Поверхностное упрочнение металлоорганическими соединениями хрома с целью повышения жаропрочности сталей

В процессе развития науки о прочности сложилось мнение, что разрушение наступает по достижении некоторой предельной для данного материала нагрузки — предела прочности, значение которой обусловлено как природой сил межатомного взаимодействия, так и условиями нагружения. На базе этих представлений были сформулированы теории и гипотезы о различных механизмах разрушения: хрупком, вязком, импульсном, усталостном и т. д., предполагающие принципиальное различие в процессах разрушения на надмолекулярном уровне.

При кажущемся их принципиальном различии идея этих теорий сводится к существованию некоторых предельных состояний, по достижении которых наступает разрушение тела (или изменение формы). Данный подход к проблеме разрушения является результатом чисто механических представлений о процессе разрушения и широко оправдал себя в инженерной практике.

Однако по мере накопления экспериментальных данных о свойствах пределов прочности, текучести и других свойств было установлено, что они не являются физическими константами материала, подобными таким, как коэффициент линейного расширения, теплопроводность и пр., а в значительной мере зависят от условий испытания (температуры, вида напряженного состояния, скорости деформирования и т. д.).

Нами рассмотрена проблема повышения срока эксплуатации сталей, работающих в условиях повышенных температур. Решение этой задачи может осуществляться путем использования различных методов упрочнения: легирования, термомеханической обработки, поверхностного упрочнения и т. д. Оценка эффективности использования того или иного метода возможна на основании глубокого изучения особенностей развития процессов ползучести и разрушения.

При повышенных температурах (Т> 0,57^) и низких напряжениях (G/E < 1(Г4) начинает проявляться такой вид деформации как зернограничное проскальзывание (ЗГП), который вносит существенный вклад как в зарождение, так и рост микротрещин (Н. Грант).

Максимальная величина ЗГП наблюдается на поверхности образца. С уменьшением диаметра рабочей части образца величина зернограничного проскальзывания уменьшается. Формирование меж- кристаллитных трещин начинается с поверхности материала в тех местах, где ЗГП достигает некоторой критической величины. Следует ожидать, что наибольший эффект в этих условиях эксплуатации (повышенные температуры и низкие напряжения) будут давать методы поверхностного упрочнения. Для этих условий эксплуатации следует выделить обработку поверхности лазерными лучами и металлоорганическими соединениями хрома (МОС).

Ниже приведены результаты исследования влияния режимов хромового покрытия из МОС с лазерной обработкой на прочность и деформацию сталей. Интервал исследуемых температур и напряжений составлял: Т = 700—900 °С, G/E < 10-4. Испытания проводились в вакууме при давлении не ниже 10 Па. Для изучения кинетики структурных изменений были использованы методы оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктурный анализ.

Количественный анализ ЗГП осуществлялся по методу Мак-Лина, согласно которому деформация ЗГП определялась из выражения:

где «jp — число границ зерен на единицу длины образца;

рф — средняя величина смещения по границам зерен на поверхности образца.

В качестве материала исследования были выбраны стали аустенитного класса: Х17Н2, Х18Н9Т, 12Х18Н10. Нанесение хромового покрытия из МОС осуществляли по трем режимам:

I — Тос - 450 °С, Voc = 0,003 г/мин, /ос = 1 ч 15 мин;

II — Тос = 450—495 °С, Рреакт = мм рт. ст., Voc = 0,002 г/мин при одновременной подаче катализатора (йода) и ингибитора (N0);

III — Тос = 450—495 °С, Рос = 0,3 мм рт. ст., Voc = 0,002 г/мин, /ос = 2 ч 50 мин, е = 1500 в/см при подаче потенциала и катализатора — йода (Гос — температура осаждения; Voc — скорость осаждения, /0с время осаждения, Р — давление).

В зависимости от режима нанесения покрытия формировалась структура с конкретными морфологическими особенностями: при первом режиме наблюдалась полосчатая структура, при втором — столбчатая, при третьем — слоисто-столбчатая с ярко выраженной слоистостью. Различались и свойства покрытий, в частности, микротвердость (табл. 4.4). Из приведенных данных видно, что наибольшее значение микротвердости получилось при первом режиме нанесения покрытия: / = 400—450 °С, Voc = 0,003 г/мин, Рреак = 0,3 мм рт. ст. При этом режиме формируется довольно распространенная полосчатая структура покрытия. К тому же этот способ наименее трудоемок, не требует введения катализатора, ингибитора и приложения потенциа-

Таблица 4.4. Изменение микротвердости стали 12Х18Н10Т в зависимости от режима нанесения покрытия

№ партии

Величина микротвердости, кгс/мм2

до высокотемпературного нагрева

после высокотемпературного нагрева

I

1500

1000

II

760

580

III

1300

800

Кривые ползучести образцов из стали 12Х18Н10Т с различной толщиной

Рис. 4.1. Кривые ползучести образцов из стали 12Х18Н10Т с различной толщиной

покрытия

ла. В силу перечисленных свойств первый режим нанесения хромового покрытия был выбран в качестве рабочего.

Толщина покрытия варьировалась в интервале 10—40 мкм. На рис. 4.1 приведены кривые ползучести образцов из стали 12Х18Н10Т с минимальной и максимальной толщиной покрытия.

На рис. 4.2 в качестве примера приведены кривые ползучести образцов из стали 12Х18Н10Т без покрытия и с покрытием.

В упрочненных образцах общая деформация имеет величину 10—13 %, в образцах без покрытия — 20 % (рис. 4.2). Время до разрушения у упрочненных МОС хрома образцов увеличилось более чем в 5 раз. В табл. 4.5 приведены результаты изменения прочности и пластичности стали в зависимости от метода поверхностного упрочнения.

Таблица 4.5. Изменение прочности и пластичности стали

№ партии

Состояние

поверхности

еобш (). %

егр,%

х(время) до разрушения

I

Не обработано

36

2,5

2

II

Лазерная обработка

20

1,4

4

III

Хромовое покрытие из МОС

13

0,8

11

Кривые ползучести стали 12X18Н ЮТ без покрытия (/), с покрытием из МОС хрома (2) и с последующей обработкой лазером (3)

Рис. 4.2. Кривые ползучести стали 12X18Н ЮТ без покрытия (/), с покрытием из МОС хрома (2) и с последующей обработкой лазером (3)

При размерах толщин покрытия 10—15 мкм оно деформируется вместе с подложкой. Увеличение толщины покрытия до 30—40 мкм ведет к значительному охрупчиванию материала и, как следствие, к уменьшению эффекта повышения жаропрочности: если при толщине покрытия 10—15 мкм долговечность стали составляла порядка 11 ч, то при увеличении толщины покрытия до 30—40 мкм долговечность снижалась до 4 ч; долговечность образцов без покрытия — 1 ч. Наиболее оптимальной толщиной покрытия, как следует из полученных результатов, является толщина 10—15 мкм (см. рис. 4.1).

Повышение стойкости сталей при высокотемпературной ползучести можно объяснить следующим образом. Поверхностное покрытие из МОС хрома при дальнейшем нагреве упрочняет поверхностный слой металла за счет диффузии хрома в основной материал. Упрочнение поверхностного слоя ведет к уменьшению деформации как за счет скольжения, так и за счет ЗГП. Снижение скорости ЗГП приводит к замедлению процесса образования и роста трещин и, как следствие, к увеличению долговечности. Этот способ упрочнения дает максимальный эффект. При этом при нагреве до температуры 950 °С отсутствуют рекристаллизационные процессы.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет заменить дорогостоящие жаропрочные стали аустенитными сталями, упрочненными нанесением тонкого поверхностного покрытия из хромового метал- лоорганического соединения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >