Physico-chemical method for hardening of parts of titanium alloys

Abstract

The article discusses the application of the surfaces micro-arc oxidation competitive method for parts made of titanium alloys.

Full Text

Физико-химические методы обработки деталей в настоящее время применяются не менее широко, чем методы механической обработки [1-2]. Особую актуальность эти методы приобретают в связи с тем, что наиболее ответственными и в то же время наиболее подверженными износу и разрушению элементами детали, как правило, являются ее поверхности. Микродуговое оксидирование (МДО), являясь относительно новым видом электрохимической обработки поверхностей, сочетает в себе следующие две феноменологические особенности формирования покрытия [3-4]: 1) нанесение покрытий с увеличением размера исходной заготовки, 2) модификация поверхностного слоя заготовки вглубь упрочняемой поверхности, за счет чего дополнительно обеспечиваются высокие показатели адгезионной прочности покрытия и его суммарная толщина. Нанесение покрытий методом МДО обеспечивает повышение целого ряда свойств упрочняемых поверхностей: износостойкость, диэлектрическая прочность, теплостойкость, прочность и многие другие. Выполненные в 2014 году на установке МДО, спроектированной и изготовленной в Университете машиностроения, исследования различных свойств упрочненных поверхностей и отработки режимов упрочнения базируются на основах теории процесса МДО [5] и проведенных в 2013 г. экспериментальных исследованиях [4]. Кроме того, работы на кафедре «Технология машиностроения» выполняются с привлечением сотрудников кафедры и студентов старших курсов, что обоспечивает повышение качества профессиональной подготовки специалистов производственной области [6]. Экспериментально-исследовательская работа выполнялась в сотрудничестве с ФГУП «НПЦАП» им. академика Н.А. Пилюгина (испытания на эксплуатационные показатели) и ФГУП «НПО «Техномаш», с которым Университет машиностроения имеет заключенный договор о сотрудничестве. Целью выполненного этапа исследований являлось: 1) отработать режимы упрочнения поверхностей деталей из титанового сплава с точки зрения обеспечения требуемого срока службы электролита, 2) доказать конкурентоспособность метода с точки зрения характеристик альтернативных металлоалмазных покрытий, осаждаемых в вакууме и в атмосферных условиях. Известно [1, 5], что наиболее критичным параметром с точки зрения эксплуатации электролита является его температура в процессе обработки МДО. Пороговым значением принято считать величину температуры 50ºС. При превышении этого значения происходят вредоносные вторичные химические реакции и чрезмерное испарение рабочих веществ из электролита. При проведении экспериментальных исследований был выбран электролит на основе дистиллированной воды с добавлением гидроксида натрия NAOH с концентрацией 3 г/л и натриевого жидкого стекла с концентрацией 2 г/л. В качестве экспериментальных образцов были приняты диски, изготовленные из титанового сплава ВТ5-1 диаметром 60 мм и толщиной 5 мм. Исследуемая поверхность - плоский торец диска. Основными параметрами, определяющими протекание процесса и результат упрочнения, являются плотность тока q А/дм2 и длительность обработки заготовки t, мин. Матрица проведенных исследований представлена в таблице 1. Таблица 1 Исследование температуры электролита при МДО Номер образца Плотность тока q, А/дм2 Длительность упрочнения t, мин Характер свечения разрядов Наличие дуговых пробоев Устано-вившаяся темпера-тура электро-лита t°, °С 1 40 10 Плотное ярко белое Нет 50 2 10 30 Желтое, через 15 минут переходящее в белое Через 25 минут после начала обработки 32 3 20 30 Желтое Через 20 минут после начала обработки 48 4 Ступенчатое увеличение 10, 20, 40 каждые 10 минут обработки 30 Желтое Через 20 минут после начала обработки 52 5 20 с предвари-тельными стадиями инициации