CC BY
23
Антифрикционные свойства карбидсодержащего слоя на титановом сплаве ВТ1-0
И. Г. Жевтунаб, П. С. Гордиенкоа, Д. В. Машталяра, А. В. Пузьа, А. А. Юдаковав
а Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии ДВО РАН, пр-т 100-летия Владивостока, 159, г. Владивосток, 690022, Россия, e-mail: jevtun_ivan@mail.ru бФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владивостокский государственный университет экономики и сервиса, ул. Гоголя, 41, г. Владивосток, 690014, Россия вФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Дальневосточный федеральный университет, ул. Суханова, 8, г. Владивосток, 690950, Россия
Представлены результаты исследования антифрикционных свойств поверхности технически чистого титана ВТ 1-0, подвергнутого электродуговой обработке в водном электролите. Приводятся и обсуждаются изменения коэффициента трения поверхности при скратч-тестировании алмазным индентором и при проведении трибологических испытаний.
Ключевые слова: титановые сплавы, карбид титана, композит, антифрикционные свойства.
УДК 669.017
ВВЕДЕНИЕ
Титановые сплавы, широко применяемые во многих отраслях благодаря важным эксплуатационным характеристикам (низкая плотность, высокая прочность и коррозионная стойкость), имеют при этом низкие антифрикционные свойства, обусловленные высокой активностью титана [1].
Одним из эффективных методов повышения антифрикционных свойств титановых сплавов является электродуговая обработка поверхности с использованием графитового анода в водном электролите [2]. Значительное увеличение износостойкости сплава, а также его стойкости к окислению в результате данной обработки обусловлено формированием в поверхностном слое глубиной до 2 мм гетерогенной микроструктуры, состоящей из тонкодисперсных зерен ТЮ, хаотично расположенных в титановой матрице
[3, 4].
Цель настоящей работы - изучение влияния электродуговой обработки титановых сплавов на антифрикционные свойства их поверхности на примере титана ВТ1-0.
МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Дуговой разряд возбуждали между графитовыми электродами (анод) и образцами из титанового сплава ВТ1-0 (катод) в водном растворе 0,1-0,2% №С1. Зазор между электродами составлял не более одного миллиметра, сила тока в цепи - до 100 А. В качестве источника тока использовали сварочную установку ТЮ 200ЛС/БС.
Затем образцы обрабатывали на шлифовальном станке (снимали не более 0,3 мм поверхности).
Скратч-тестирование проводили на установке Revetest-RST («CSM industries», Швейцария). Метод основан на царапании поверхности пирамидкой Виккерса с заданной нагрузкой и регистрацией параметров процесса - силы трения (а также коэффициента трения) и глубины проникновения индентора в поверхность образца. Испытания проводили при линейно увеличивающейся нагрузке - от 1 до 35 Н.
Трибологические испытания осуществляли на установке Tribometer TRB («CSM industries», Швейцария) по схеме «шар-диск» с вращением контртела по радиусу в плоскости образца. Контртело - шарик диаметром 6 мм из стали Ac100Cr6 (Российский аналог - ШХ15). Параметры отдельного испытания: скорость скольжения - 100 мм/с; суммарный путь трения - 100 м; вертикальная нагрузка - 10 Н. Трение сухое, на воздухе. Износ оценивали по изменению массы образца, а также измерением площади поперечного сечения канавки SK с помощью профило-метра фирмы Taylor Hobson, которым оснащена установка.
При обоих видах испытания коэффициент трения ц определялся путем автоматического пересчета значений силы трения, фиксируемой в непрерывном режиме. Для скратч-теста использовали прямоугольные образцы 20*10*3 мм, для трибологических испытаний - плоские кольца толщиной 3 мм и радиусом 17 мм.
© Жевтун И.Г., Гордиенко П.С., Машталяр Д.В., Пузь А.В., Юдаков А.А., Электронная обработка материалов, 2015, 51(1), 114-117.
Рис. 1. Царапины после скратч-тестирования поверхности сплава ВТ1-0 (а) и карбидсодержащего слоя (б), *10.
2 I 3
н Г Н - , Н Г Нг
36 - 36 - 0,9 1-коэффициент трения з 36 - 36
32 - 32 - 0,8 2-сила трения, Н 32 - 32
3-нагрузка, Н
28 - 28 " 0,7 - 28 - 28
24 - 24 - 0,6 24 - 24
20 - 20 - 0,5 20 - 20
16 - 16 - 0,4 . 16 - 16
12 - 12 - 0,3 12 - 12
VW^ 2
8 - 8 - 0,2 8 - 8
4 - 4 - 0,1 4 - 4
0 - 0 - 0 iiiiii —1-1-1 0 - 0
1,0 4,4 7,8 11,2 14.6 18,0 21,4 24,8 28,2 31,6 Н
7,8 11,2 14,6 18,0 21,4 24,8 28,2 31,6 Н _i_i_i_i_i_i_i_i_i
0,0 0,3
0.6 0,9 1,2
(а)
1,5 1,8 2,1 2,4 2,7
0,0 0,3 0,6
0.9 1.2 (б)
1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 мм
Рис. 2. Зависимость коэффициента трения от нагрузки при испытаниях исходной поверхности (а) и карбидсодержащего слоя (б).
