Поиск

Реклама


Влияние хромирования на механические свойства основного металла.

В зависимости от рода нагрузки, вызывающей разрушение металла, различают механические характеристики, определяемые при растяжении образца до его разрыва (пределы прочности и текучести, относительные удлинение и сужение поперечного сечения) и его выносливость (время до разрушения) при циклически меняющейся нагрузке (предел усталости). Возможны два вида нагрузок, от которых зависит время до разрушения: нагрузки, при которых циклические деформации металла не выходят за пределы упругой деформации, и нагрузки, при максимальных значениях которых возможна обычно небольшая пластическая деформация образца. В первом случае образец разрушается после воздействия миллионов циклов нагрузки (многоцикловая усталость), во втором случае разрушение происходит после нескольких тысяч циклов (малоцикловая усталость).

Особенно важными для надежности современных машин являются показатели прочности при циклически меняющейся нагрузке. Наиболее значительное влияние хромирование оказывает именно на эти показатели.

Хромирование может оказывать воздействие на механические свойства основного металла по следующим причинам:
хромовое покрытие отличается исключительно высокой прочностью сцепления с основным металлом, поэтому хромированную деталь необходимо рассматривать как систему, свойства поверхности которой определяются свойствами хромового покрытия;
в хромовых покрытиях имеются значительные напряжения растяжения, распространяющиеся по поверхности хромированной детали;
твердые хромовые покрытия не выдерживают пластической деформации основного металла, растрескиваются и эти трещины являются концентраторами напряжения для основного металла;
в процессе электроосаждения хрома выделяется относительно большое количество водорода, который, проникая в основной металл, вызывает его охрупчивание.

Прочность и пластичность хромированной стали. Предел прочности стали, определяемый при статическом растяжении, практически не изменяется после хромирования. Основное изменение претерпевают показатели пластичности; относительное удлинение и, особенно относительное сужение поперечного сечения. Так, например, хромирование стали 30ХГСН2А (45—49 HRC) блестящим хромом при iк = 50 А/дм2 и t = 50°С с толщиной слоя 0,1 мм дало следующие результаты: предел прочности без покрытия — 1836 МПа, хромированная — 1837 МПа; относительное удлинение без покрытия — 7,0 %, хромированная — 6,8%; относительное сужение без покрытия — 50,6 %, хромированная — 32.3%.

Усталостная многоцикловая прочность хромированной стали.
Хромирование снижает усталостную прочность различных марок сталей, но особенно значительно это снижение у конструкционных сталей повышенной прочности. В то время как у нехромированных сталей предел усталостной прочности примерно пропорционален пределу прочности стали, после хромирования эта зависимость исчезает и предел усталостной прочности хромированных ста­лей независимо от их прочности (в дачном случае выше 600 МПа) имеет примерно постоянное значение, составляющее 280—370 МПа.

При наличии на деталях каких-либо концентраторов напряжения снижение усталостной прочности после хромирования может быть еще большим.

Таблица. Влияние хромирования на усталостную прочность образцов из сталей разной прочности (хром нанесен при 50 А/дм2 слой 0,1 мм).
 

Марка стали

Предел прочности δ МПа

Предел усталостной прочности образцов δ -1, МПа

нехромированных

хромированных

20ХНЗА (50—57 HRC) 30ХГСН2А (45-49 HRC) 30ХГСН2А (34-38 HRC) ЗОХГСА (45—49 HRC)

65Г (41-43 HRC) 40ХМНА (34 — 35 HRC)

2000—2050 1600—1800 1100 — 1300 1100—1300 1400—1460 1050—1100

870 780 640 560 630 540

320 360 320 350 340 280


Влияние толщины хромового покрытия на. снижение предела усталостной прочности недостаточно определенно. Имеются сведения, что с увеличением толщины хрома снижается усталостная прочность и в то же время по другим данным ее влияние незначительно.
Повышение температуры электролита способствует уменьшению предела усталостной прочности стали. Так, для стали ЗОХГСЛ, хромированной при iк = 50 A/дм2, предел усталостной прочности образцов, хромированных при 70°С, оказался в два раза ниже, чем хромированных при 30 и 50°С

Выдержка хромированных образцов при 200—230°С в течение 2 2,5 ч приводит к снижению предела усталостной прочности стали Это видно из примера стали 30ХГСИ2Л (45—49 HRC) Ее предел усталостной прочности при испытаниях на изгиб с вращением составляет для нехромированной стали — 780 МПа, после хромирования 380 МПа, после отпуска хромированных образцов при 200—220°С 2,5 ч он равен 240 МПа. При двукратном отпуске, до и после хромирования, предел усталости повышался до 380 МПа Отпуск при 500—000°С (допустимый для менее прочных сталей) полностью восстанавливает предел усталостной прочности стали.

Влияние скорости потока при возвратно-струйном хромировании усталостную прочность стали марки 45 иллюстрируется следующими данными
Скорость потока, м/с            0           0,4       0,8      1,2     1,8     2,4

Снижение предела усталости, %   22,8        15,5       8,8      5,3     6,1     5,3

Хромирование производилось в универсальном электролите при iк=120 А/дм2 t = 60°С, слой хрома 0,1 мм и межэлектродное расстояние 10 мм

Своеобразное влияние па снижение усталостной прочности после возвратно-струйного хромирования оказала температура электролита. В пределах 50—60°С она мало повлияла па предел усталостной прочности, его снижение составляло 2,5—5,3%. Но при 65 и 70°С предел усталостной прочности значительно снизился (на 42,2 и 49,2 % соответственно)

Плотность тока в пределах 40—120 А/дм2 практически мало влияла на снижение усталостной прочности (1,8—3,5%).

Пористый хром, полученный из малоконцентрированной ванны (t = 55°С iк = 50 А/дм2, толщина слоя 75 мкм, ia = 40 А/дм2, Tа = 7 мин), практически не повлиял па предел усталостной прочности стали 35, предел прочности которой 586 МПа. Это, очевидно, связано с тем, что при анодной обработке покрытия, выполняемой для получения пористости, существенно уменьшаются растягивающие силы в электролите при iк = 60 А/дм2, t = 55°С, толщина слоя 50—70 мкм Перед и после хромирования образцы термически обрабатывались при температуре 200°С в течение 3 ч.
 
Таблица. Влияние хромирования и предварительного упрочнения на усталостную прочность сталей ЗОХГСНА (δ0,2=1300 МПа) и 40ХГСНЗВА (δ0,2= 1400 МПа).
 

Вид обработки стали

Предел выносливости сталей

ЗОХГСНЛ

40ХГСНЗВЛ

МПа

%

МПа

%

Шлифование

Шлифование + хромирование

Виброупрочнение

Виброупрочнепие + хромирование

Обдувка корундовым песком+ хромирование

600 310 780 700

670

100

52

130

116

112

760 350 920 810

710

100

46

121

107

93


Эти данные убедительно показывают, что практически полное устранение отрицательного влияния хромирования на многоцикловую усталостную прочность сталей, в том числе высокопрочных, можно достичь упрочнением поверхности деталей перед хромированием методами поверхностной пластической деформации (обкаткой роликами, алмазным выглаживанием, гидропескоструйной обработкой, виброупрочнением и др.), она создает в поверхностном слое основы значительные сжимающие напряжения, которые затрудняют образование в хроме отдельных глубоких трещин под влиянием растягивающих напряжений. Предполагается, что именно такие трещины являются высокими концентраторами растягивающих напряжений, приводящих к снижению предела усталостной прочности стали после хромирования.
 
Малоцикловая усталостная прочность.
Хромирование снижает также предел усталостной прочности сталей при малоцикловой нагрузке. Влияние прочности стали на снижение ее малоцикловой прочности после хромирования видно из данных таблице.

Таблица. Влияние хромирования на малоцикловую прочность стали.

Марка стали

Предел прочности, МПа

Среднее число циклов до разрушения

Процент от нехромированной ста ли, %

Нехромированные

Хромированные слоем 50—70 мкм

ВНС-2

ВНС-5 ЗОХГСНА 40ХГСНЗВА ВКС210

1300 1600 1750 1850 2150

20820

19 370

37000

100000

38830

12000

8730

6950

7205

6500

58,0 45,0 18,5 7,2 16,7

Таким образом, чем выше прочность стали, тем в большей степени хромирование уменьшает ее малоцикловую усталостную прочность. Толщина хромового покрытия и плотность тока не оказывают статистически значимого влияния на предел малоцикловой усталости. С понижением температуры электролита долговечность образцов возрастает.

В отличие от многоцикловой усталости отпуск хромированных образцов при 200°С в течение 2,5 ч после их шлифования повышает малоцикловую усталость сталей, а трехкратный отпуск (перед и после хромирования, после шлифования хрома) обеспечивает полное восстановление малоцикловой прочности30ХГСН2А (45—49 HRC) независимо от режима хромирования стали.

Возможной причиной снижения многоцикловой усталостной прочности после отпуска стали при 200°С является резкое уменьшение объема покрытий (приблизительно на 16 %) в связи с полным переходом при этой температуре гексагонального хрома в кубический. В результате такого изменения объема при этой температуре образуются крупные трещины в покрытии, которые действуют как концентраторы напряжения.
 
Таблица. Влияние отпуска на усталостную прочность хромированных образцов из стали 30ХГСН2А

Вид испытания

Предел усталостной прочности при изгибе с вращением

Малоциктовая усталость на 104 циклов

МПа

Покрытие без отпуска

380

500

Без покрытия

780

2080

Отпуск.

 

 

после покрытия

240

1500

до и после покрытия

380

1600

трехкратный

390

2200

При малоцикловых испытаниях нагрев до 200°С не снижает малоцикловую усталостную прочность стали. Это можно объяснить тем, что при относительно больших деформациях при малоцикловой усталости трещины в покрытии образуются уже при первых циклах нагрузки и нагрев до 200°С не увеличивает их количество. В то же время удаление из хромированного образца около 80 % водорода при таком нагреве несколько улучшает пластические свойства стали, что оказывает положительное влияние на малоцикловую прочность.

Поверхностное упрочнение высокопрочных сталей перед хромированием (накаткой роликами, алмазным выглаживанием) в значительной степени восстанавливают малоцикловую усталостную прочность стали до значений нехромированных образцов. В технологический процесс твердого хромирования высокопрочных сталей включаются оба вида обработки: предварительное поверхностное упрочнение стали и трехкратный отпуск. Эти операции можно применять и для деталей из сталей средней прочности, если изменение их свойств после хромирования (например, понижение предела усталости) может снизить надежность эксплуатации деталей. Большая практика хромирования деталей, особенно в ремонтном производстве, показала, что детали из распространенных поделочных сталей, для которых основной нагрузкой является трение можно хромировать по упрощенной технологии.
 
Наводороживание стали при хромировании.
Выделяющийся при хромировании водород частично растворяется в стали. В результате этого возможно появление водородной хрупкости основного металла. Особенно чувствительны к наводороживанию стали с пределом прочности 800—1000 МПа и выше.

Насыщение водородом основного металла зависит от большого числа факторов: марки стали, степени ее загрязненности неметаллическими включениями, наличия и значений внутренних напряжений и наклепа, структуры, шероховатости поверхности и других.

Так, например, при хромировании через сталь марки У8 (диафрагма толщиной 0,3 мм) водорода проходит в три раза больше, чем через сталь марки ЗОХГСНА. Увеличение содержания в низколегированной стали фосфора с 0,002 до 0,039 повышает содержание водорода в стали в два раза. Поглощение водорода разными структурными слагающими углеродистой стали изменяется в широких пределах и составляет, см3/100 г: мартенсит — 6,9; троостит — 15,9; сорбит — 46,5.

