2_Stechishin.doc Зносостійкість зміцнених поверхонь конструкційних сталей в корозійно-активних середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 12 Стечишин М.С., Форкун В.В., Береговий А.І., Білик Ю.М. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ЗМІЦНЕНИХ ПОВЕРХОНЬ КОНСТРУКЦІЙНИХ СТАЛЕЙ В КОРОЗІЙНО-АКТИВНИХ СЕРЕДОВИЩАХ Постановка проблеми Одним із перших і найважливіших методів підвищення кавітаційно-ерозійної стійкості деталей є раціональний вибір матеріалів та їх термообробка. Проведені дослідження показали [1, 2], що такий під- хід забезпечує суттєве підвищення кавітаційної зносостійкості, особливо при врахуванні корозійної стій- кості металу в заданому середовищі. Так, використання високолегованих нержавіючих сталей, титану та його сплавів дозволяє більше аніж в 3 рази підвищити кавітаційну зносостійкість деталей обладнання в нейтральних, кислих і лужних середовищах харчових виробництв [1, 3]. Внаслідок того, що процеси руйнування при кавітаційному зношуванні розвиваються в тонких поверхневих шарах, доцільно забезпечити високу корозійну і кавітаційну зносостійкість саме цих шарів. Проведені дослідження показали [4], що кращими захисними властивостями в умовах кавітаційного руй- нування поверхонь мають карбідні покриття. Доцільним також є застосування іонного азотування конс- трукційних сталей і чавунів, зокрема для підвищення кавітаційної зносостійкості в середовищах хлориду натрію [5]. Проведені дослідження [6] також вказують на перспективність застосування термоциклічної обробки (ТЦО) вуглецевих сталей з погляду підвищення їх корозійної стійкості, кавітаційної зносостійкості з переважним впливом корозійного фактора руйнування і, частково, при багато цикловому поверхневому корозійно-втомному руйнуванню при суттєвому впливу корозії на сумарний механо-хімічний знос. З іншого боку корозійна стійкість, а в багатьох випадках і повна хімічна інертність по відношен- ню до агресивних середовищ, зумовила інтерес дослідників і практиків до застосування полімерів для виготовлення деталей, що працюють в умовах тертя та кавітації. Попри ряд суттєвих переваг полімерів, їх застосування обмежується нижчими, порівняно з металами, фізико-механічними характеристиками та їх низькою температурною стійкістю. Поєднання переваг металевих сплавів і полімерів можна досягти шляхом нанесення на металеві поверхні полімерних покриттів [7]. Таким чином, в даній роботі розглядається питання впливу ТЦО, іонного азотування і полімер- них покриттів на кавітаційно-ерозійну зносостійкість поверхонь конструкційних сталей. Методика проведення досліджень Для проведення кавітаціно-ерозійних випробувань використана установка з магнітострикційним вібратором (МСВ), у якій в ємності для робочих середовищ змонтовано два охолоджувальних контури з рівнонаправленими витками спіралей [8]. При цьому, температура поверхні зразків залишається постій- ною на протязі всього часу проведення випробувань, а її відхилення знаходиться в межах ± 2 °С. Термоциклічну обробку сталей 45, 15Х і 40Х проводили «маятниковим» і середньо температур- ними способами. При «маятниковій» ТЦО зразки із сталі 45 нагрівали до температури на 30 … 50 °С, а для сталей 15Х і 40Х на 50 … 70 °С вище точки Ас1 і охолоджували на повітрі на 50 … 70 °С нижче точ- ки Аr1. Швидкість нагрівання становила 5,8 … 6,7 °К/с, а охолодження – 2 … 6 °К/с. Кількість циклів термообробки для сталі 45 становила 4 … 6, а для сталей, легованих хромом – 7 … 9 циклів. Зразки із сталей 15Х і 40Х при «маятниковій» і середньо температурній ТЦО нагрівали до тем- ператур на 50 … 70 °С вище точки Ас1 і охолоджували до температур на 30 … 50 °С нижче точки Аr1 на повітрі, а при середньо температурній ТЦО остаточне охолодження проводили у воді. Іонне азотування нормалізованих і термоцикльованих