научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ВТОРИЧНОЙ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ НА СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ВТОРИЧНОЙ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ НА СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ»

УДК 621.9.048.4

ВЛИЯНИЕ ВТОРИЧНОЙ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ ОБРАБОТКИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ НА СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

© Стрелец Антонина Васильевна, Коломиец Ирина Анатольевна, Левашов Евгений Александрович, д-р техн. наук, проф.; Кудряшов Александр Евгеньевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.; Еремеева Жанна Владимировна, канд. техн. наук, доцент ФГОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС». Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4. Тел.: + 7 (495) 647 23 09, е-mail: press@misis.ru

Статья поступила 16.09.2009 г.

В Научно-учебном центре самораспространяющегося высокотемпературного синтеза МИСиС-ИСМАН исследованы структура и свойства двухслойных электроискровых покрытий на титановом сплаве ОТ4-1, нанесенных последовательно СВС-электродным материалом СТИМ-2 (Т1С-20% N1) (первичная обработка) и рядом различных углеродсодержащих материалов (вторичная обработка). Установлено, что обработка поверхности углеродсодержащими материалами снижает коэффициент трения, способствует повышению износо- и жаростойкости образцов из титанового сплава.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС); электроискровое легирование (ЭИЛ); углеродсо-держащие материалы; трибологические свойства; жаростойкость; износостойкость; коэффициент трения; электродный материал; рентгенофазовый анализ.

Высокопрочные титановые сплавы находят широкое применение в авиационном машиностроении и автомобилестроении в связи с уникальным сочетанием низкой плотности с высокими значениями прочности, ударной вязкости, трещиностойкости, коррозионной стойкости. Однако при всех своих достоинствах титановые сплавы имеют низкие значения твердости и износостойкости поверхности, склонность к задирам при трении под нагрузкой. Это требует разработки и применения эффективных механизированных технологий модифицирования поверхности.

В настоящее время для нанесения защитных покрытий наиболее актуальны методы, основанные на использовании концентрированных потоков энергии. К таким методам относится электроискровое легирование (ЭИЛ) металлических поверхностей. Вторичная обработка электроискровых покрытий углеродсодержащими материалами позволяет снизить шероховатость и коэффициент трения, а также повысить износостойкость покрытий.

Цель исследования - изучение структуры и свойств двухслойных покрытий на титановом сплаве ОТ4-1, нанесенных СВС-электродным материалом СТИМ-2 и рядом различных углеродсодержащих электродов. В качестве расходуемых электродных материалов (анодов) использовали СВС-электродный материал на основе Т1С-20% №. В качестве углеродсо-держащих электродов использовали различные материалы на основе искусственного графита (табл. 1).

Материалом подложки для осаждения покрытий служил титановый сплав марки ОТ4-1. Размеры образцов для исследований 10x10x5 мм. Покрытия наносили на воздухе на универсальном стенде АНег-Ме1а1 2002, позволяющем управлять энергетическими параметрами электроискровой обработки путем изменения частоты выходных импульсов, их длительности, амплитуды тока в большом диапазоне. Параметры импульсных разрядов при использовании электрода СТИМ-2 и графита: /=170 А, т=60 мкс, /в=800 Гц, /э=600 Гц.

Таблица 1. Использованные углеродсодержащие материалы

Материалы покрытия

Применение

Силицированный композиционный материал Пирографит

Крупнозернистый графит Углеродный графитизированный материал, пропитанный сплавом олово-свинец Графит особо чистый (ОЧ) (производство Германии)

Трехмерный композиционный материал (30)

Мелкозернистый плотный графит (МПГ)

Двухмерный композит КУУМ Антифрикционный с добавками НИГРАН Антифрикционный с добавками ХИМАНИТ

Металлургическая, химическая и нефтехимическая промышленность Ядерная энергетика, химическая промышленность Нагреватели и экраны, тигли

