СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1997 года по МПК C21D3/06 

Изобретение относится к обработке металлов, в частности к обработке наводороживанием поверхности стальных изделий, и может быть использовано для подготовки к эксплуатации деталей после финишных механических обработок, а также после сварки тонкостенных изделий с целью повышения их надежности и долговечности.

Известен способ подготовки к эксплуатации оборудования и трубопроводов для повышения стойкости против растрескивания, включающий наводороживание до момента выхода на стационарный режим проникновения через слой преимущественной концентрации водорода с предварительным определением толщины слоя преимущественной концентрации водорода в металле.

При этом наводороживание ведут в среде, удовлетворяющей соотношению
V_н/D_н ≥ V_р/D_р,
где V_н, V_р скорость проникновения водорода на стационарном режиме проникновения через слой преимущественной концентрации водорода; D_н, D_р коэффициент диффузии водорода через слой преимущественной концентрации водорода в наводороживающей и рабочих средах.

Недостатком указанного способа является следующее:
отсутствие обезводороживания, включение которого в технологическую цепь является обязательным с точки зрения предотвращения разрушения конструкции в присутствии водорода (см. Колачев Б. А. Водородная хрупкость. М. Металлургия. 1985);
сложность и неясность понятия методики определения толщины "слоя преимущественной концентрации водорода". Подобный термин не фигурирует в отраслевом стандарте ОСТ 92-4949-84 (см. Металлы. Методы определения высокотемпературной водородопроницаемости);
определение водородопроницаемости по ОСТ 92-4949-84 является сложным и трудоемким процессом, требующим надлежащего аппаратурного обеспечения;
невозможность создания в поверхностных слоях благоприятных с точки зрения влияния на эксплуатационные свойства детали остаточных напряжений сжатия.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому способу являются способ обработки стальных изделий для повышения срока службы изделия путем увеличения времени до появления магистральной трещины и уменьшения ее длины.

Сущность этого способа заключается в том, что вначале трубопровод механически нагружают внутренним давлением воды или взрывом до напряжений пластического деформирования, затем разгружают, выдерживают в течение времени соответствующему периоду деформационного старения материала (от нескольких часов до нескольких суток) и заполняют насыщенным раствором сероводорода, подкисленным соляной кислотой до pH 0,6.

К недостаткам такого способа следует отнести:
необходимость проведения сложной и трудоемкой операции по внешнему механическому нагружению трубопровода;
невозможность наведения в поверхностных слоях детали остаточных напряжений сжатия;
отсутствие операции обезводороживания, без которой металл в дальнейшем охрупчивается и происходит преждевременное разрушение в процессе эксплуатации.

Цель изобретения упрощение качества поверхностных слоев стальных изделий после механической обработки путем равномерного снятия растягивающих остаточных напряжений по всей длине детали и наведения в них благоприятных остаточных напряжений сжатия.

Поставленная цель достигается тем, что изделие после механической обработки подвергают электролитическому наводороживанию при комнатной температуре, а затем обезводороживают.

Сущность изобретения заключается в том, что детали после финишной механической обработки, создающей в поверхностных слоях остаточные напряжения растяжения, подвергают электролитическому наводороживанию при плотности тока катодной поляризации 0,05 0,15 А/дм², а затем обезводороживают выдерживанием деталей на воздухе при комнатной температуре в течение 10 ч.

Существенным отличием предлагаемого способа является следующее. Применение электролитического наводороживания создает принципиальную возможность протекания диффузионного насыщения металла водородом. Благодаря диффузии водорода в поверхностные слои металла, в которых действуют остаточные напряжения расстояния, происходит активация водородом микропластической деформации, что приводит к равномерному снятию остаточных напряжений по всей длине детали. Плотность тока катодной поляризации влияет на величину микропластической деформации. Если при плотности тока j 0,05 А/дм² происходит снятие в приповерхностных слоях растягивающих остаточных напряжений, то при j 0,15 А/дм² уже создаются в них сжимающие остаточные напряжения.

Существенным отличием является также обезводороживание обработанных изделий путем их выдерживания на воздухе при комнатной температуре в течение 10 ч, с целью предотвращения хрупкого разрушения в присутствии водорода, что улучшает качество изделий.

Указанные отличительные признаки изобретения из опубликованных источников не известны и позволяют достичь поставленную цель.

На фиг. 1 представлено распределение нормальных остаточных напряжений в поверхностных слоях образцов из стали ШХ15 (HRC 40) после:
1 шлифования (эталон);
2, 3 шлифования с последующим электролитическим наводороживанием при плотности тока катодной поляризации j 0,05 и 0,15 А/дм² соответственно и обезводороживанием.

На фиг. 2 представлено распределение нормальных остаточных напряжений в поверхностных слоях образцов из стали 40X (HRC 36) после:
4 шлифования;
5, 6 шлифования с последующим электролитическим наводороживанием при плотности тока катодной поляризации J 0,05 и 0,15 А/дм² и обезводороживанием.