Особенно следует обратить внимание на большое влияние напряженного состояния стали на ее наводороживание. Низкоотпущенная сталь марки ЗОХГСНА с мартенситно-трооститной структурой способна в 10—100 раз увеличить поглощение водорода под влиянием внешней деформации. Упругопластическая деформация такой стали повышает содержание водорода в ней в три раза. Предварительный отпуск стали перед хромированием уменьшает содержание водорода в покрытии с 10,1 до 6.75 см3/100 г.
 
Такое разнообразие влияния элементов основного металла, неравномерность распределения водорода в покрытии и в основе, особенности разных методик определения содержания водорода усложняют анализ многочисленных опубликованных данных о наводороживании стали при хромировании и определение закономерностей этого процесса.
 
Нет установившегося мнения о роли наводороживания во влиянии хромирования на механические свойства основного металла.

Основными показателями наводороживания являются общее содержание водорода в хромированной стали, определяемое методом вакуумной экстракции, и водородопроницаемрсть металла определяемая по прониканию водорода через тонкую мембрану. Водородопропицаемость оценивается по плотности тока, затрачиваемого на окисление водорода, проникшего через мембрану. Далее приводятся некоторые фактические данные о характере влияния основных факторов хромирования, а эти показатели.

Содержание водорода в покрытии зависит от его структуры. При гексагональной структуре содержание водорода доходит до 2900 см3/100 г, а при кубической форме оно составляет 158 см3/100 г. Повышение плотности тока обусловливает повышение содержания водорода в хромированной стали, а повышение температуры приводит к его уменьшению. Имеются указания, что повышение температуры электролита, уменьшая общее содержание водорода в хромированной стали, способствует повышению его концентрации в основном металле.

Возможно, что по этой причине повышение температуры способствует повышенному снижению лостной прочности после хромирования.

В проточном электролите, содержащем 250 г/л хромового ангидрида и 5 г/л серной кислоты, увеличение плотности тока способствует росту содержания водорода в хромированном образце, а при увеличении температуры содержание водорода уменьшается, особенно при высоких температурах. При хромировании в проточном электролите наблюдается некоторое уменьшение наводороживания по сравнению с хромированием в стационарном электролите. Так, например, по определению, при iк = 50 А/дм2, t = 55 °С и скорости потока 200 см/с содержание водорода в хромированной стали уменьшается с 27 см3/100 г в стационарном электролите до 12 см3/100 г в проточном. При этом отмечается, что наибольшее снижение наводороживания наступает при 100 см/с.

На наводорожнвание при хромировании в протоке оказывает влияние параметр шероховатости хромируемой поверхности (ГОСТ 2789—73): при гидропескоструйной обработке содержание водорода составляет 8,1 см3/100 г; при R а =40÷20 — 9,4 см3/lOO г; при Ra= 1,25÷0,63 (шлифование) — 11,8 см3/100 г; при Ra = 0,16÷0,08 — 12,3 см3/100 г.

Известную характеристику водородопроницаемости в зависимости от режима хромирования и марки стали в универсальном электролите.

Максимум водородопроницаемости на стали У8-А при блестящем осадке в два раза больше, чем у стали ЗОХГСНА, а при молочном осадке больше в три раза. Усиленная водородопроницаемость при молочном осадке объясняется как увеличением коэффициента диффузии водорода при повышении температуры, так и особенностями структуры хрома, осажденного при повышенных температурах. Повышение плотности тока мало влияет на водородопроницаемость.

Особо следует отметить большую скорость водородопроницаемости в случае, когда выделение хрома не происходит, а выделяется только водород, т. е. отсутствует свойственное хромовому покрытию барьерное действие. Такое выделение водорода без хрома наблюдается при низких плотностях тока.
 
Таблица. Влияние термической обработки на наводороживание хромированных образцов из стали марки 30ХГСН2А
 

Вид обработки образцов

Объем выделившегося водорода, см3/100 г

Количество водорода, при 200°С, %

При нагреве до 500 °С

При нагреве до 200°С

Шлифование, хромирование

Шлифование, отпуск, хромирование

Шлифование, отпуск, хромирование, отпуск

Шлифование, отпуск, хромирование, отпуск, шлифование, отпуск

10,1

6,73

 

4,2

 

2,01

8,0

4,6

 

1,35

 

0,85

80

69

 

32

 

42

Примечание. Образцы без покрытия содержат 0,85 см3/100 гводорода.

Выделенный при хромировании водород распределяется по сечению хромированной стали неравномерно. На примере стали 45. При нагреве хромированных деталей водород в значительной степени удаляется. Как видно из табл., при 200°С и выдержке 3—4 ч удаляется около 80 % водорода, содержащегося в хромированной детали. Имеются указания, что наибольшая эффективность термообработки достигается в случае, если она производится сразу после хромирования. При комнатной температуре хромированный образец также постепенно освобождается от водорода, но этот процесс идет медленно и полное удаление водорода не достигается. Представление о естественном старении хромированной стали 45 можно получить из следующих данных:

Время старения, ч            0,5         2,0            6,0            24            300

Содержание водорода после старения,

см3/100 г     12,38        12,30        10,45         9,85         7,90

В настоящее время намечаются новые направления снижения наводороживания стали при хромировании: применение барьерных слоев и покрытие сплавами хрома.

Таблица. Влияние содержания титана в хромовом покрытии на наводороживание

Марки стали

Содержание Ti в покрытии, %

Концентрация Н2, см3/100г

ik, A/дм2

в стали

В покрытии

У8Л

У8А

ЗОХГСНА

ЗОХГСНА

0,3

0,05

3,9 1,47 0,19 0,032

588 595 580 602

50 50 60 60

Примечание. Температура электролита 55°С.


Выраженными барьерными свойствами обладает хромовое покрытие, особенно блестящее. Это послужило основой для предложения использовать в качестве барьерного подслоя покрытие толщиной около 30 мкм, обезводороживанное термообработкой. Более подробно исследован никель в качестве барьерного слоя. Показано, что уже слой никеля толщиной 3 мкм уменьшает максимальный поток водорода через мембрану из железа Армко в пять раз. Высокими барьерными свойствами обладает медь. В исследовательской работе Т. М. Овчинниковой было показано, что подслой меди толщиной 9 мкм полностью предохраняет основной металл (сталь) от наводороживапия при хромировании (слой 60 мкм). С этим подслоем механические свойства основного металла после хромирования не изменились.

Перспективным направлением по борьбе с наводороживапием является применение сплава хрома с титаном. Покрытие сплавом хрома с титаном по антифрикционным свойствам подобно хрому, но отличается от хрома резким уменьшением наводороживання стали.

О наводороживании покрытия и основного металла при нанесении сплава хрома с титаном дают представление результаты работ.

При нанесении сплава хрома с титаном концентрация водорода в стали У8А уменьшается по сравнению с хромированием в 2,6 раза, а в стали марки ЗОХГСНА — в 6 раз.
 
Уже первые исследования влияния этого покрытия на высокопрочные стали марок ЗОХГСНА, ВЛ-1 и ВНС-5, проведенные в работе, дали обнадеживающие результаты. Образцы хромировались в электролитах с разным содержанием титана слоем сплава 0,1 им при ik = 60 А/дм2 и t = 55°С. Образцы сталей имели твердость 46—47 HRC. В результате испытаний установлено, что пластичность (сужение поперечного сечения в шейке разорванного образца) у сталей ЗОХГСНА и ВЛ-1 не изменилась после хромирования сплавом, в то же время, как при покрытии хромом относительное сужение уменьшилось с 52,9 до 7,6 %. У более чувствительной к наводорожиоанию стали ВНС-5 изменение относительного сужения при покрытии сплавом составляло от 64,6 до 21,5 %, а при хромировании — от 53,4 до 13,9 %. Испытания на усталостную прочность и малоцикловую усталость также показали преимущества покрытия сплавом хрома с титаном по сравнению с покрытием хромом.

Следует также отметить, что покрытие из сплава хрома и 0,5—0,7% молибдена содержит в 1,5—2,0 раза меньше водорода, чем хромовое покрытие. При этом количество водорода в обоих покрытиях увеличивается с ростом плотности тока, оставаясь при этом в основном металле неизменным.