Детали узлов трения для сухого, полусухого и жидкого трения

Лодочки, тигли, технологическая оснастка для получения полупроводниковых приборов

Военная авиация, ракетно-космическая техника, производство спортивного инвентаря, автомобильная и легкая промышленность Контейнеры для плавки полупроводниковых материалов, кристаллизаторы, электроды-инструменты, пресс-формы из различных сталей

Авиационная промышленность, ракетостроение, металлургия

Детали узлов трения машин, приборов и агрегатов, работающих без смазки

Таблица 2. Фазовый состав двухслойных ЭИЛ-покрытий на титановом сплаве ОТ4-1

Фаза Структурный тип Объемная доля, % Массовая доля, % Периоды решетки, нм

Покрытие: СТИМ-2 + пироуглерод

a-Ti (type A3) hP2/1 7 7 а = 0,2970, с = 0,4687

Ti (C,N) (type B1) cF8/2 8 23 8 28 а = 0,4263

Ti C (type B1) hP4/1 cF8/2 20 42 10 47 а = 0,4319

Покрытие: СТИМ-2 + ЭБ-композит

a-Ti (type A3) hP2/1 9 8 а = 0,2950, с = 0,4666

Ti (C,N) (type B1) cF8/2 8 21 8 24 а = 0,4267

Ti C (type B1) hP4/1 cF8/2 8 54 4 56 а = 0,4318

Покрытие: СТИМ-2 + графит, пропитанный Pb-Sn

a-Ti (type A3) hP2/1 8 7 а = 0,2952, с = 0,4665

Ti (C,N) (type B1) cF8/2 11 30 11 32 а = 0,4250

Ti C (type B1) hP4/1 cF8/2 15 29 7 29 а = 0,4295

Pb Ti4 (type D0.19) Sn-Pb (type A5) cF4/1 hP8/3 tI4/1 2 4 1 6 6 2 а = 0,5953, с = 0,4758 а = 0,6069, с = 0,3572

Таблица 3. Фазовый состав образцов из титанового сплава ОТ4-1 с двухслойными ЭИЛ-покрытиями после испытания на жаростойкость

Фаза Структурный тип Объемная доля, % Массовая доля, % Периоды решетки, нм

Покрытие: СТИМ-2 + силицированный граф ит

TiO2 (рутил, type C4) P-Ti (type A2) tP6/1 cI2/1 80 1 78 1 а = 0, 4592 с = 0,2960 а = 0,3275

NiTiO3(type D5.1) cF8/2 hR10/1 11 3 13 4

a-Ti (type A3) hP16/2 hP2/1 3 2 3 1 -

Покрытие: СТИМ-2 + пироуглерод

Ti02 (рутил, type C4) tP6/1 91 89 а = 0,4593, с = 0,2960

NiTiO3 (type D5.1) hR10/1 9 11 а = 0,5032, с =1,3809

Покрытие: СТИМ-2 + 3D композит

TiO2 (рутил, type C4) NiTiO3 (type D5.1) tP6/1 hR10/1 97 3 96 4 а = 0,4592, с = 0,2959 а = 0,5033, с =1,3821

Съемку рентгеновских спектров проводили на автоматизированном дифрактометре марки ДРОН с использованием монохроматизированного Си-Ка излучения (длина волны излучения 0,154178 нм). Съемку вели по точкам (шаговое сканирование) в интервале углов 26 10о-110°, шаг съемки составлял 0,1°, экспозиция 2 с [1].

Жаростойкость покрытий оценивали по привесу окисленных на воздухе образцов в электропечи марки

SNOL 7,2/1200 (Литва). Образцы помещали в алундовые тигли, которые были установлены на одну платформу. Исследования проводили при 750 °С, продолжительность эксперимента 51 ч. Привес образцов определяли на аналитических весах марки KERN-770 с точностью 105 г.

