ELECTROARC HARDENING OF TITANIC ALLOYS

Толық мәтін

Титан является одним из самых перспективных материалов для многих отраслей промышленности. Титан и его сплавы используются там, где главную роль играют высокая удельная прочность и хорошая сопротивляемость коррозии, например в авиации, ра- кетной технике, химическом машиностроении, судо- строении и пр. Однако, обладая рядом высоких физи- ко-химических и механических характеристик, титан и его сплавы имеют низкие износостойкость и анти- фрикционные свойства (склонность к налипанию и образованию задиров), низкое сопротивление высоко- температурной газовой коррозии [1; 2]. В настоящее время для упрочнения поверхности титановых спла- вов применяют различные виды химико-термической обработки. Одним из перспективных процессов уп- рочнения является азотирование поверхности, кото- рое проводят в среде азота или смеси азота с аргоном при температурах 500…950 °С. При азотировании на поверхности изделия образуется тонкий нитридный слой с повышенным сопротивлением износу, высокой усталостной прочностью и коррозионной стойкостью в ряде сред. Однако недостатком этих способов явля- ется низкая производительность, высокая энергоем- кость и небольшая глубина упрочненного слоя. По- вышенные температуры приводят к росту зерна в из- делии, диффузии водорода и ухудшению характери- стик пластичности и вязкости. В связи с этим представляет интерес разработка новых технологий, позволяющих при минимальных затратах энергии и времени формировать на титано- вых сплавах покрытия с высокими триботехнически- ми свойствами. Анализ современных методов упрочнения поверх- ности деталей машин показывает, что наиболее пер- спективным из них является упрочнение с использова- нием концентрированных источников энергии (КИЭ). Это обусловлено тем, что основным направлением развития новых методов обработки является стремле- ние повысить скорости нагрева, охлаждения и дефор- мации. Это позволяет увеличить концентрацию де- фектов кристаллической решетки обработанных ма- териалов, изменить их распределение и в результате улучшить механические и другие важные для техники свойства материалов. Под концентрированным потоком энергии обычно подразумевают энергетический поток, воздействую- щий на локальный участок поверхности с плотностью тепловой мощности более 103 Вт/см2. На практике для упрочнения поверхности чаще всего используют ла- зерное излучение, электронный луч и плазменные потоки [3–5]. Наряду с достоинствами, перечислен- ные методы упрочнения поверхности имеют ряд не- достатков, к которым можно отнести высокую стои- мость оборудования и, как следствие, увеличение стоимости обработки. Для снижения себестоимости обработки металлических поверхностей можно ис- пользовать сжатую электрическую дугу, которая по плотности мощности сопоставима с плазменной стру- ей [6]. Проведенные ранее исследования по упрочнению стальных и чугунных материалов сжатой электриче- ской дугой в среде инертного защитного газа (аргона) показали эффективность и производительность такой обработки. Особенностью упрочнения титановых сплавов, в отличие от сплавов железо–углерод, является не- большое повышение твердости поверхностного слоя за счет механизма структурного упрочнения, дости- гаемого высокоскоростным нагревом тонкого поверх- ностного слоя до температур, не превышающих тем- ператур фазового превращения, и упрочнения путем поверхностной закалки с получением метастабильно- го фазового состояния. Таким образом, основными механизмами повышения твердости поверхностного слоя при обработке концентрированными источника- ми энергии являются следующие: 1) упрочнение путем нагрева поверхностного слоя до температур, превышающих температуру плавле- ния, с последующей ускоренной кристаллизацией, при которой достигается образование сверхмелкодис- персной кристаллической структуры, аморфного со- стояния вещества либо иных метастабильных состоя- ний закристаллизованной поверхности; 2) упрочнение путем поверхностного легирования слоя на основе протекания микрометаллургических процессов в поверхностном расплаве и диффузионно- го взаимодействия легирующего компонента в слое с основой сплава в результате оплавления поверхности изделия. Также при обработке титановых сплавов необхо- димо учитывать их активное взаимодействие с атмо- сферой. Целью данной работы является повышение изно- состойкости и коррозионной стойкости титановых сплавов электродуговым методом. 138 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Предложен способ поверхностного упрочнения титановых сплавов сжатой электрической дугой. Установка для упрочнения (рис. 1) состоит из сва- рочной головки 1, содержащей неплавящийся элек- трод 2. Между электродом и обрабатываемым издели- ем 3 горит электрическая дуга 4. Вода Исследования структуры упрочненных образцов титана показали, что зона нагрева имеет достаточно четкую границу раздела основного металла и упроч- ненного слоя (рис. 2). 