зразків сталей 45 і 40Х проводили на уста- новці безводневого азотування в азото-аргонному середовищі (75 % N2 і 25 % Ar) за режимами І і ІІ. Для режиму І: температура t = 500 °C, робочий тиск в камері Р = 200 Па і для режиу ІІ: t = 560 °C, P = 90 Па. Час іонного азотування в обох випадках 6 год. Полімерні покриття наносили на зразки зі сталі 45 нормалізованої. На шліфовану і обезжирену поверхню електростатичним методом наносили шар полімеру при Е = 1,0 кВ/см для поліпропілену і при Е = 2,0 кВ/см для фторопласту Ф4 (тефлон). Час нанесення покриття становив τ = 5 ... 10 хв. В роботі [5] встановлено, що оптимальна товщина покриття на металлах з точки зору антикорозійних властивостей складає 200 … 250 мкм. Тому товщина досліджуваних покриттів становила: для поліпропілену біля 200мкм, а для фторопласту – 250 мкм [5]. Вибір покриттів з поліпропілену ПП2 та фторопласту Ф4 ґру- нтувався на результатах раніше проведених досліджень [6]. Електростатичний метод нанесення полімерних покриттів є найбільш поширений внаслідок мо- жливості формування рівномірного покриття, товщину якого можна регулювати в широких межах. У PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість зміцнених поверхонь конструкційних сталей в корозійно-активних середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 13 ванні (робочій камері) вібровихровим методом створюється кип’ячий шар, який знаходиться під дією коронного розряду електричного поля високої напруги. В зоні корони проходить іонізація повітря з пе- редачею електричного заряду аерозольним частинкам. При розміщенні в кип’ячому шарі заземленого холодного зразка на його поверхні під дією електричних сил осідають негативно заряджені частинки по- лімеру. Після чого покриття обплавлюється в муфельній печі при температурі t = 200 … 210 °С для полі- пропілену ПП2, та t = 250 … 280 °С для фторопласту Ф4 [5]. Дослідження кавітаційно-ерозійної зносостійкості проводили на установці з магнітострикційним вібратором (МСВ), яка комплектується ультразвуковим генератором УЗДН-А [6]. Температура робочого середовища підтримувалася в межах 20 ± 2 °С, амплітуда коливань вібратора а = 53мкм, частота f = 22 кГц при потужності ультразвукового випромінювання генератора Р = 150 Вт. Випробування проводи- ли в нейтральному середовищі (3 %-розчин NaCl в дистильованій воді), кислому (Na2HPO4 – 10 г/л + + C6H8O7 – 5г/л) та лужному (CaO – 250 г/л + 15 % цукрози від маси CaO) середовищах. Результати досліджень та їх обґрунтування Твердість сталей після маятникової ТЦО залишається практично незмінною порівняно з їх твер- дістю після нормалізації. Після середньотемпературної ТЦО твердість сталі 45 дещо збільшується. Так, твердість за Брінелем (НВ) зростає з 175 до 188 одиниць після середньотемпературної ТЦО, тобто при- близно на 7 %. Аналогічне, незначне підвищення твердості у випадку середньотемпературної ТЦО діста- ли і для сталі 40Х, яка становила біля 230 НВ після ТЦО і 215 НВ після нормалізації. Аналіз механічних характеристик конструкційних сталей після ТЦО свідчить, що для сталей 45 і 40Х границя міцності на розрив зменшується, але одночасно підвищуються характеристики пластичнос- ті: границя текучості σт, відносне видовження δ і відносне звуження перерізу ψ. Відбувається також зближення характеристик міцності σв і σт, що є позитивним чинником з точки зору міцності металів. Найбільш структурно чутливою характеристикою виявилася ударна в’язкість руйнування аН, яка суттєво підвищується в результаті маятникової (від 1,9 до 3,14) і середньотемпературної (від 2,4 до 3,87 разів) ТЦО. Аналіз отриманих даних вказує на те, що оптимальне число циклів для маятникової обробки сталі 45 nопт = 5 … 6 і nопт = 7 … 9 для сталей 15Х і 40Х при маятниковій і середньотемпературній ТЦО. Саме за стабілізованим значенням ударної в’язкості знаходили для кожної сталі nопт, а далі інші механічні ха- рактеристики, що наведені в табл. 1. Власне аналогічний підхід рекомендовано в роботах [1, 2]. Дослідженнях малоциклової втоми показало (рис. 1), що найбільше значення границі витрива- лості маємо в лужному середовищі як для нормалізованих так і для термоцикльованих зразків, а найниж- че значення в кислому середовищі (яблучний сік). При цьому значення витривалості в лужному середо- вищі перевищують значення показників витривалості на повітрі. Підвищення малоциклової довговічнос- ті в лужному середовищі порівняно з довговічністю в нейтральному, кислому середовищах та на повітрі пояснюється утворенням гідрооксидного шару на поверхні, який перешкоджає доступу кисню в зону де- формації і нівелює розклинюючу дію оксидів. Таблиця 1 Механічні характеристики сталей після ТЦО Маятникова ТЦО Середньотемпературна ТЦО σв σт δ ψ аН × 104 σв σт δ ψ аН × 104 Сталь МПа % Дж/м2 МПа % Дж/м2 45 58 592 364 357 6,25 4,20 58 6,45 132 68 377 537 377 537 0,24 4,20 8,57 6,45 163 68 15Х 573 550 402 375 31 27 62 57 147 73 580 550 408 375 34 27 64 57 212 73 40Х 802 865 520 515 7,13 6,10 69 44 254 81 816 865 529 515 5,12 6,10 78 44 314 81 Чисельник – нормалізація; знаменник – термоциклічна обробка. Електрохімічні дослідження, зокрема аналіз поляризаційних кривих показав, що поряд із зміц- ненням встановленого потенціалу в позитивну область для зразків після ТЦО, порівняно з нормалізова- ними, відбувається розширення пасивної зони. Так, пасивна зона для термоцикльованих зразків сталі 45 становить від 1,0 до 0,2 В у розчині хлориду натрію, не поступаючись корозійній стійкості нормалізова- ної сталі 45 в жорсткій воді. Крім того, в анодній і катодній областях поляризаційних кривих кут їх нахи- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість зміцнених поверхонь конструкційних сталей в корозійно-активних середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 14 лу до осі абсцис для зразків після ТЦО менший ніж для нормалізованих. Останнє свідчить про зменшен- ня швидкості протікання корозійних процесів. Крім того, струми корозії для зразків сталі 45 після ТЦО порівняно з нормалізованими в 1,23 та 1,52 менші при випробуваннях в жорсткій воді і розчинах хлориду натрію [2]. Інтенсивні електрохімічні процеси розчинення сталей в кислому середовищі приводять до утво- рення великої кількості концентраторів напружень, які знижують втомну міцність як нормалізованих так і термоцикльованих зразків (прямі 4 і 8 на рис. 1). В розчинах хлориду натрію з меншою, порівняно з ки- слим середовищем, корозійною активністю малоциклова довговічність сталі підвищується. Однак, зі збі- льшенням амплітуди циклічної деформації вплив агресивності середовища на довговічність послаблю- ється і при ε ≥ 3,5 % для термоцикльованих і ε ≥ 3,0 % для нормалізованих зразків проходить зрівню- вання їх довговічності на повітрі і в корозійному середовищі (рис. 1) [4, 7, 8]. Враховуючи втомну природу зношування досліджували багатоциклову втомну довговічність термоцикльованих зразків в корозійно – активних середовищах. Як показали проведені дослідження (рис. 2) багатоциклова втомна витривалість сталі 40Х після середньотемпературної ТЦО порівняно з но- рмалізацією зросла на повітрі з σ -1 = 160МПа до σ -1 = 187МПа, тобто на 17 %, а в розчинах хлориду на- трію з σ -1 = 124 МПА до σ -1 = 156 МПа, або на 26 %.Отримані результати можна пояснити тим, що при ТЦО зростає корозійна стійкість і це зростання тим вище чим вища корозійна активність середовища. В результаті зменшується кількість “корозійних” центрів концентраторів напружень. Великий вплив на втомну витривалість, можливо основний, має підвищення характеристик пластичності сталей після ТЦО, а особливо ударної в’язкості. (табл. 1). При циклічному навантаженні зразків в рідкому середовищі відповідно з гідродинамічною теорі- єю поширення ударних хвиль, ударно – хвильові явища в значній мірі визначають інтенсивність і спів- відношення пружної і пластичної деформації поверхневих шарів металів. Вплив середовища при цьому проявляється в зміні поверхневої енергії металу, що утруднює або полегшує розрядку дислокацій в по- верхневому шарі. Рис. 1 – Малоциклова довговічність сталі 40Х після маятникової ТЦО (1 … 4) і після нормалізації (5 … 8) в середовищах: 1, 5 – лужне з РН = 12; 2, 6 – на повітрі; 3, 7 – нейтральне (3 % - ний розчин NaCl з PH7); 4, 8 – кисле (яблучний сік з РН 6,5) Рис. 2 – Багатоциклова витривалість сталі 40Х на повітрі: після середньотемпературної ТЦО – 1, після нормалізації – 2 і в 3 % - ному розчині NaCl: 3 – після нормалізації, 4 – після середньо-температурної ТЦО При тривалому навантаженні (багатоциклова витривалість аσ << тσ ) і при малоцикловій ви- тривалості, особливо при аσ > тσ , вже з перших циклів навантаження дислокації утворюють скупчен- ня. При дії зовнішнього напруження σа і сил взаємодії з іншими дислокаціями, в головці скупчення вини- кають напруження, що перевищують міцність на зсув – проходить порушення суцільності, виникнення мікротріщин. Мікротріщини утворюються в об’ємах металу, де густина дислокацій досягає критичного значення [5]. Утворення мікротріщин сприяє стоку до них дислокацій, викликаючи розміцнення шару. Кількість мікротріщин з часом зростає, що приводить до більш інтенсивного розміцнення внаслідок зме- ншення довжини пробігу дислокацій. При цьому переміщення скупчень дислокацій до мікротріщин мо- же відновити діяльність раніше не працюючих джерел дислокацій, що викликає зростання густини ліній- них дефектів і зменшення швидкості розміцнення [5]. σ-1, МПа PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість зміцнених поверхонь конструкційних сталей в корозійно-активних середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 15 Таким чином, циклічна міцність металів пропорційна енергоємності їх поверхневих шарів, яка визначається енергією, що витрачається на деформацію і тріщиноутворення металу до моменту утворен- ня магістральних тріщин руйнування. Для сталей після ТЦО енергія ударної в’язкості аН значно більша (табл. 1) і відповідно тривалість циклу зміцнення поверхневих шарів значно довша, а сам цикл зміцнення – розміцнення також триваліший у часі. Саме тому маємо вищі характеристики витривалості зразків піс- ля ТЦО при їх випробуваннях на повітрі і в середовищі хлориду натрію. При цьому багатоциклова ви- тривалість зразків на повітрі перевищує її значення в корозійно – активному середовищі як при нормалі- зації так і при їх ТЦО. Відомо, що деформування і руйнування матеріалів при одночасній дії середови- ща, особливо корозійно – активного середовища, проходить при значно менших механічних напружен- нях [6, 7]. Дослідження проведені методом ФМР показали [8], що при випробуваннях в розчинах хлориду натрію різної концентрації спостерігається зменшення, порівняно з випробуванням у воді, максимуму розширення лінії ФМР, а також зміна кінетики зміцнення і розміцнення. Значне зменшення максимальної густини дислокацій в розчинах хлориду натрію пов’язане, оче- видною, з пониженням енергії поверхневого бар’єру при адсорбції на поверхні металів хлор – іонів і по- легшенням виходу дислокацій на поверхню. Тому і знижуються характеристики довговічності сталей при малоцикловому і багатоцикловому навантаженні не лише в розчинах хлориду натрію, але і в кисло- му середовищі. Кавітаційно-ерозійна стійкість визначалася за втратами маси зразків шляхом зважування на ана- літичних вагах. Результати досліджень усереднювались за значеннями 3 ... 5 дослідів. Коефіцієнт варіації відхилення даних – 12 %. Аналіз отриманих даних (табл. 2) показує, що термоцикльовані зразки мають вищу корозійну стійкість в статичних умовах (без кавітації) порівняно з нормалізованими в жорсткій воді і в 3 % - му ро- зчині хлориду натрію. Струм корозії після ТЦО в жорсткій воді в 1,23, а в розчині хлориду натрію в 1,52 рази менший порівняно з нормалізованими зразками. Отже, ТЦО може бути ефективним методом для пі- двищення корозійної стійкості вуглецевих конструкційних сталей. Таблиця 2 Вплив маятникової ТЦО на кавітаціоно-ерозійну і корозійну стійкість сталі 45 Середовище Амплітуда, мкм Кількість термоциклів Струм корозії, мА/см2 Витрати маси, мг/см2 3% NaCl 0* нормалізація 0,0079 - -”- 0* 5 0,0052 - жорстка вода 0* нормалізація 0,0037 - -”- 0* 5 0,0030 - 3% NaCl 40 нормалізація - 12,0 -”- 40 5 - 11,8 -”- 28 нормалізація - 4,2 -”- 28 6 - 3,2 жорстка вода 40 нормалізація - 4,8 -”- 40 6 - 4,8 -”- 40 6 - 4,7 -”- 28 8 - 2,4 -”- 28 нормалізація - 2,6 -”- 28 6 - 2,5 0* – без накладання ультразвукових коливань (статика) Також отримані дані вказують на те, що при амплітуді коливань вібратора 40 мкм термоцикльо- вані і нормалізовані зразки в 3 % - му розчині NaCl показали практично однакову стійкість. При змен- шенні амплітуди коливань (зменшення жорсткості мікроудароного навантаження) з 40 до 28 мкм стій- кість термоцикльованих зразків збільшилась в 1,35 рази порівняно з нормалізованими (3 % NaCl). При дослідженнях в жорсткій воді, термоцикльовані і нормалізовані зразки при амплітудах коливань вібрато- ра 40 і 28 мкм показали практично однакову стійкість (табл. 2). Дослідженнями встановлено, що незалежно від складу газової атмосфери в поверхневих шарах сталі 40Х утворюються ε (Fl2-3N), γ′(Fl4N) і α-фази (Fl6N2). При цьому фазовий склад і співвідношення між фазовими структурами можна регулювати шляхом зміни параметрів азотування: температури азоту- вання Т, К; тиску газової суміші р, Па; вмісту азоту в азото-аргонній суміші. Аналіз отриманих даних по- казує, що найбільш суттєво впливає на кількість утворення тієї чи іншої фази температура іонного азоту- вання. Так, з її зменшенням підвищується кількість ε-фази і одночасно зменшується кількість γ′ та α-фаз. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість зміцнених поверхонь конструкційних сталей в корозійно-активних середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 16 Товщина нітридної зони по мірі збільшення температури обробки, збільшення вмісту азоту в га- зовій суміші, а також з підвищенням вмісту вуглецю зростає. Так, при іонному азотуванні за режимом І товщина нітридної зони на сталі 20 складає біля 7 мкм, а на сталі 45 – 12 мкм. У той же час зі збільшен- ням вмісту вуглецю основи, зменшується глибину дифузійного шару, відповідно, з 0,7 до 0,6 мкм. Зі збільшенням температури і часу азотування зростає глибина карбонітридної зони і загальна товщина дифузійної зони. Карбонітридна зона при збільшенні температури азотування на 30 К протягом 4 год збільшилася з 18 мкм до 21 мкм. При азотуванні протягом 4 год глибина дифузійної зони становила 0,21 мм, а протягом 6 год – 0,26мм. Аналіз поляризаційних кривих показує значне сповільнення корозійних процесів азотованих зра- зків, порівняно з нормалізованими. На кривих знятих в статиці і при кавітації є ділянки пасивного стану (рис. 3), а поляризаційні криві неазотованих зразків мають більші кути нахилу до осі потенціалів, що є свідченням більш високих швидкостей протікання анодних і катодних реакцій. Крім того, і в статиці, і в динаміці (кавітації) проходить зміщення рівноважного потенціалу в область більш додатніх значень: від – 570 мВ для сталі 45 в статиці до – 390 мВ для цієї ж сталі після іонного азотування в 3 %-му розчині хлориду натрію. Останнє пояснюється утворенням на поверхні високоазотистої ε - фази, яка має високу корозійну стійкість. а б Рис. 3 – Поляризаційні криві сталі 45 в статиці (а) і при кавітації (б) в 3%-му розчині хлориду натрію: 1 – зразок нормалізований; 2 – зразок азотований З іншої сторони, ε - фаза внаслідок високих внутрішніх напружень при її формуванні, характери- зується великою кількістю мікротріщин, мікропор та густиною дислокацій, що є центрами зародження втомних тріщин при циклічному кавітаційному мікроударному навантаженні в корозійно-активному се- редовищі. При зниженні температури азотування формування ε-фази йде з меншою швидкістю, що веде до зменшення кількості мікропор і мікротріщин. Тому низькотемпературне азотування зразків після по- передньої термічної обробки проводили при температурах 500 ºС і 560 ºС (нижче точки Аr1). Мікротвер- дість нітридної зони азотованих зразків сталі 40Х за режимом І зросла з 210 до 234 НV, а за за режимом ІІ з 210 до 440 НV. Рис. 4 – Втрати маси сталей 20 (1) і 45 (2) після нормалізації і (3, 4) після іонного азотування (3 % - вий розчин хлориду натрію) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість зміцнених поверхонь конструкційних сталей в корозійно-активних середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 17 Величина встановлених потенціалів азотованих зразків також зміщуються в сторону більш дода- тніх значень, що є ознакою підвищення корозійної стійкості. Для азотованих поверхонь сталі 45 величи- на встановленого потенціалу φвст в 3 % - му розчині хлориду натрію знаходиться за рівнянням: φвст= – 182,4 – 0,9t + 0,2СN2 + 0,04p, (1) де t, СN2 р – температура, вміст азоту в газовій суміші і її тиск відповідно. Аналіз кривих кавітаційного зношування (рис. 4) азотованих зразків порівняно з нормалізовани- ми, показав значне підвищення (для сталі 20 в 4,7; сталі 45 в 5,3 рази) зносостійкості в 3 %-му розчині хлориду натрію за 3 год. випробовувань на МСВ, що пояснюється підвищенням корозійної стійкості і пі- двищенням характеристик міцності поверхневих шарів. Застосування розробленого методу низькотемпературного іонного азотування сталі 40Х (рис. 5) дозволило підвищити кавітаційно-ерозійну зносостійкість порівняно з традиційним азотуванням в 1,15; 1,53; 1,65 і 1,84 рази в 3%-му розчині хлориду натрію, сироватці, молоці і молочній кислоті відповідно. Застосування розробленого способу низькотемпературного іонно-плазмового азотування дозволяє, зале- жно від режиму азотування і виду середовища, підвищити кавітаційну стійкість від 10 до 32 % у порів- нянні з відомими режимами азотування. а б Рис. 5 – Втрати маси сталі 40Х при кавітації: а – сироватка; б – молоко: 1 – нормалізація; 2 – азотування; 3 – низькотемпературне азотування Дослідження на кавітаційно-ерозійну зносостійкість поліпропілену та покриття на його основі показали (рис. 6, а), що покриття на основі полімеру ПП2 мають дещо нижчу зносостійкість порівняно з поліпропіленом в усіх досліджених середовищах. Так, за 2год випробувань різниця зносостійкості стано- вила 1,35; 1,38 та 1,45 разів, відповідно, у нейтральному, кислому та лужному середовищах. З продов- женням часу кавітаційних випробувань різниця в зносостійкості збільшується і за 3год мікроударного навантаження становить 1,7; 1,68 та 1,51 разів. а б Рис. 6 – Кавітаційно-ерозійна стійкість: а – поліпропілену ПП2 1, 2, 3 та покриття на основі поліпропілену ПП2 на сталі 45 1|, 2|, 3|; б – фторопласту Ф4 1, 2, 3 та покриття на його основі 1|, 2|, 3|, відповідно, в нейтральному (1, 1|), кислому (2, 2|) та лужному середовищах (3, 3|) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість зміцнених поверхонь конструкційних сталей в корозійно-активних середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 18 Очевидно, що причиною цього є різниця швидкостей проходження звукових хвиль в поліпропі- лені і в стальній матриці, що викликає появу відбивних хвиль, які інтенсифікують процес руйнування покриття. Крім того, швидкість руйнування поліпропілену зменшується, а покриття на його основі, на- впаки, збільшується при продовженні часу мікроударного навантаження. Останнє пояснюється, як змен- шенням товщини покриття так і структурними його змінами, що обумовлюють зменшення його пружних властивостей, а відтак приводять до збільшення енергії відбивних звукових хвиль (рис. 6, а; криві 1|, 2|, 3|). Для покриттів на основі фторопласту різниця в зносостійкості незначна, порівняно зі зразками чистого фторопласту (рис. 6, б) і становить за 3год кавітації від 6 до 11 % в усіх досліджених середови- щах. Фторопласт є абсолютно нейтральним по відношенню до досліджених середовищ і різниця в зносо- стійкості пояснюється лише фізичними параметрами середовищ, які обумовлюють енергетичні парамет- ри ударних і відбивних хвиль при ультразвуковій кавітації і, отже, інтенсивність руйнування поверхонь. Залежно від виду середовища дослідженні покриття на сталі 45 нормалізованій по кавітаційно- ерозійній стійкості (за зростанням втрат маси) розміщуються в ряд: кисле, нейтральне і лужне середовище. Аналіз даних (табл. 3) показує, що застосування полімерних покриттів для підвищення кавіта- ційно-ерозійної стійкості металевих сплавів є досить ефективним способом. Так, в нейтральному середо- вищі покриття на основі поліпропілену ПП2 та фторопласту Ф4 дозволяють приблизно в 2 рази збільши- ти кавітаційну зносостійкість сталі 45 нормалізованої. Таблиця 3 Втрати маси (мг/см2) при кавітаційно-ерозійному зношувані за 3год кавітації Матеріал Вид середовища Сталь 45 нормалізована Сталь 45 + ПП2 Поліпропілен ПП2 Сталь 45 + Ф4 Фторопласт Ф4 Нейтральне 3,62 1,89 1,11 1,82 1,72 Кисле 59,25* 1,78/1,23* 1,06/0,89* 1,67/1,34* 1,57/1,1* Лужне 1,71 2,08 1,38 1,98 1,78 *- втрати маси за 2год кавітації. Особливо ефективним є застосування полімерних покриттів в кислому середовищі, де збільшення кавітаційної стійкості становить більше аніж 40 разів. При цьому застосування фторопласту для виготов- лення кавітаційностійких деталей збільшує їх зносостійкість більш як у 50, а з поліпропілену у 60 разів. Для оцінки довговічності деталей важливе значення має кінетика зношування робочих повер- хонь деталей. Аналіз кривих втрат маси в кислому середовищі (рис. 7, а) показує катастрофічне руйну- вання сталі 45 в кислому середовищі (крива 1 на рис. 2, а) і значне збільшення стійкості при застосуванні полімерних покриттів на основі поліпропілену і фторопласту (криві 2 і 3 на рис. 7, а). Покриття з полі- пропілену і фторопласту показують практично однакову зносостійкість в кислому середовищі, а най- більш зносостійкими є деталі з поліпропілену (крива 4 на рис. 7, а). Важливим є також те, що крива кіне- тики зношування поліпропілену має затухаючий характер, що вказує на зменшення інтенсивності руйну- вання зі збільшенням часу мікроударного навантаження. а б Рис. 7 – Кавітаційно-ерозійна стійкість: а) 1 – сталь45 нормалізована; 2 – сталь 45 норм. + покриття з поліпропілену; 3 – сталь 45 + покриття з фторопласту Ф4; 4 – -поліпропілен в кислому середовищі; б) 1 – сталь 45 нормалізована; 2 – сталь 45 норм. + покриття із фторопласту Ф4; 3 – фторопласт Ф4; 4 – поліпропілен ПП2 в лужному середовищі PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Зносостійкість зміцнених поверхонь конструкційних сталей в корозійно-активних середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 4 19 Більш складний і суперечливий характер мають криві кінетики втрат маси сталі 45 нормалізова- ної, полімерних покриттів на сталі та самих полімерів при їх кавітаційному руйнуванні в лужному сере- довищі (рис. 7, б). На початку випробувань сталь 45 нормалізована має значно менші втрати маси аніж полімерні покриття, а після 2 год кавітації процес зношування різко прискорюється і набуває катастрофі- чного характеру (крива 1 на рис. 7, б). В той же час, швидкості руйнування покриття на основі фторопла- сту (крива 2 на рис. 7, б) та фторопласту (крива 3 на рис. 7, б) зменшується зі збільшенням часу мікро- ударного навантаження. Найбільш ефективним кавітаційностійким матеріалом (крива 4 на рис. 7, б) є поліпропілен ПП2, який дозволяє на 26 % збільшити стійкість деталей в лужному середовищі, порівняно з деталями з фторопласту Ф4. Висновки 1. Підвищення кавітаційно-ерозійної зносостійкості розробленим способом низькотемпературно- го іонно-плазмового азотування сталей 45 і 40Х досягається внаслідок підвищення корозійної стійкості, зменшення пористості ε - фази та внутрішніх напружень нітридної зони покриття. 2. Виявлені закономірності формування фазового складу покриття, співвідношення між ними за- лежно від режимів азотування дозволяють не лише прогнозувати кавітаційну стійкість зміцнених конс- трукційних сталей, але і закладати довговічність роботи деталей на стадії їх проектування. 3. Покриття на основі поліпропілену та фторопласту дещо поступаються по кавітаційно- ерозійній стійкості поліпропілену та фторопласту, але є ефективним захистом металевих поверхонь від руйнування в нейтральних, кислих та лужних середовищах. 4.Досліджені покриття в 2 рази збільшують кавітаційно-ерозійну стійкість металевих поверхонь в нейтральних і більш як в 40 разів в кислих середовищах. 3.Найбільш ефективним для експлуатації в лужних середовищах є кавітаційностійкі деталі із поліпропілену, а при великих механічних навантажен- нях із фторопласту. Література 1. Прейс Г.А. Повышение износостойкости оборудования пищевой промышлености / Г.А. Прейс, Н.А. Сологуб, А.И. Некоз. – М.: Машиностроение, 1979. – 208 с. 2. Фомин В.В. Гидроэрозия металов. М.: Машиностроение, 1977. – 287 с. 3. Важенин С.Ф. Титан для оборудования пищевой промышленности / С.Ф. Важенин, В.Г. Крю- чек, В.М. Максименко. – К.: Техніка, 1973. – 232 с. 4. Куликовский Е.А. Повышение кавитационнй стойкости железо-углеродистых сплавов химико- термической обработкой: Автореф. дис. канд. тех. Наук. – Минск, 1975. – 21 с. 5. Стечишин М.С. Довговічність деталей обладнання харчової промисловості при корозійно- механічному зношуванні: Автореф. дис. докт. техн. наук. – Хмельницький, 1998. – 32 с. 6. Федюкин В.К. Термоцыклическая обработка сталей и чугунок. – Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1977. – 144 с. 7. Белый В.А. Полимерные покрытия / В.А. Белый, В.А. Довгяло, О.Р. Юркевич. – Минск: Наука и техника. – 1976. – 414 с. 8. Стечишин М.С. Зносостійкість полімерних матеріалів при їх мікроударному навантаженні / М.С. Стечишин, А.В. Мартинюк. – Проблеми тертя та зношування: Наук.-техн. зб. – К.: НАУ, 2008. – Вип.49. – С. 123-130. 9. Сухарев Э.А. Технология и свойства защитных покритий в машинах. – Ровно: УГУВХП. – 2004. – 182 с. 10. Стечишин М.С., Береговий А.І. Вплив термоциклічної обробки на структуру і фізико-хімічні властивості конструкційних сталей // Вісник ХНУ. Технічні науки: Хмельницький – 2007. – № 1. – С. 28-34. 11. Прокопенко А.В., Торгов В.Н. Методика испытаний компрессорних лопаток ГТД на уста- лость в коррозионной среде // Проблемы прочности. – 1980. – № 4 – С. 107-109. 12. Фридель Ж. Дислокации: Пер. с англ. – М.: Мир, 1965 – 664 с. 13. Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии. – М.: Металургия, 1981. – 270 с. 13. Карпенко Г.В. Влияние среды на прочность и долговечность металлов. – К.: Наукова думка, 1976. – 125 с. 14. Стечишин М.С., Некоз А.И., Погодаев А.И. Закономерности кавитационно-эрозионного из- нашивания металлов в коррозионних средах // Трение и износ. – 1990. – Т. 11, № 3. – С. 454-463. Надійшла 14.07.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com