Пример 1. Проводили электролитическое наводороживание шлифованных образцов из стали ШХ15, термообработанной на твердость HRC 40, диаметром 20 и длиной 150 мм. Часть шлифовальных образцов наводороживали в течение 2 ч при плотности тока катодной поляризации 0,05 А/дм², а другую часть при 0,15 А/дм². Электролитом служил одновременный раствор черной кислоты с добавкой в качестве стимулятора 5 мг/л As₂O₃, а анодом спираль из платины.

Образцы выдерживали на воздухе 10 ч, а потом подготавливали их к исследованию распределения нормальных остаточных макронапряжений в поверхностных слоях образцов. Наводороживание, обезводороживание и определение остаточных напряжений проводили при комнатной температуре.

Остаточные напряжения определяли механическим методом, основанным на измерении деформации изгиба, возникающей в результате послойного снятия металла поверхностных слоев электрохимическим способом по половине цилиндра.

По измеренным деформациям рассчитывали остаточные напряжения (см. Бабей Ю. И. Бережницкая М. Ф. Метод определения остаточных напряжений первого рода. Львов. 1980. (Препринт) АХ УССР ФМИ им. Г. В. Карпенко, N 30).

При механической обработке шлифованием в поверхностных слоях возникли остаточные напряжения растяжения (см. фиг. 1). После электролитического наводороживания и 10-часового обезводороживания в первом случае наблюдалось снятие растягивающих напряжений, вызванных шлифованием, во втором с увеличением плотности тока катодной поляризации до 0,15 А/дм² происходит формирование остаточных напряжений сжатия (фиг. 1, кривая 2, 3).

Пример 2. Поскольку распределение остаточных напряжений зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, то проводили электролитическое наводороживание при тех же режимах, что в примере 1 шлифованных образцов из стали 40X, термообработанной на твердость HRC 36. Все образцы обезводороживали.

Исследования показали, что при плотности тока катодной поляризации j 0,05 А/дм² процесс наводороживания и последующее обезводороживание приводит к снижению остаточных напряжений растяжения до нуля (см. фиг. 2, кривая 5), а при j 0,15 А/дм² создает при поверхностных слоях макронапряжения сжатия. Последние являются благоприятными с точки зрения влияния остаточных напряжений на работоспособность деталей машин, особенно на сопротивление усталостному, коррозионно-усталостному разрушению.

Пример 3. Проводили подготовку плоских образцов из стали 20 толщиной h 1,25 мм к испытаниям на малоцикловую усталость известным и предлагаемым способами.

Все образцы подвергались чистовому электрокорундовому шлифованию, в процессе которого возникают в поверхностных слоях остаточные напряжения. Затем образцы по партиям (поочередно по одному образцу) обрабатывали электролитическим наводороживанием при тех же режимах, что и в примерах 1 и 2, обезводороживали и испытывали на малоцикловую усталость на машине ИП-2М при жестком нагружении на воздухе и в корозионной среде (3-ный раствор NaCl).

Часть шлифованных образцов (по одному) подвергали обработке известным способом, а именно механическому нагружению растяжением до напряжений σ= 0,85 σ_т, разгружению и 15-часовой выдержке в среде 3-ном водном растворе NaCl, насыщенном сероводородом и подкисленном соляной кислотой до pH 0,6. Затем образцы испытывали на усталость в коррозионной среде 3-ном водном растворе NaCl. Все опыты проводили в одинаковых условиях при максимальной амплитуде деформации ε 0,5 Кроме того, проводили испытание образцов непосредственно после шлифования, а также определение остаточных напряжений до и после подготовки образцов.

Результаты исследований приведены в таблице. Табличные данные получены при испытании 3 4 образцов.

Исследования показали, что в шлифованных плоских образцах после предлагаемого способа подготовки в поверхностных слоях действуют остаточные напряжения сжатия. После обработки известным способом (механическое напряжение и 15-часовая выдержка в наводороживающей среде) остаточные напряжения растяжения, вызванные шлифованием, сохраняются. Наибольшее повышение долговечности имеют образцы при испытании в коррозионной среде после предлагаемого способа подготовки. Долговечность этих образцов на 33 выше по сравнению с долговечностью образцов непосредственно после шлифования и на 26 по сравнению с долговечностью образцов, обработанных известным способом.

Таким образом, предлагаемый способ подготовки к эксплуатации стальных изделий по сравнению с прототипом позволяет повысить качество поверхностных слоев путем снятия растягивающих и наведения сжимающих остаточных напряжений, что обеспечивает повышение долговечности изделий, особенно работающих в коррозионной среде.

Использование: для подготовки к эксплуатации деталей после финишных механических обработок, а также после сварки тонкостенных изделий с целью повышения их надежности и долговечности. Сущность изобретения: изделия после финишной механической обработки подвергают электролитическому наводороживанию при плотности тока катодной поляризации от 0,05 - 1,5 А/дм², затем их обезводороживают выдержкой на воздухе при комнатной температуре в течение 10 ч. 2 ил., 1 табл.

Способ обработки стальных изделий, включающий механическую обработку, наводораживание и последующее обезводораживание, отличающийся тем, что наводораживание осуществляют электролитически при плотности тока катодной поляризации 0,05 0,15 А/дм², а обезводораживание проводят при комнатной температуре на воздухе в течение 10 ч.