1-глубина проникновения
2-остаточная глубина
s
и Е -10
1-глубина проникновения
2-остаточная глубина
1,0 4,4 7,8 11,2 14,6 18,0 21,4 24,8 28,2 31,6 Н
1,0 4,4 7,3 11,2 14,6 18,0 21,4 24,8 28,2 31,6 Н
-3
0 3 6 9 12 15 18 21 24
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2
1,5 (а)
1,8 2,1 2,4 2,7 мм
0,0 0,3 0,6 0,9 1,:
1.5
(б)
1.:
2,1 2,4 2,7
Рис. 3. Зависимость глубины проникновения индентора к от нагрузки и восстановленная глубина кв (после снятия нагрузки) при царапании исходной поверхности (а) и карбидсодержащего слоя (б).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Скратч-тестирование обработанных и необработанных образцов проводилось после шлифовки поверхности (рис. 1).
Из внешнего вида царапин на исходной поверхности сплава ВТ1-0 (рис. 1а) и на поверхности карбидсодержащего слоя (рис. 1б) можно заключить, что исходная поверхность имеет значительно меньшую твердость и большую вязкость, о чем свидетельствуют как размеры царапин (глубина и ширина), так и наличие борозд внутри царапины на исходной поверхности (рис. 1а).
На рис. 2 приведены характерные зависимости силы трения и коэффициента трения от увеличивающейся нагрузки для исходной (необработанной) поверхности титанового сплава ВТ 1-0 (а) и карбидсодержащего слоя (б). Из рисунка
видно, что после электродуговой обработки коэффициент трения уменьшается в 7-8 раз: на поверхности сплава ВТ1-0 составляет в среднем 0,35-0,4, а для карбидного слоя - около 0,05, что обусловлено присутствием ТЮ, коэффициент трения которого в несколько раз ниже, чем у титана и его сплавов.
На рис. 3 показаны зависимость глубины проникновения индентора к от увеличивающейся нагрузки и восстановленная глубина после снятия нагрузки кв. При одинаковой нагрузке в исходную поверхность индентор проникает на глубину около 75 мкм, а после ее снятия за счет упругости материала глубина уменьшается до 20 мкм, в то время как глубина проникновения индентора в поверхность карбидного слоя составляет около 21 мкм, а после снятия нагрузки -около 4 мкм. Такое различие между исходной
поверхностью и карбидным слоем объясняется не только высокой твердостью последнего, но и сохранением упругости титановой матрицы.
Результаты серии подобных испытаний сведены в табл. 1. Некоторый разброс в значениях параметров при тестировании исходных образцов, видимо, следует отнести к большей их шероховатости.
Таблица 1. Результаты скратч-тестирования поверхности образцов
№ ц к, мкм кв, мкм Дк, мкм
Исходные
1 0,3 59 14 45
2 0,4 68 18 40
3 0,4 63 19 44
Обработанные
1 0,1 16 4 12
2 0,1 16 3 13
3 0,1 13 3 10
При трибологических испытаниях на исходных образцах хотя и формируется дорожка трения шириной около 1 мм (рис. 4а,б), но в связи с относительно небольшим суммарным путем трения потеря массы самих образцов при этом незначительна (табл. 2): она составляет 2,5-3 мг при заданных условиях испытания. Увеличение массы контртела связано с налипанием титана в процессе трения (рис. 5 а).
1
Рис. 4. Дорожки трения на исходных (а, б) и на обработанных (в, г) образцах, х5.
Таблица 2. Результаты трибологических испытаний поверхности образцов
№ «к, мкм2 Дт, мг Дmконтртела, мг
Исходные
1 21701 -2,7 + 0,1
2 19871 -2,5 + 0,1
3 29824 -3,0 + 0,5
Об работанные
1 - 0 -0,6
2 - 0 -0,1
3* - + 0,6 +0,3
Масса обработанных образцов после испытания осталась без изменений, дорожка трения при визуальном осмотре едва различима (рис. 4в,г). А значение площади поперечного сечения канавки « находится ниже предела обнаружения профилометра (на уровне шероховатости), но при этом наблюдается износ контртела (рис. 5б). Увеличение массы и образца, и контртела (табл. 2, п.3*) можно объяснить окислением обеих поверхностей пары трения. Следует отметить, что столь незначительные величины (десятые доли мг) соизмеримы с ошибкой измерения, хотя и согласуются с условиями эксперимента.
''Суммарный путь - 500 м.
Рис. 5. Контртело после испытаний исходных (а) и обработанных (б) образцов, х5.
Изменение коэффициента трения во время испытаний приведено на рис. 6.
При трении исходных образцов в паре со стальным шариком коэффициент трения сначала возрастает (рис. 6а), затем, достигнув максимума (ц = 0,5) при прохождении 30 м пути, пара прирабатывается, и ц несколько снижается, достигая в конце пути значения 0,45. Увеличение ц в начале испытаний, видимо, связано с увеличением площади контакта пары (образование канавки), а также с локальным повышением температуры, инициирующим как процессы окисления, так и фазовый переход в титане а (ГПУ) ^ в (ОЦК), который должен способствовать резкому увеличению коэффициента трения [5, 6]. Необходимо также учитывать, что при трении титана в паре с любым более твердым материалом присутствует эффект налипания (холодного схватывания) на сопряженную поверхность, в результате чего происходит трение титана по титану, и коэффициент трения такой пары приближается к ц пары титан-титан, который находится в пределах 0,45-0,55 в зависимости от условий трения [1]. Дальнейшее плавное снижение ц в процессе приработки пары трения, возможно, обусловлено образованием оксидов титана, препятствующих схватыванию. Однако подобное явление наблюдалось и в вакууме и объяснено авторами снижением роли деформационного упрочнения (наклепа) [6].
Линейное возрастание ц при трении обработанных образцов (рис. 6б) следует связывать с процессом износа стального шарика: в паре с более твердым карбидсодержащим слоем локальное повышение температуры в зоне трения значительно больше, чем в случае (а), за счет меньшей площади контакта (канавка практиче-
0,56 0,4R 0,40 ■ 0,32
0,30 025 ■ 0,20 -0.15 -
0,24 ■
0,10 ■
20
40 60
(а)
80
S, м 100
о
20
40 60
(б)
80
S, м 100
Рис. 6. Изменение коэффициента трения при трибологических испытаниях исходной поверхности (а) и карбидсодержащего слоя (б).
ски отсутствует) при одинаковой нагрузке. Это влечет за собой структурные изменения в материале контртела - образование «аустенита трения», сопровождающееся повышением силы трения и износа [5]. По мере износа стального шарика увеличивается площадь контакта пары трения.
Таким образом, электродуговая обработка поверхности титанового сплава ВТ1-0 графитовым анодом в водном электролите с образованием композитной микроструктуры Т1-ТЮ способствует значительному повышению антифрикционных свойств поверхности сплава.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, по постановлению П218, договор №02.G25.31.0035-225 от 12 февраля 2013 г. между Открытым акционерным обществом «Дальневосточный завод «Звезда» и Министерством образования и науки Российской Федерации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горынин И.В., Чечулин Б.Б. Титан в машиностроении. М.: Машиностроение, 1990. 400 с.
2. Жевтун И.Г. Повышение функциональных свойств титана и его сплавов путем формирования на поверхности карбидсодержащих фаз при электродуговом разряде в водных электролитах. Автореф. дис. канд. техн. наук. Комсомольск-на-Амуре, 2012. 24 с.
3. Гордиенко П.С., Жевтун И.Г., Достовалов В.А., Курявый В.Г., Баринов Н.Н. Состав и структура углеродсодержащих локальных участков, формируемых на титановых сплавах в электролитах.
Вестник машиностроения. 2012, (2), 52-55.
4. Жевтун И.Г., Гордиенко П.С., Достовалов В.А., Верхотуров А. Д. Использование электродуговой обработки титановых сплавов для создания режущего инструмента на основе композита Ti-TiC. ЭОМ. 2013, 49(4), 92-93.
5. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. М.: Металлургия, 1976. 176 с.
6. Семенов А.П., Поздняков В.В. Методика и некоторые результаты исследования трения и адгезионного взаимодействия при высоких температурах в вакууме и газовых средах. Сборник трудов: Структура и свойства жаропрочных металлических материалов. М.: Наука. 1967. С. 101-109.
Поступила 11.02.14 После доработки 30.10.14 Summary
In this work the results of investigations of antifriction properties of the VT1-0 titanium alloy, treated by the electric arc in an aqueous electrolyte are presented. The changes of the friction coefficient at scratch testing with a diamond indenter and during tribological tests with a counter body (steel Ac100Cr6) are presented and discussed.
Keywords: titanium alloys, titanium carbide, composite, antifriction properties.