процесса МДО 45 Желтое Нет 52 Анализ результатов выполненных исследований показывает, что главной задачей является недопущение высокой энергонагруженности рабочей зоны при МДО. При выбранных материале и составе электролита требуется назначать величину плотности тока не выше 10-20 А/дм2. Дополнительное снижение плотности тока неэффективно (при q=5-7 А/дм2 значительно увеличивается время обработки), кроме того заниженные плотности тока могут привести к невозможности инициации процесса МДО. Подтверждаются данные о целесообразности проведения двух предварительных стадий МДО [5], что позволит вести обработку при несколько более высоких плотностях тока (экспериментальный образец 5). Однако в этом случае потребуется использование системы охлаждения электролита повышенной производительности, возможно, с использованием холодильных установок, что не всегда экономически и технически приемлемо. Исследования адгезионной прочности, магнитных свойств, коррозионных свойств, твердости и равномерности покрытия выполнены на образцах из титанового сплава ВТ5-1, упрочненных покрытиями: 1) металлоалмазное, осаждаемое дуговым плазменным методом в вакууме; 2) металлоалмазное, осаждаемое из потока плазмы в атмосферных условиях; 3) МДО. Определение параметров и свойств покрытия осуществлялось на оборудовании, перечень которого представлен в таблице 2. Результаты исследований представлены в таблице 3. Анализ результатов исследований показывает, что по параметрам: коэффициенту трения, равномерности покрытия, микротвердости, коррозионной стойкости метод МДО не уступает осаждению покрытия из потока плазмы как в вакууме, так и в атмосферных условиях. Коэффициент трения при необходимости может быть снижен дополнительной обработкой поверхности. Таблица 2 Перечень оборудования для испытаний Исследуемый параметр Оборудование Наименование Адгезионная прочность Разрывная машина ZD10-90 «Durenger Industriverg Raunstein» Магнитные свойства Мультитесламетр МФ-24-М ОАО «АКА-контроль» Равномерность покрытия Ультразвуковая ванна Ванна 5,7 л, ОАО «Сапфир» Микротвердость Микротвердомер DuraScan 10 EmcoTest Параметры шероховатости Профилограф-профилометр Мод.130 ОАО «Завод ПРОТОН-МИЭТ» Таблица 3 Результаты исследования различных покрытий Параметр Покрытие МДО Металлоалмазное в вакууме Металлоалмазное в атмосферных условиях Исходная шерховатость, Ra, мкм 0,32 (после притирки) 0,03 0,32 (после шлифования) Твердость HV 300 310 320 Равномерность По всей поверхности По всей поверхности По всей поверхности Коэффициент трения по стали 20Х13 0,08-0,09 0,09-0,1 0,06 Намагниченность µ, мкТл 0 0 0 Адгезионная прочность α при нагрузке Р, Н 1,6-1,7/5250 2,2-2,3/4250 2,8-2,9/3250 Коррозионная стойкость. Внешний вид Без изменений Без изменений Без изменений Единственный показатель МДО-покрытий, имеющий пониженное значение, это адгезионная прочность. Однако, как было указано выше, покрытия по технологии МДО являются модификацей поверхностного слоя заготовки, таким образом отрыв покрытия частично происходит по основному материалу и сравнивать показатель с плазменными методами не совсем корректно. Несомненным преимуществом является относительная технологическая простота метода МДО, отсутствие специальных требований к подготовке поверхностей для упрочнения, отсутствие потребности в вакуумных камерах и другом сложном оборудовании. Заключение Является несомненно перспективным применение технологии МДО для упрочнения деталей самых различных типов как в качестве окончательной обработки, так и с последующей доводочной обработкой [7, 8]. Следует избегать перегрева электролита выше 50ºС и не допускать дуговых пробоев при МДО, что обеспечивается правильным выбором режимов обработки. Метод МДО при упрочнении деталей из титановых сплавов обеспечивает показатели твердости, шероховатости поверхности, коррозионной прочности, не уступающие методам-конкурентам.