Подпишитесь на обновления сайта. Получайте новые статьи на почту:

КОРРОЗИОННО – МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИФФУЗИОННО ЛЕГИРОВАННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

УДК 620.193.01

 

 

Л.О. ЧУНЯЕВА канд. техн. наук, О.Н. ЧУНЯЕВ

 

КОРРОЗИОННО – МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
    ДИФФУЗИОННО ЛЕГИРОВАННЫХ
         УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

 

Досліджені механічні властивості дифузійно-легованих сталей 35, 45, 38Х3МФА, 35ХН2МФА.

Доведено, що використовування технології ДКПЛ для захисту зазначених сталей дозволяє підвищити ресурс роботи деталей у сірководневому середовищі при різних прикладених напругах, а також збільшити поріг руйнування сталі при циклічних ударних навантаженнях.

 

Общие замечания.

Теоретические и экспериментальные исследования по оценке способа антикоррозионной защиты углеродистых сталей в агрессивных химических средах, показали, что процесс диффузионного  карбидного поверхностного легирования (ДКПЛ) является наиболее эффективным из всех известных методов поверхностной обработки [1,2].

Фундаментальное отличие метода ДКПЛ – химическая природа процесса. Конечным устойчивым продуктом является карбид, в котором насыщающий элемент связан с углеродом металла. Встречный характер этого взаимодействия способствует формированию сплошной фазы, дефекты которой автоматически закупориваются, проникающими в них, реагирующими компонентами.

Этот метод позволяет удешевить и расширить легирование такими элементами как хром, титан, молибден и др.

Таким образом, используя особые свойства карбидов хрома, титана и их сочетаний, можно добиться высокой комплексной стойкости к коррозии и коррозионно-механическому износу, при этом сохранив несущие и упругие характеристики материала основы.

В настоящей работе приведены результаты исследований коррозионно-механических свойств диффузионно-легированных сталей 35, 45, 38Х3МФА, 35ХН2МФА.

Влияние структуры и фазового состава слоя на
механические свойства основного металла.

Нами накоплен положительный опыт защиты углеродистых сталей в порошковых смесях (метод ДКПЛ) с использованием различных карбидообразующих элементов, таких как хром, титан, марганец [3].

Влияние химико-термической обработки на прочностные характеристики сталей изучали на следующих материалах: сталях 35 и 45, стали 38Х3МФА. В таблице 1 приведены результаты испытаний.

Измерение предела прочности на растяжение, предела прочности на изгиб, относительного удлинения и относительного сужения показали, что основные механические характеристики указанных сталей изменяются незначительно.

Исследование микроструктуры проводили на металлографическом микроскопе “НЕОФОТ-2”после шлифовки и травления образцов соответствующими реагентами.

Исследование фазового состава слоя – на рентгеновской установке “ДРОН-3”.

Фрактографический и микрорентгеноспектральный анализы проводились на установке “КАМЕБАКС” в режиме растрового электронного микроскопа и рентгеновского микроанализатора. Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3.

В таблице 2 приведены значения микротвердости диффузионного слоя для углеродистой стали 45 и стали 35ХН2МФА.

Микрофотографии участка приповерхностной области диффузионно-легированной стали 45 в режиме регистрации вторичных электронов (а) и его же изображение в рентгеновском Кa – спектре (б) приведены на рис.1.

а                                                                    б

                                                                                                                                                                     Рис. 1

Наибольшая концентрация хрома наблюдается в карбидной зоне. Плавное падение концентрации хрома в приповерхностной зоне иллюстрируется микрофотографией на рис. 2. Следующая за ней зона, состоящая из феррита, переходящая в основу, не содержит хрома.

Рис. 2 Распределение Cr по линии сканирования электронного зонда видеополя рис. 1а в режиме регистрации отраженных электронов микроанализатора «КАМЕБАКС».

Анализ фазового состава слоя показал, что при диффузионном поверхностном хромировании углеродистых сталей 35, 45 на поверхности образуется карбидная зона состоящая из Cr7C3 и Cr2C.

Рис.3 Металлографическая структура приповерхностной области стали 38Х3МФА с покрытием карбидами Ti.

Микрофотография приповерхностного диффузионного титанохромированного слоя приведена на рис. 3. Верхняя зона содержит в основном карбиды титана на глубину 1 мкм. Кривые распределения хрома и титана вдоль линии сканирования указывают на почти полное отсутствие хрома. Распределение микротвердости титанохромированного слоя подтверждают данные рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализа о фазовом составе слоя. Внешняя (карбидная) зона имеет микротвердость 1800-2000 HV.

Стойкость поверхностно легированных сталей к сульфидному коррозионному растрескиванию (СКР).

Стойкость сталей, работающих в сульфидных, средах к СКР является важной коррозионно-механической характеристикой. Исследования проводились на стали 38Х3МФА – одной из наиболее распространенных марок, используемых для работы в условиях СКР. Указанная сталь успешно работает в сульфидных средах при нагрузках σТ ≤ 600 МПа, однако с повышением  σТ более 650 МПа она разрушается за время, не превышающее нескольких сот часов. Для сравнительных испытаний на коррозионно-механическую стойкость в сульфидных средах образцы стали 38Х3МФА были подвергнуты диффузионному карбидному поверхностному легированию хромом и титаном.

Испытываемые на СКР образцы предварительно нагружались на разрывной машине до напряжения 750 и 850 МПа, которое фиксировалось в специальных патронах. Конструкция последних обеспечивала поддержание напряжений постоянными по крайней мере, 1000 часов – заданного времени испытаний. Образцы в патронах помещались на фарфоровую решетку в эксикаторе, заполненном водным раствором 5% масс. NaCl + 0,5% масс. СН3СООН. Раствор непрерывно в течение 8 часов в сутки барбатировался сероводородом. Сероводород получали в аппарате Киппа. После окончания испытаний на СКР патроны с образцами разгружались на разрывной машине, и фиксировалось фактическое напряжение, при котором происходило освобождение крепежа образцов в патроне.

Срок службы стали 38Х3МФА без покрытий и с гальваническими покрытиями, вне зависимости от уровня прочности (в пределах 0,6-0,85 σТ) колеблется от 10 до 220 часов. Диффузионные покрытия существенно повышают ресурс ее работы: подавляющее большинство образцов с карбидами хрома и титана вышли на заданный техническим заданием срок службы 1000 часов. Преждевременное разрушение двух образцов на 43  и 600 часу, по-видимому, было вызвано наличием в покрытии точечных дефектов, связанных с неоднородностями металла основы, либо недостаточно качественной подготовкой поверхности (неполное обезжиривание) перед проведением химико-термической обработки.

Диффузионное марганценирование стали 35ХН2МФА, увеличивающее порог разрушения при циклических ударных нагрузках.

Для исследований на малоцикловую усталость использовали образцы типа “Менаже” стали 35ХН2МФА без защиты и в защитном исполнении хромомарганценированием и марганценированием.

Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Рис.4 Металлографическая структура стали 35ХН2МФА после диффузионного хромомарганценирования.

На рис. 4 представлена металлографическая структура приповерхностной зоны хромомарганценированного образца. Белая, не травящаяся в растворе HNO3 область состоит, преимущественно, из карбидов хрома, карбидный слой имеет толщину ~ 10 мкм.

а                                                                     б

Рис. 5 Приповерхностная область стали 35ХН2МФА после хромомарганценирования с наложенными кривыми распределения концентрации Cr и Fe (а); и Mn (б) вдоль линии сканирования электронного зонда.

На рис. 5 приведена приповерхностная область стали 35ХН2МФА после хромомарганценирования с наложенными кривыми распределения концентрации хрома, железа и марганца вдоль линии сканирования электронного зонда микроанализатора “КАМЕБАКС”. Непосредственно на поверхности образца расположен слой, насыщенный хромом, связанным в карбиды с углеродом основы. Железо в этой области отсутствует (а). Микротвердость поверхностной карбидной зоны составляет 1200 HV. Вторая область – зона насыщения стали марганцем, и в незначительной части хромом. Внедрение Mn распространяется на глубину 25-30 мкм, причем, рост его концентрации начинается в карбидной корочке и достигает максимума на расстоянии ~ 20 мкм от поверхности и далее монотонно спадает до уровня регистрирующего устройства микроанализатора.

Зона насыщения марганцем является более пластичной (HV  300) по сравнению с основой металла (HV 860). Тот факт, что микротрещины, образующиеся при многократных ударных нагрузках, тормозят свое развитие в области с повышенной пластичностью (область насыщенная марганцем), подтверждает правильность выбора легирующего элемента. Для усиления обнаруженного эффекта нами было выбрано “чистое” марганценирование с микродобавками.

Согласно данным, приведенным в таблице 3, на образцах, обработанных в шихте для чистого марганценирования, получены самые стабильные результаты. Ресурс работы стали 35ХН2МФА увеличился на 50%, в сравнении со сталью без покрытия.

Выводы.

  1. Проведенные исследования диффузионно-легированного слоя на сталях 35, 45, 38Х3МФА и 35ХН2МФА показали, что химико-термическая обработка по методу ДКПЛ практически не влияет на основные механические характеристики указанных сталей.
  2. Анализ результатов проведенных исследований на стойкость защищенной стали 38Х3МФА к СКР свидетельствует об эффективности использования метода ДКПЛ для повышения ресурса работы изделий в условиях сульфидных сред.
  3. Диффузионное насыщение стали 35ХН2МФА, марганцем с микродобавками, обеспечивает образование композиционного покрытия с повышенной пластичностью, блокирующее развитие усталостных трещин в основном металле.
  4. Результаты испытаний на малоцикловую усталость, при энергии копра А = 1,059 Дж, подтвердили возможность увеличения порога разрушения стали, насыщенной марганцем в ~ 1,5 раза.

 

Список литературы: 1. Колотыркин Я.М., Заец И.И., Зайцев И.Д. и др. Открытие №368 ; Опубл. 1989 г., Сб Открытия в СССР – 13с. 2. Чуняева Л.О., Чуняев О.Н. Особенности охраны окружающей природной среды при защите металлов от коррозии // Вестник НТУ “ХПИ”.-2001.-Вып.23.-С. 9-12. 3. Колотыркин Я.М., Новаковский В.М., Заец И.И. и др. // Защита металлов.- 1984.-Т.20, №1.-С. 3.

 

 

Понравилась статья? Расскажите друзьям.
Общайтесь с нами:

Добавить комментарий