Коэффициент трения покрытий определяли с помощью трибометра фирмы CSM Instruments (Швейцария) по схеме ball-on-disk [2]. В качестве контртела использовали шарики из сплава WC-6% Co, диаметром 3 мм. Линейная скорость образцов с покрытием составляла 10 см/с, нагрузка - 5,0 Н. Значения коэффициента трения в зависимости от длины пробега контртела обрабатывали непрерывно на компьютере при помощи программы Instrum Х. Длина пробега контртела по покрытию составляла 150 м.

Износостойкость покрытий измеряли на оптическом профи-лометре Veeco WYKO NT 1100. Критерием износостойкости образцов являлась глубина дорожки износа после трибологи-ческих исследований.

Проведенным рентгенофа-зовым анализом (РФА) установлено, что титановый сплав ОТ4-1 (материал подложки) состоит из одной фазы a-Ti. В результате ЭИЛ-обработки титанового сплава ОТ4-1 электродным материалом СТИМ-2 (однослойное покрытие) в сформированном покрытии наблюдаются следующие фазы: свободный титан (a-Ti; материал подложки), высокотемпературная модификация титана p-Ti, а также карбонитрид титана Ti(C, N) и карбид титана TiC (табл. 2). Как видно, в покрытиях наблюдается свободный титан, карбонитрид титана, карбид титана, а также свободный графит в количестве 4-10%.

Результаты исследований на жаростойкость приведены на рисунке. Максимальную скорость окисления 26,9 и 26,6 г/м2 после 51-ч эксперимента имеют, соответственно, образец с покрытием, нанесенным электродами СТИМ-2 + пироуглерод и образец без покрытия из титанового сплава ОТ4-1. Мини-

3

Таблица 4. Результаты трибологических испытаний ЭИЛ-покрытий (Р = 5 ^

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ч

- 3Б композит

- силицированный электродный материал

-графит, пропитанный Бп-РЪ

мелкопористый графит

- пироуглерод

- двухмерный композит

крупнозернистый - -•- - графит 04 графит (Германия)

—9— нигран --♦■- химонит

-□ - СТИМ-2 - - ОТ4-1

Зависимость изменения массы образцов от времени выдержки в печи при Т=750 °С

мальную скорость 11,9 г/м2 окисления имеет образец с покрытием, нанесенным последовательно электродами СТИМ-2 и силицированным графитом.

Применение вторичной обработки углеродсодер-жащими материалами способствует тому, что в порах покрытий остается свободный углерод, который и защищает покрытие от высокотемпературного воздействия. В то же время, вторичная электроискровая обработка углеродсодержащими материалами способствует повышению пористости покрытий, что после выгорания углерода приводит к увеличению скорости окисления ЭИЛ-покрытия.

Результаты РФА титанового сплава ОТ4-1 (материал подложки) после окисления на воздухе в течение 51 ч показали, что в поверхностном слое образца наблюдаются две фазы: оксид титана (рутил) и следы нитрида титана (1%).

После окисления на воздухе образца с покрытием, нанесенным электродом СТИМ-2, в поверхностном слое наблюдаются следующие фазы: оксид титана (рутил), карбонитрид титана, двойной оксид никеля и титана №ТЮ3. Количество оксидов в образце достигает 97%.

Во всех двухслойных покрытиях отсутствуют фазы с содержанием углерода, что свидетельствует о выгорании углерода в результате продолжительного высокотемпературного воздействия. Фазовый состав двухслойных покрытий приведен в табл. 3.

Электродный материал Углеродсодержащий электрод (вторичная обработка) К тр (конечный) Пробег контртела, м

ОТ4-1 (образец без покрытия) - 0,53 3

- 0,47 9,1

ХИМОНИТ 0,20 150

НИГРАН 0,21 150

СТИМ-2 Пирографит 0.23 150

КУУМ 0,22 150

ЗБ-композиционный материал 0,46 150

В ходе трибологических испыта

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком