Коррозионно-механическое разрушение металлов и сплавов

Петров Л.Н., Сопрунюк Н.Г.

Наукова думка, 1991 г.

МЕТОДЫ  ЗАЩИТЫ  ОТ  ФРЕТТИНГ  КОРРОЗИИ  И  КАВИТАЦИИ

Основные виды повреждения деталей машин в условиях ФК — это коррозионно-усталостные процессы, схватывание и абразивное разрушение. Указанные процессы развиваются в поверхностном слое одновременно. Однако в зависимости от свойств контактирующих материалов и условий нагружения один из процессов становится ведущим и ограничивает ресурс работы сопряжения. Учитывая изложеннное, мероприятия по предотвращению ФК наиболее рационально классифицировать на две группы [31]: конструктивно-технологические методы защиты поверхности от ФК; методы защиты поверхности от ведущих процессов повреждения при ФК.

К первой группе относятся конструктивно-технологические методы, дающие возможность предотвратить относительное перемещение контактирующих поверхностей или уменьшить его до величины, не вызывающей существенного развития ФК,

Поскольку относительное перемещение контактирующих поверхностей возможно лишь в том случае, когда тангенциальная сила превосходит по величине силу трения, то для предотвращения перемещения поверхностей следует уменьшить тангенциальную силу или увеличить силу трения. Сила трения, как известно, равна произведению нормальной нагрузки на коэффициент трения. Следовательно, увеличения силы трения можно достичь двумя путями — либо увеличением удельной нагрузки, либо увеличением коэффициента трения между контактирующими поверхностями.

хорошим противофреттинговым свойством обладают маловязкие синтетические диэфирные масла с фосфороорганическими присадками типа трикрезилфосфата (масло ВНИИНП - 6,50-1-4Ф).

Эффективную защиту от ФК обеспечиваетнанесение на контактирующиеповерхности различных сплавов, не предрасположенных к фреттинговомуповреждению. В качестве такого сплава предлагается [31] сплав на основе меди, содержащий 20—40 % никеля и 2—10 % индия. Этот сплав эффективен при контактировании со сплавами на основе железа, кобальта, никеля или сплавами, содержащими хром, титан, тантал, Колумбиии молибден. Эффективность сплава сохраняется при высокотемпературных режимах (980°С) и в диапазоне частот 10—30 000 Гц, что позволяет применять его в газовых турбинах авиационных двигателей.

Избавиться от ФК в деталях фрикционных узлов вариатора, изготовленных из стали 45, позволяет применение бронзы, работающей в паре со стальной хромированной поверхностью в условиях смазки [133]. В качестве дополнительного конструктивного мероприятия целесообразно на поверхности бронзовой втулки протачивать канавки, которые способствуют сохранению смазки.

В качестве конструктивных возможностей для повышения фреттинго-стойкости рекомендуется также применять бесконтактные лабиринтные уплотнения, вместо цилиндрической посадочной поверхности — шарообразную, трению скольжения предпочитать трение качения, плотно подгонять призматические и сегментные шпонки.

Ко второй группе относятся прежде всего технологические методы физико-химической модификации контактирующих поверхностей, направленные на упрочнение контактирующих поверхностей, защищающие поверхности контакта от воздействия коррозионной среды, уменьшающие термодинамическую нестабильность системы, снижающие действия силы трения и т.д.

Наиболее типичный из ведущих процессов ФК — процесс ФУКр. Эффективным противофреттинговым средством в этом случае являются в первую очередь методы механической, термической и химико-термической обработки контактирующих поверхностей [31, 160].

Механические методы (дробеструйная обработка, гидрополирование, виброгалтовка и др.) в несколько раз повышают стойкость металла к ФК. Так дробеструйная обработка устраняет вредное влияние обезуглероживания поверхности и может в некоторой степени парализовать начальные трещины усталости, замедляя или прекращая их развитие [20].

Для повышения сопротивления ФУКр машиностроительной стали авторы работы [28] предлагают применять прерывистую накатку роликами, которая позволяет во многих случаях заменит весьма трудоемкую операцию упрочнения деталей путем дробеструйной обработки. Исследования проведены непосредственно на натурных образцах рессорного листового проката (кремнистая сталь 60С2), прошедшего стандартную термическую обработку (закалка от 860°С в масло, отпуск при 460°С в течение 1ч). Показано, что накатка роликами при ФУКр приводит к заметному уменьшению скорости развития трещин по сравнению с неупрочненными образцами за счет возникновения в упрочненном слое остаточных сжимающих напряжеобработка, нанесение электролитических покрытий и т.п. Этой же цели служит создание на поверхности изделий прочных защитных неметаллических пленок (травление растворами кислот и щелочей, фосфатирование, сульфидирование и т.д.) и вторичных структур [30].

К этой группе относятся такие методы, как подбор металлов, малосклонных к взаимному схватыванию [197], пропускание через зону контакта электрического тока достаточной плотности [41] и ряд других.

Выше мы рассмотрели кавитационное и коррозионно-кавитационное разрушение металлов и сплавоа Целью настоящего параграфа является рассмотрение современных методов защиты сталей и сплавов от коррозионно-кавитационного разрушения. Основным средством предупреждения коррозионно-кавитационного разрушения является рациональное конструирование, обеспечивающее создание оптимальных гидродинамических условий — устранение резких переходов в элементах конструкций для уменьшения турбулентности и снижения вибрации, избежание большой высоты всасывания, которое может вызвать опасные перепады давлений и т.п., однако на практике не всегда удается внести такие изменения в конструкции. Поэтому в настоящее время проблему защиты деталей машин и конструкций от коррозионнокавитационного разрушения очень часто решают другими способами: использованием кавитационностойких материалов, применением катодной защиты, ингибиторов коррозии, инжектированием воздуха. Эффективность этих способов во многом зависит от соотношения механического и коррозинного фактора.

При выборе материалов следует учитывать их кавитационную и коррозионную стойкость в заданных условиях, а также прочностные и технологические характеристики. Основной группой материалов, удовлетворяющих этим требованиям, являются высоколегированные нержавеющие стали. Это обусловлено такими факторами: вязкостью, гомогенностью и мелкозернистостью структуры, значительной прочностью и твердостью в сочетании с достаточной пластичностью, высоким пределом коррозионной усталости и способностью к деформационному упрочнению при воздействии кавитации.

Среди этой группы материалов следует отметить высокохромистую сталь типа 1X13 или 2X13 и аустенитную сталь типа 1Х18Н9Т. Кавитационная стойкость высокохромистых сталей возрастает с увеличением их твердости путем снижения температуры отпуска при термической обработке. Коррозионная стойкость высокохромистых сталей мартенситного класса повышается при увеличении содержания хрома до 16 % и  дополнительной присадкой никеля (1,5 — 2%). Посредством соответствующего легирования и термической обработки с использованием дисперсионного твердения можно также значительно увеличить кавитационную стойкость нержавеющих сталей аустенитного класса. Однако при изыскании новых составов сталей необходимо учитывать их коррозионную стойкость, которая должна оставаться во всех случаях достаточно высокой. Высоколегированные стали используют в гидротурбинах.