научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА ИЗНОСОСТОЙКОГО НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СЛОЯ, УПРОЧНЕННОГО ЧАСТИЦАМИ TIO2 (РУТИЛА) Физика

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА ИЗНОСОСТОЙКОГО НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СЛОЯ, УПРОЧНЕННОГО ЧАСТИЦАМИ TIO2 (РУТИЛА)»

^ ПРОЧНОСТЬ

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.295:539.538

ФОРМИРОВАНИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА ИЗНОСОСТОЙКОГО НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СЛОЯ, УПРОЧНЕННОГО ЧАСТИЦАМИ TiO2 (РУТИЛА)

© 2013 г. Л. Г. Коршунов, Н. Л. Черненко

Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

e-mail: korshunov@imp.uran.ru Поступила в редакцию 14.12.2012 г.

Исследовано влияние механико-термической обработки, включающей интенсивную пластическую деформацию в условиях сухого трения скольжения и последующий нагрев в воздушной среде до температур 350—650°С (выдержка 1 ч) на структуру и износостойкость технически чистого титана ВТ1-0. Показано, что деформация в условиях трения приводит к образованию в поверхностном слое толщиной до 10 мкм титана нанокристаллической структуры, характеризующейся размером а-кри-сталлов 20—100 нм. Нагрев и часовая выдержка при температурах 450—650°С в воздушной среде деформированного трением титана вызывает формирование в слое толщиной около 10 мкм данного материала нанокристаллических частиц окисла TiO2 (рутила) объемная доля которых составляет десятки процентов, а размер — 10—40 нм. Наличие в поверхностном слое титана нанокристаллической двухфазной а-титан + рутил структуры обеспечивает значительное увеличение сопротивления изнашиванию титана ВТ1-0 в паре со сталью 40Х13. Это объясняется повышенной прочностью рассматриваемого нанокристаллического слоя и его положительным влиянием в качестве переходного слоя на снижение уровня внутренних напряжений, существующих на границе окисла TiO2 с металлом.

Ключевые слова: деформирование трением, нагрев, нанокристаллический слой, частицы TiO2 (рутила), трибологические свойства.

DOI: 10.7868/S0015323013070061

ВВЕДЕНИЕ

Титан и сплавы на его основе характеризуются склонностью к интенсивному схватыванию и высоким коэффициентом трения в паре со сталью и другими металлическими материалами [1—4], что ограничивает применение в узлах трения данных ценных по комплексу механических, коррозионных и медико-биологических свойств конструкционных материалов. Для повышения трибологических свойств титана и титановых сплавов обычно применяют поверхностное упрочнение с использованием различных способов химико-термической обработки (оксидирования, азотирования, йодирования и др.). Наиболее эффективным и распространенным из них является оксидирование, которое реализуется в условиях нагрева титановых изделий в печах при температурах 700—800°С в течение 1—12 ч [1]. Формирующийся при этом диффузионный слой имеет толщину 20—50 мкм и состоит из трех зон. Наружная зона представляет собой рутил (1Ю2), в средней зоне присутствует соединение типа НО и далее расположена третья зона — твердый раствор кислорода в а-титане [1]. Показана возможность получения при температу-

ре оксидирования 850°С и медленном охлаждении (с печью) относительно толстых (>100 мкм), износостойких слоев рутила, обладающих повышенными прочностью связи с основой и износостойкостью [4]. Указанные традиционные способы оксидирования предполагают нагрев титана и его сплавов до высоких температур, что отрицательно сказывается на прочностных свойствах данных материалов, а также усиливает вероятность коробления и поводки изделий из титана. Поэтому, важное практическое значение имеет создание способов низкотемпературного оксидирования титана и его сплавов. В работе [5], было показано, что в поверхностном слое толщиной порядка 10 мкм нике-лида титана с помощью комбинированной обработки, включающей интенсивную пластическую деформацию в условиях сухого трения скольжения и нагрев на воздухе до температур 400—480°С (выдержка 1ч), может быть сформирована двухфазная (НО2 + В 2) нанокристаллическая структура, обладающая повышенным сопротивлением адгезионному изнашиванию. Рассматриваемая структура расположена непосредственно под поверхностной пленкой окисла. Подобная нанокристал-лическая структура возникает в никелиде титана также непосредственно в процессе трения с повы-

шенными скоростями скольжения, когда происходит значительный фрикционный нагрев поверхностного слоя рассматриваемого материала [6].

Интенсивная пластическая деформация металлической поверхности в условиях трения характеризуется развитием ротационных механизмов пластичности, которые приводят к формированию в тонком (~10мкм) поверхностном слое практически любых металлических материалов нанокристалли-ческого состояния [7]. Высокая дефектность данного структурного состояния, характеризующаяся прежде всего большой протяженностью границ зерен и субзерен, способствует активизации в нано-кристаллическом материале диффузионных процессов [8]. Деформированный трением поверхностный слой никелида титана интенсивно насыщается кислородом, атомы которого активно вступают в реакцию с атомами титана. При этом нанокристаллический оксид ТЮ2 в количестве десятков объемных процентов возникает уже при относительно невысоких температурах нагрева в течение короткого времени [5, 6]. Существенный интерес представляет изучение возможности создания в поверхностном слое титана износостойкой нанокристаллической структуры, состоящей из кристаллов матрицы и упрочняющей фазы — рутила, за счет применения комбинированной обработки, которая включает интенсивную пластическую деформацию трением и последующий нагрев в воздушной среде. В современной литературе данный вопрос не получил заметного развития. Настоящая статья посвящена исследованию влияния интенсивной пластической деформации поверхности, осуществляемой в условиях сухого трения скольжения, и последующего нагрева в воздушной среде на микроструктуру, износостойкость и коэффициент трения технического титана.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалом исследования служил титан марки ВТ1-0 в виде листа толщиной 2 мм в состоянии поставки, имеющего микроструктуру полиэдрической а-фазы. Микротвердость данной структуры у электрополированных образцов составляла 1420 МПа. Исследуемые образцы представляли собой пластинки размером 7 х 7 х 2 мм. Рабочую поверхность образцов (7 х 7 мм) подвергали механическому шлифованию на абразивных корундовых шкурках до получения 8 класса шероховатости (Яа = 0.5 мкм). Часть образцов подвергали фрикционному деформированию в режиме однократного сканирования скользящим цилиндрическим индентором из кубического нитрида бора диаметром 7 мм и длиной 5 мм. Фрикционное деформирование образцов выполняли без смазки на воздухе при комнатной температуре. Длина ра-

бочего хода индентора составляла 8 мм, нормальная нагрузка — 98 Н, скорость скольжения — 0.014 м/с, поперечное смещение образца за один двойной цикл нагружения — 0.12 мм, общее число двойных циклов нагружения — 90. Вследствие малой скорости скольжения фрикционный нагрев образцов практически отсутствовал. Образцы, находящиеся в исходном (недеформированном) состоянии, и образцы, подвергнутые фрикционной обработке, затем нагревали до различных (350—650°С) температур в воздушной атмосфере и после часовой выдержки охлаждали на воздухе. Трибологические испытания титановых образцов, как и их фрикционную обработку, выполняли с использованием лабораторной установки (стенда), сконструированной на базе строгального станка. Испытания образцов на трение и изнашивание выполняли по схеме "плоский образец—пластина" при комнатной температуре на воздухе без смазки в условиях адгезионного изнашивания. Образец, совершая возвратно-поступательное движение, скользил своей плоской частью (7 х 7 мм) по поверхности контртела — пластины размером 10 х 25 х 60 мм из стали 40Х13, ,подвергнутой закалке от 1050°С в масле и отпуску при 250°С — 2 ч (HRC = 53). Скорость скольжения составляла — 0.07 м/с, нагрузка — 15.7 Н, число двойных ходов образца — 1000, длина рабочего хода образца — 4 см, путь трения — 8000 см. Вследствие небольшой скорости скольжения фрикционный нагрев был незначителен — температура в поверхностном слое толщиной 0.5 мкм образца не превышала 50°С. В процессе испытания непрерывно измеряли и регистрировали силу трения. Интенсивность изнашивания образцов Ih рассчитывали по формуле: Ih = AMu/pSq, где ДМм — потери массы образца, г; р — плотность материала, г/см3; S — путь трения, см; q — геометрическая площадь контакта, см2. Коэффициент трения определяли как отношение средней интегральной силы трения за время испытания к нормальной нагрузке.

Структуру сплава исследовали с помощью металлографического, рентгеновского, электронно-микроскопического (просвечивающая и сканирующая микроскопия) методов анализа [5—7]. Электронно-микроскопическое исследование выполняли на микроскопах JEM-200CX и Quanta 200. Приготовление титановых фольг осуществляли посредством одностороннего и двухстороннего электролитического полирования в струе хлорно-уксусного (1 : 10) электролита. Микротвердость материалов измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0.2 Н. Рентгеновский фазовый анализ поверхности образцов проводили на дифрактометре ДРОН-05 с использованием железного Za-излучения.

* 4

и?

V

(г)

Рис. 1. Электронные микрофотографии структуры титана ВТ1-0:

а — состояние поставки; б, в — после фрикционной обработки, поверхностный слой толщиной 1—5 мкм, соответственно светлопольное и темнопольное в рефлексе (10.0)а изображения; г, д — поверхностный слой толщиной 5—10 мкм соответственно светлопольное и темнопольное в рефлексе (10.0)а изображения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1а представлена полиэдрическая структура находящегося в состоянии поставки титана ВТ1-0. Микротвердость данной структуры составляет 1420 МПа. В результате интенсивной пластической деформации трением в поверхностном слое толщиной порядка несколько мкм титана возникает нанокристаллическая структура а-фазы, характеризующаяся размером кристал-

литов 20—100 нм. (рис. 1б, 1в). Нанокристаллы а-фазы сильно разориентированы друг относительно друга. Внутри кристаллитов наблюдается значительная плотность дислокацией. Заметной текстуры у нанокристаллов а-фазы не выявляется. Микротвердость, измеренная непосредственно на деформированной трением поверхности образцов (на ее гладких участках), составляет 2800 МПа. Таким образом, в результате д

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