1 Вода 3 Азот 2 4 Рис. 2. Поперечный микрошлиф титанового сплава ВТ6 Рис. 1. Схема установки для упрочнения титановых сплавов Сжатая электрическая дуга, горящая в атмосфере азота, перемещается по обрабатываемой поверхности со скоростью V и осуществляет практически мгновен- ный локальный нагрев верхнего слоя изделия. Одно- временно с нагревом происходит насыщение поверх- ностного слоя азотом за счет высокой скорости диф- фузии азота в поверхность титана. В результате сверх- скоростного нагрева и охлаждения за счет кондуктив- ного теплообмена, а также поверхностного азотиро- вания на изделии образуется слой в виде дорожки с высокой микротвердостью и коррозионной стойко- стью. Плотность мощности электрической дуги состав- ляет q ≥ 103 Вт/см3, сила тока I – 60…200 А, напряже- ние U – 35…45 В, скорость обработки V – 0,005 … 0,03 м/с, расход азота Q – 50…100 л/мин. Диаметр пятна нагрева при этом составляет 3…8 мм. Способ позволяет обрабатывать изделия как пло- ской, так и цилиндрической формы. Обработка может производиться как с перекрытием дорожек, так и с шагом между ними. Объектом исследования служили титановые спла- вы ВТ1-0 ВТ6 и ВТ-16. Образцы представляли собой пластины с размерами 50 × 40 × 7 мм и обрабатыва- лись как с оплавлением, так и без оплавления поверх- ности. Микроструктуру и величину зерен изучали на оп- тическом микроскопе ЛабоМЕТ. Границы зерен вы- являлись электролитическим травлением шлифов в растворе следующего состава: HCl – 150 мл, HNO3 – 150 мл, HF – 150 мл, H2O – 450 мл. Микротвердость определяли на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 1 МПа. Износостойкость оценивали на ма- шине трения по величине абразивного износа по стандартной методике. Коррозионные испытания упрочненных и неуп- рочненных образцов титановых сплавов проводили в 5%-м растворе HCl в течение шести суток при ком- натной температуре. В результате обработки на поверхности титана формируется многослойная структура с высокой мик- ротвердостью, состоящая из слоя нитрида титана 1, слоя диффузионного насыщения 2 и слоя термическо- го влияния 3, плавно переходящего в основной объем материала 4. Поверхностный слой, имеющий харак- терный золотистый цвет, содержит наряду с нитридом титана включения окисидной и гидридной фазы. Микротвердость составляет от 9…12 ГПа, при исход- ной микротвердости около 4 ГПа. Глубина упрочнен- ного слоя достигает 1,5 мм (рис. 3). Ширина дорожки за один проход составляет 2…6 мм. Экспериментально установлено, что при режимах обработки V = 0,005…0,01 м/с и силе тока 100…200 А наблюдается качественная упрочненная поверхность с максимальной глубиной. Рис. 3. Распределение микротвердости упрочненного слоя различных сплавов Максимальная микротвердость поверхностного слоя наблюдается при скорости до 0,01 м/с и силе тока до 120 А. При увеличении скорости обработки более 0,03 м/с и уменьшении силы тока менее 80 А снижается толщина и микротвердость упрочненного слоя вследствие недостаточного времени термодиф- фузии и невысокой температуры нагрева. При умень- шении скорости обработки менее 0,005 м/с и увели- чении силы тока свыше 150 А происходит ухудшение качества поверхности, образование пор и трещин. 139 Технологические процессы и материалы а б Рис. 4. Результаты исследования износостойкости (а) и коррозионной стойкости (б) Оптимальный расход газа 90 л/мин. При меньшем расходе газа уменьшается количество образовавшего- ся нитрида титана, при большем расходе – нарушает- ся стабильность горения электрической дуги и проис- ходит разбрызгивание расплавленного металла. На основании оптимального режима были уста- новлены зависимости микротвердости упрочненного слоя по глубине упрочнения для трех сплавов титана: ВТ1-0, ВТ6 и ВТ16 (см. рис. 3). Исследована износостойкость и коррозионная стойкость образцов с поверхностью, обработанной электрической дугой (рис. 4). Выявлено существенное повышение износостойкости (рис. 4, а) и коррозион- ной стойкости (рис. 4, б). Таким образом, химико-термическая обработка с применением концентрированного источника энер- гии является перспективным направлением для по- вышения износостойкости титановых сплавов. Дос- тигнуто увеличение микротвердости в 2,3 раза по сравнению с исходными образцами. Износостойкость увеличилась в среднем на 50 %. Уменьшились корро- зионные потери

Авторлар туралы

A. Mikheev

A. Girn

S. Ivasev

Email: ivasev@sibsau.ru.

V. Kudymov

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар