ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 10, с. 1090-1099
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.295786:539.538:539.25
ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ, МИКРОТВЕРДОСТЬ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ТИТАНА, ПОДВЕРГНУТОГО ГАЗОВОМУ АЗОТИРОВАНИЮ
© 2014 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 28.01.2014 г.; в окончательном варианте — 03.04.2014 г.
Исследовано влияние интенсивной пластической деформации в условиях сухого трения скольжения на структуру, микротвердость и сопротивление изнашиванию титана ВТ1-0, подвергаемого газовому азотированию. Показано, что данная деформация приводит к образованию в поверхностном слое толщиной до 10 мкм нанокристаллической структуры с размером а-кристаллов 10—100 нм и микротвердостью ~3.1 ГПа. Наличие данной структуры активизирует насыщение азотом поверхности титана в процессе его последующего газового азотирования при температурах 650—750°С. Образование нитридной нанокристаллической фазы TiN в деформированном титане происходит при относительно невысокой (700°С) температуре азотирования и непродолжительной (2 ч) выдержке. Объемная доля нитридной фазы, образующейся в слое толщиной до 10 мкм, достигает десятков процентов, что обеспечивает повышенный уровень микротвердости азотированной поверхности деформированного трением титана, Предварительная интенсивная пластическая деформация отрицательно влияет на сопротивление усталостному изнашиванию азотированного титана, что обусловлено повышенной хрупкостью деформированного и далее азотированного поверхностного слоя рассматриваемого материала.
Ключевые слова: деформирование трением, азотирование нанокристаллического слоя, структура и износостойкость.
DOI: 10.7868/S001532301410009X
1. ВВЕДЕНИЕ
Азотирование является одним из наиболее эффективных способов повышения твердости и износостойкости титана и его сплавов, которые характеризуются низкой износостойкостью, склонностью к интенсивному схватыванию в контакте со многими металлическими материалами [1—3]. Традиционное газовое азотирование титана обычно осуществляют при температурах 850—950°С, когда в металле активно развиваются процессы термического разупрочнения, приводящие к существенному снижению объемной прочности рассматриваемого материала [1]. Поэтому важное практическое значение имеет разработка новых технологий азотирования, обеспечивающих ускоренное насыщение поверхности титана азотом при невысоких температурах азотирования, когда материал основы еще сохраняет значительную прочность. Показано, что создание в поверхностном слое титана с помощью интенсивной пластической деформации высоко дефектной нанокри-сталлической структуры, характеризующейся большой протяженностью границ, приводит к ак-
тивизации насыщения поверхности титана азотом и ускорению формирования нитридных фаз в условиях последующего азотирования в низкотемпературной плазме [4]. Так, применение предварительной интенсивной пластической деформации понизило с 800 до 550°С температуру формирования высокопрочного азотированного слоя толщиной ~10 мкм, содержащего нитриды и матрицу — пересыщенный твердый раствора азота в а-титане. В данном случае для нано-структуриро-вания титана применяли специальную поверхностную механическую обработку —SMAT (surface mechanical attrition treatment) [5, 6], при которой пластическое деформирование титана происходило в условиях ударного воздействия на его поверхность шаров диаметром 10 мм из титанового сплава, вибрирующих с частотой 20 кГц. Технологичным и эффективным способом создания нанокристаллической структуры на поверхности практически любых металлических материалов является пластическая деформация, реализуемая в условиях трения скольжения, когда в зоне металлического контакта создаются большие ло-
кальные сжимающие и сдвиговые напряжения, способствующие развитию ротационных механизмов деформации в тонком (~10 мкм) поверхностном слое материалов [7, 8]. Создание на поверхности титана, а также никелида титана нано-кристаллической структуры трения существенно ускоряет диффузионное насыщение поверхности кислородом и формирование окисла ТЮ2 при последующем оксидировании данных материалов в воздушной среде [9—12]. Это обусловливает образование в слое титана и никелида титана толщиной до 10 мкм большого количества (десятки объемных процентов) нанокристаллических частиц окисла ТЮ2 (рутила), присутствие которых значительно увеличивает твердость, теплостойкость и износостойкость поверхностного слоя рассматриваемых материалов. Приведенные выше факты дают основание ожидать существенного влияния предварительной интенсивной пластической деформации на твердость и износостойкость титана, подвергаемого не только низкотемпературному плазменному, но и традиционному газовому азотированию. В современной литературе данный вопрос практически не был рассмотрен.
Настоящая статья посвящена исследованию влияния интенсивной пластической деформации, осуществляемой в условиях сухого трения скольжения, на формирование структуры, твердость и сопротивление изнашиванию титана ВТ1-0, подвергнутому далее газовому азотированию в течение 2 ч при относительно невысоких (500—750°С) температурах насыщения, лежащих в области существования а-твердого раствора.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалом исследования служил титан марки ВТ1-0 в виде листа толщиной 2 мм в состоянии поставки. Исследуемые образцы представляли собой пластинки размером 7 х 7 х 2 мм3. Рабочую поверхность образцов (7 х 7 мм2) подвергали механическому шлифованию на абразивных корундовых шкурках до получения 8 класса шероховатости (Ба = 0.5 мкм). Микротвердость поверхности образцов составляла 2.3 ГПа. Часть образцов подвергали фрикционному деформированию в режиме однократного сканирования их рабочей поверхности скользящим цилиндрическим ин-дентором из кубического нитрида бора диаметром 7 мм и длиной 5 мм (рис. 1). Фрикционное деформирование образцов выполняли без смазки на воздухе при комнатной температуре. Длина рабочего хода индентора составляла 8 мм, нормальная нагрузка — 98 Н, скорость скольжения — 0.014 м/с, поперечное смещение образца за один двойной ход индентора (цикл нагружения) — 0.12 мм, общее число циклов нагружения — 90. Вследствие малой скорости скольжения фрикционный нагрев образцов практически отсутствовал. Взаимо-
Рис. 1. Схема фрикционного деформирования образцов из титана ВТ1-0.
действие титана с индентором (нитрид бора) носило преимущественно адгезионный характер, что приводило к интенсивной пластической деформации и переносу титана на контактную поверхность индентора. Образцы, находящиеся в исходном (не-деформированном) состоянии, и образцы, подвергнутые деформированию в условиях трения, азотировали в газовой атмосфере, представляющей собой смесь азота с продуктами пиролиза карбамида [13]. Азотирование выполняли при температурах 500— 750°С в течение 2 ч. Трибологические испытания титановых образцов, как и их фрикционную обработку, выполняли с использованием лабораторной установки. Испытания образцов на трение и изнашивание выполняли по схеме "плоский образец—пластина" при комнатной температуре на воздухе без смазки. Образец, совершая возвратно-поступательное движение, скользил своей рабочей 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 (ИБС = 53). Скорость скольжения составляла 0.07 м/с, нагрузка — 29.4 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 образца в поверхностном слое толщиной 0.5 мм не превышала 50°С. В процессе данного фрикционного воздействия измеряли и регистрировали силу трения. Интенсивность изнашивания образцов 1Н рассчитывали по формуле: 1Н = = ЛМм/рSq, 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.
Рис. 2. Структура титана ВТ1-0 в состоянии поставки: а, б — светлопольное и темнопольное изображения.
Структуру сплава исследовали металлографическим и электронно-микроскопическим (просвечивающая и сканирующая микроскопия) методами [7, 8, 11, 12]. Электронно-микроскопическое исследование выполняли на микроскопах JEM-200CX и Quanta 200. Приготовление фольг для электронно-микроскопического исследования осуществляли посредством одностороннего и двухстороннего электролитического полирования в струе хлорно-уксусного электролита (1 : 10) заготовок толщиной 70—100 мкм, полученных путем электроискровой резки и механического шлифования. Микротвердость материалов измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузках 0.098; 0.196; 0.49; 0.98 и 1.96 Н.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Изменение структуры и микротвердости титана ВТ1-0 после деформации и азотирования. На
рис. 2 приведена структура титана ВТ1-0, находящегося в состоянии поставки. Данная структура представляет собой полиэдрические зерна а-фа-зы, в которых присутствуют двойники. Интенсивная пластическая деформация трением формирует в поверхностном слое титана толщиной порядка несколько мкм нанокристаллическую структуру а-фазы (рис. 3а, 3б). Нанокристаллы а-фазы сильно разориентированы друг относительно друга. В них наблюдается высокая плотность дислокаций. Размеры а-кристаллов лежат в интервале 10—60 нм. При этом заметной текстуры у нанокристаллов а-фазы не выявляется. Микротвердость, измеренная на поверхности деформированных трением образцов, составляет 3.1 ГПа. С ростом расстояния от поверхности трения до ~10 мкм структура титана остается дисперсной. Максимальный размер кристаллитов а-фазы возрастает до 100 нм. Наблюдается сильная текстуро-ванность кристаллитов, о которой можно судить по наличию текстурных максимумов на микроэлек-
тронограммах
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.