTERACTION OF METAL SURFACE WITH CORROSIVE MEDIUM DEPENDING ON PROCESSING TECHNOLOGY
© 2016 O.M. Timokhova, O.N. Burmistrova
Ukhta State Technical University
In article the complex technology of processing and restoration the machine details which consists of chemical heat treatment with the subsequent coating a gas-thermal covering is offered. As a result of this complex processing steel incorporates rare-earth metals that in turn, allows to increase the corrosion resistance by 1,5-2 times.
Key words: corrosion, wear resistance, steel, chemical heat treatment
Oksana Timokhova, Candidate of Technical Sciences, Head of the Department"Engineering of Technological Machines and Equipment". E-mail: [email protected] Olga Burmistrova, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department "Technologies and Machines of Timber Cuttings". E-mail: [email protected]
