УДК 621.794.6:621.357.8
ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
© Кривенков Алексей Олегович, канд. техн. наук, e-mail: krivenkov80@yandex.ru;
Чугунов Сергей Николаевич, канд. техн. наук, e-mail: metal@pnzgu.ru; Крюков Дмитрий Борисович, канд. техн. наук, e-mail: metal@pnzgu.ru; Баранов Антон Николаевич, e-mail: metal@pnzgu.ru; Гуськов Максим Сергеевич, e-mail: metal@pnzgu.ru ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет». Россия, г. Пенза Статья поступила 11.03.2015 г.
Рассмотрен эффективный способ повышения триботехнических свойств композиционных материалов на основе титана, полученных с использованием методов высокоэнергетического воздействия: сварки взрывом с последующим микродуговым оксидированием. Приведены сведения о составах электролитов для микродугового оксидирования композиционных материалов на основе титана. Установлено влияние химического состава электролита, состава оксидного покрытия, его микротвердости и дополнительной обработки на износостойкость композиционных материалов.
Ключевые слова: композиционный материал; микродуговое оксидирование; износостойкость; величина износа; коэффициент трения; микротвердость.
Благодаря небольшой плотности, достаточной прочности и высокой коррозионной стойкости титан и его сплавы находят широкое применение в качестве конструкционного материала, например, для изделий авиа-, машино- и приборостроения, медицины. Однако вследствие относительно низкой износостойкости и повышенного коэффициента трения в паре со многими металлическими материалами [1-3] применение титана существенно ограничивается. В связи с этим актуальна разработка новых композиционных материалов и способов их получения, способствующих увеличению износостойкости, снижению коэффициента трения и повышению ресурса работы и надежности изделий. Установлено, что эффективным способом повышения триботехнических свойств титана является микродуговое оксидирование (МДО).
МДО представляет собой электрохимический процесс модификации поверхности вентильных металлов (А1, И, 2г, ЫЬ и др.) и их сплавов, позволяющий формировать на них оксидные слои, содержащие как оксиды основного металла, так и оксиды и соединения на основе компонентов электролита [4-6]. Химический состав покрытий, формируемых МДО, определяется видом обрабатываемого материала, режимами процесса и компонентами электролита, попавшими в зону действия электрического пробоя. Следовательно, МДО обеспечивает возможность изменения состава анодных слоев на обрабатываемых материалах и существенно расширяет
области их применения. Исследованиями установлено, что технология МДО не позволяет получать одинаковую износостойкость упрочненных оксидных слоев, так как при приближении к поверхностным слоям их твердость незначительно снижается [4], что связано со спецификой формирования оксидного слоя в режиме образования микродуговых разрядов.
Основная задача исследований заключается в определении взаимосвязи составов электролита и режимов МДО с триботехническими характеристиками композиционных материалов на основе титана ВТ1-0. Для эксперимента были отобраны пять групп образцов (по три образца в каждой) армированных композиционных материалов на основе титана ВТ1-0, полученных с применением новой схемы армирования [7], с перфорированными армирующими элементами из сплава АМг5М. Образцы получены сваркой взрывом с последующим МДО для придания им требуемого комплекса свойств, в частности повышения три-ботехнических характеристик. Составы электролитов и режимы МДО армированных композиционных материалов (далее композиционных материалов) приведены в табл. 1. Толщина оксидных покрытий образцов композиционных материалов групп № 2-5 составляет 90100 мкм.
Экспериментальная часть включает исследования композиционных материалов на износостойкость согласно стандартной методике (ГОСТ 5 Р 9.318-2013) по методу Табера ; с использованием абразиметра ® - прибора Табера; определе- ^ ние коэффициента трения - по Ц ГОСТ Р 9.318-2013 с использо- |
Таблица 1. Составы электролитов и режимы МДО композиционных материалов на основе титана ВТ1-0
Номер Состав раствора Режимы микродугового оксидирования
группы электролита, г/л )> А/дм2 и, В род тока Т, °С т, мин
1 Композиционные материалы без покрытия
2 Л^О^, 40-50; Ыа2В407-10Н20, 6-8; Ыа2804, 8-12 50-60 260-380 Пост. 20-45 15-20
ЫаЛЮ2, 5-8;
3 Ыа2804, 6-12; Ыа2В4(07-10Н20, 8-10 40-50 320-330 Пост. 20-30 5-10
КОН, 2-4;
4 Ыа28Ю3, 5-6; ТЮ2, 30-40; 8Ю2, 5-10 30-40 320-460 Перемен. 20-40 10-15
ЫаОН, 14-15;
5* Ыа3Р04, 8-10; Ыа28Ю3, 170-180; КМп0„ 8,0-10 4' ' 45-50 320-330 Пост. 20-25 10-12
* Образцы подвергнуты термической обработке: нагрев до 680-720 °С со скоростью не более 800 град/ч, последующий нагрев до 950-1000 °С со скоростью не более 250 град/ч, выдержка при этой температуре в течение 15-20 мин и охлаждение со скоростью не более 300 град/ч [8].
ванием высокотемпературного трибометра, работающего в режиме вращательного движения (метод «шар на диске»). Износ покрытий по методу Табера (Т, мг) в пересчете на 1000 циклов, вычисляли по формуле:
Т = (т1 - т2)/п-1000, (1)
где т1, т2 - масса образца до испытания и после заданного числа циклов испытаний, мг, соответственно; 1000 - стандартное число циклов по Таберу; п - число циклов проведенных испытаний.
В табл. 2 приведены изменения массы образцов композиционных материалов (по группам, соответствующим обозначениям в табл. 1) в процессе их испытания на приборе Табера.
Исследования образцов композиционных материалов выявили, что для образцов группы № 1 без покрытия в процессе испытаний наблюдается равномерный износ 2,15±0,2 мг на 1000 циклов, коэффициент трения при этом составлял 0,75-0,85.
Для образцов группы № 2 с оксидными покрытиями в первые 4000 циклов испытания наблюдается равномерный износ 1,3±0,1 мг на 1000 циклов, коэффициент трения при этом со-
ставляет 0,52-0,54. Затем после 5000 циклов испытаний в результате изнашивания оксидного покрытия до материала основы наблюдается постепенное увеличение износа до 2,0±0,1 мг на 1000 циклов, что сопровождается ростом коэффициента трения до 0,7-0,75. Изнашивание образцов группы № 2 до материала основы можно объяснить сравнительно небольшой микротвердостью оксидных слоев (8,0-9,0 ГПа), их равномерной структурой и отсутствием слоистости.
Для образцов группы № 3 с другими оксидными покрытиями в процессе испытаний наблюдается равномерный износ 0,8±0,1 мг на 1000 циклов, коэффициент трения составляет 0,38-0,45. Величина износа оксидных слоев несколько снижается по сравнению с образцами группы № 2, что можно объяснить большей микротвердостью оксидных слоев (11,0-14,0 ГПа). Равномерный износ оксидных слоев образцов группы № 2 в процессе испытаний очевидно связан с их равномерной микротвердостью, структурой и отсутствием слоистости.
Выявлено, что покрытия образцов группы № 4, полученные МДО в растворах силикатно-щелочных электролитов, имеют слоистую структуру, что подтверждается исследованиями их структуры и микротвердости. Установлено, что в покрытии выделяются три зоны -слоя (см. рисунок). На начальной
Таблица 2. Масса образцов в процессе их испытания на приборе Табера
Номер группы Масса образцов композиционных материалов (мг) после испытания при числе циклов Общий износ, мг
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
1 27 935,7 27 933,8 27 931,9 27 929,9 27 927,6 27 925,1 27 922,8 27 920,6 15,1
2 26 790,1 26 788,9 26 787,6 26 786,2 26 784,8 26 782,8 - - 7,3*
3 27 838,0 27 837,2 27 836,5 27 835,8 27 835,2 27 834,6 27 834,0 27 833,3 4,7
4 27 025,1 27 023,5 27 022,4 27 021,8 27 021,4 27 021,1 27 020,8 27 020,6 4,5
5 27 046,1 27 045,7 27 045,4 27 045,1 27 044,8 27 044,7 27 044,5 27 044,4 1,7
* Изнашивание до металлической основы.
Микрофотография (х600) оксидного покрытия, сформированного на композиционных материалах на основе титана ВТ1-0 в силикатно-щелочном электролите (Группа № 4): 1 - материал основы (ВТ1-0); 2 - переходный (барьерный), 3 - основной рабочий и 4 - наружный слои покрытия
стадии МДО формируется тонкий (менее 1 мкм), плотный беспористый барьерный слой, непосредственно прилегающий к металлу. Для этой стадии оксидирования характерен резкий подъем напряжения вследствие роста электросопротивления оксидного слоя. При толщине барьерного слоя около 0,5-1 мкм возникают искровые разряды с одновременным протеканием двух процессов: электрохимического окисления и разрыхления искрами формирующегося покрытия при переходе процесса в микродуговой режим, что сопровождается ростом толщины покрытия композиционного материала. Основной рабочий слой имеет толщину до 100 мкм в зависимости от режимов МДО и микротвердость 18,0-20,0 ГПа, что свидетельствует о наличии в ней твердофазных растворов силицидов титана. Наружный слой покрытия контактирует с раствором электролита, что приводит к его частичному подтравливанию и разрыхлению под воздействием микродуг при МДО. При этом увеличиваются пористость и рыхлость наружного слоя, растет шероховатость Яа до 6,3 мкм и снижается микротвердость до 9,5-11,0 ГПа.
Таблица 3. Износостойкость образцов композиционных материалов на основе титана ВТ1-0 после испытаний, включающих 7000 циклов
Номер группы Т , мг ср Износ оксидного слоя относительно основного материала (Тср1/Тср.)
1 2,15 1
2 1,04 1,5
3 0,67 3,2
4 0,64 3,4
5 0,24 9,0
Исследования износостойкости образцов группы № 4 выявили, что первые 2000 циклов испытания композиционные материалы имеют максимальную величину износа 1,3±0,2 мг на 1000 циклов, что в 1,6-1,7 раза больше износа образцов группы № 3. Это объясняется слоистой структурой покрытий композиционного материала данной группы и высокими значениями коэффициента трения (0,5-0,6) вследствие интенсивного изнашивания рыхлого наружного оксидного слоя, имеющего невысокую микротвердость (9,511,0 ГПа). В конце эксперимента величина износа образцов группы № 4 уменьшается до 0,3±0,1 мг на 1000 циклов, что связано со снижением коэффициента трения до 0,35-0,4 в резуль
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.