Влияние сульфидирования и сульфоцианирования на усталостную прочность стали

АГРОИНЖЕНЕРИЯ

_______________________________________________________________________________

Размещено на http://www.allbest.ru/

_______________________________________________________________________________________

Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии.-2008.-№3.

40

Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова

ВЛИЯНИЕ СУЛЬФИДИРОВАНИЯ И СУЛЬФОЦИАНИРОВАНИЯ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ СТАЛИ

В.В. Серебровский, кандидат технических наук,

доцент кафедры электротехники и механизации животноводства

Ю.П. Гнездилова, инженер, Р.И. Сафронов, инженер

Насыщение поверхности стальных изделий серой (сульфидирование), серой азотом и углеродом (сульфоцианирование) применяется, главным образом, для улучшения прирабатываемости, предотвращения появления задиров и уменьшения износа. Влияние же этих процессов на усталостную прочность стали изучено недостаточно, хотя без этих сведений трудно судить об эффективности способов в целом. В связи с этим, исследовали влияние процессов сульфидирования и сульфоцианирования на усталостную прочность стали.

Испытания на выносливость проводили на машине МУИ-6000 на базе 5·10⁶ циклов. Образцы изготавливали из стали 45 (С = 0,47%, Si = 0,38, Мn = 0,88%, Р = 0,32%, S = 0,038%). Перед насыщением половина образцов нормализовалась, а остальные подвергались улучшению. Сульфоцианирование проводилось в твердой среде на основе серного колчедана, желтой крови соли и шамота.

Процесс протекал при температуре 550°С в течение 3 ч. Для получения сравнительных данных часть образцов сульфидировалась в смеси серного колчедана и шамота, часть цианировалась в смеси желтой кровяной соли и шамота и часть (контрольная) во избежание окисления помещалась в чугунную стружку. Режим термообработки был тот же, что при сульфоцианировании. Количество серного колчедана в составах для сульфидирования и сульфоцианирования и количество желтой кровяной соли в составах для цианирования и сульфоцианирования бралось одинаковым и равным 15 и 30% соответственно.

После сульфидирования и сульфоцианирования на поверхности образуется слой с повышенным содержанием серы глубиной 0,10…0,15 мм при максимальном содержании серы на поверхности 0,5%. После цианирования и сульфоцианирования зафиксировано повышенное содержание серы, азота и углерода на поверхности. Глубина слоя 0,25…0,30 мм, максимальное содержание азота 0,20 и 0,38%, а углерода 0,82 и 0,7% после цианирования и сульфоцианирования соответственно. Качественный рентгеноструктурный анализ позволил установить, что сера присутствует в поверхностном слое в виде сульфида FeS, азот в виде нитридов Fe₃N; Fe₄N.

Результаты испытаний приведены на рис. 1 а и б. После сульфоцианирования предел выносливости нормализованных образцов повысился на 44,5%, улучшенных образцов на 43,8%. После цианирования повышение составило 34,5 и 25% для нормализованных и улучшенных образцов соответственно. Сульфидирование привело к понижению предела выносливости нормализованных образцов на 3,3% и не вызвало изменения улучшенных. Для объяснения полученных

Рис. 1 Кривые усталости стали 45:а - исходное состояние - нормализация; б - исходное состояние - улучшение; 1 - сульфидирование; 2 - отпуск в чугунной стружке в течение 3 ч; 3 - цианирование; 4 - сульфоцианирование

результатов определялись величина, знак и характер распределения внутренних остаточных напряжений первого рода, возникающих в поверхностном слое после обработки в каждой из выбранных сред. Определение велось по методике профессора М.М. Саверина. Исходными данными для построения эпюр остаточных напряжений служили деформации образцов-пластин из нормализованной стали 45 размером 10Ч40Ч2,5 мм, прошедших соответствующую предварительную обработку, при стравливании их с одной стороны.

На поверхности сульфидированных образцов зафиксированы остаточные растягивающие напряжения. Максимум их располагается на поверхности, а зона их действия распространяется на глубину 0,8…0,10 мм.

В цианированном и сульфоцианированном слоях возникают напряжения сжатия. В распределении их по глубине и абсолютных значениях максимума сжимающих напряжений имеются существенные отличия. Они выражаются в том, что максимум сжимающих напряжений в цианированном слое находится на поверхности, а в сульфоцианированном слое сдвинут на 0,02…0,03 мм вглубь. сульфоцианирование сжатие стальной сера

Абсолютные значения максимума сжимающих напряжений после цианирования 240…270 МПа, а после сульфоцианирования 350…380 МПа. Сопоставление полученных данных с результатами послойного химического и рентгеноструктурного анализа убеждает в том, что изменение в характере распределения напряжений вызвано наличием сульфидов в сульфоцианированном слое. Выпадение сульфидов в поверхностном слое приводит к снижению сжимающих напряжений, к смещению максимума напряжений на глубину 0,02…0,03 мм от поверхности. Тот факт, что по абсолютной величине максимум сжимающих напряжений в сульфоцианированном слое все же больше максимума в цианированном слое, связан, по-видимому, со сложным взаимодействием между диффундирующими элементами. По результатам послойного химического анализа видно, что при прочих равных услвиях, присутствие серы в качестве диффундирующего элемента способствует более полному и глубокому насыщению поверхности азотом и некоторому уменьшению диффузии углерода, по сравнению с цианированием. Это и является причиной наблюдаемой разницы в абсолютных значениях максимумов сжимающих напряжений. Как известно, внутренние остаточные напряжения растяжения понижают предел выносливости стали, а сжатия способствуют его повышению. В полном соответствии с этим находятся результаты испытания на усталость: предел выносливости сульфидированных образцов ниже, а сульфоцианированных и цианированных выше предела выносливости контрольных образцов. Необходимо отметить, что с повышением прочности сердцевины влияние рассматриваемых слоев на усталостную прочность гладких образцов уменьшается.

Таким образом, при сравнительных исследованиях влияния трех процессов: сульфидирования, цианирования и сульфоцианирования на усталостную прочность стали 45 в идентичных условиях, установлено, что наличие сульфидов в поверхностном слое приводит к созданию остаточных растягивающих напряжений. При сульфидировании деталей машин необходимо учитывать возможность понижения предела выносливости стали. Кроме того, среднетемпературное сульфоцианирование может быть рекомендовано вместо цианирования, так как при прочих равных условиях оно в большей степени повышает предел выносливости стали, вследствие более полного и глубокого насыщения поверхности азотом при одновременной диффузии серы, азота и углерода.

Размещено на Allbest.ru