CC BY
137
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н.Э. ЬАУМЛНЛ
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл JVa ФС 77 - 48211. Государственная регистрация №(I4212Ü0025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Антифрикционые наплавки на титановые сплавы
# 05, май 2012
Б01: 10.7463/0512.0383721
Шаталов В. К., Фатиев И. С., Михайлов В. И., Грошев А. Л.
УДК 621.791.053
Россия, Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана Россия, ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт Петербург
vkshatalov@yandex.ru
Создание новой и совершенствование имеющейся техники требует применения прогрессивных технологических процессов, позволяющих повысить ресурс и надежность, обеспечить работоспособность деталей и узлов в самых жестких условиях эксплуатации, при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах, действии динамических и контактных нагрузок. Не менее важной задачей является снижение массы изделий благодаря применению новых материалов, конструктивно-технологических способов повышения несущей способности деталей. Этим вызваны расширяющееся применение титановых сплавов и процессов их упрочняющей технологии в ведущих отраслях машиностроения. Разрабатываются новые способы, технологии улучшения антифрикционных свойств и защиты от коррозии путем нанесения покрытий, получают развитие методы поверхностного легирования, напыления, и др. Титан и его сплавы обладают крайне низкими антифрикционными свойствами и износостойкостью. На практике часто сталкиваются с интенсивным разрушением титановых сплавов в результате фреттинг-коррозии, схватывания с образования задиров. Низкие антифрикционные
свойства титановых сплавов трудно устранить подбором контактирующего материала, смазочного материла, оптимизацией конструкции. Перспективными методами повышения антифрикционных свойств и износостойкости деталей из титановых сплавов при контактных нагрузках являются методы химико-термической обработки, направленные на физико-химическое модифицирование поверхностного слоя, и анодирование. При термическом оксидировании образуется слой окислов титана, для которого характерна высокая механическая прочность и износостойкость. Анодирование позволяет получать оксидные пленки, в состав которых входят отдельные антифрикционные составляющие.
Эффективным технологическим направлением повышения ресурса продукции авиа- и судостроения, изготовленной из титановых сплавов, находящейся в морской или другой агрессивной среде, работающей в условиях знакопеременных циклических и повторно-статических нагрузок или истирания, является наплавление в среде защитных газов на поверхности деталей слоя металла высокой твердости.
В качестве материала наплавочной проволоки широкое применение нашли сплавы 2В, ВТ6св, 7М обогащенные кислородом в результате термического оксидирования.
Примеси, содержащиеся в титане, состоят частично из элементов внедрения, частично из элементов, преимущественно металлов, образующих с титаном твердые растворы замещения. Элементы внедрения - кислород, азот, углерод и водород оказывают наиболее сильное влияние на механические свойства титана. Кислород и азот обладают наибольшей растворимостью в а-титане и поэтому могут в наибольшей степени повысить твердость и предел прочности.
Распространенным способом насыщения титановых сплавов кислородом является нанесение устойчивых оксидных покрытий на поверхность проволоки.
Оксидные покрытия полученные методом термического или анодного оксидирования, отвечают требованиям прочности судового энергооборудования с учетом эксплуатационных условий и технологии изготовления.
Термическое оксидирование осуществляется при нагреве в воздушной среде при температуре 950°С и выдержке в течение 3^4 часов. . При этом на поверхности образуется окисная плёнка ТЮ и окалина ТЮ2. Образовавшаяся окалина подлежит удалению для предотвращения попадания в расплавленный металл. Несмотря на кажущуюся простоту, метод термического оксидирования имеет ряд существенных недостатков. Прежде всего, метод энергоемок, длителен и трудоемок, включает более 10 технологических операций. Очищенную от окалины проволоку подвергают вакуумному отжигу для удаления водорода и перераспределения кислорода по сечению проволоки. Вакуумный отжиг необходим для снижения содержания водорода в сплаве до безопасного уровня, при котором не развивается водородная хрупкость в процессе эксплуатации. Поскольку последующий непременный отжиг является дополнительной операцией, то такая технология повышает стоимость наплавочной проволоки.
В силу указанных недостатков термического оксидирования, а также возрастающих требований к качеству наплавленного слоя, разрабатываются новые технологические процессы, основанные на последних достижениях науки и техники. Выбранный нами один из них - микродуговое оксидирование (МДО), обладает относительной простотой процесса, возможностью гибкого управления энергетическими и временными характеристиками, оптимизацией их параметров. Метод МДО основан на анодном оксидировании в растворах электролитов при высоких потенциалах вызывающих протекание микроплазменных пробоев на аноде - микродуги. МДО-покрытия обладают незначительной дефектностью по сравнению с термическими пленками: в них отсутствуют сквозные поры, микротрещины, что было доказано различными методами, в том числе анодной активацией
МДО-пленок в растворах галогенидов. Подтверждением этому служат данные по газопроницаемости по кислороду и водороду. Поэтому к наплавочной проволоке обработанной МДО предъявляются менее жесткие требования при длительном хранении. По данным электронного микрозондового анализов, МДО-покрытия наряду с кристаллической фазой оксида титана (анатаз, рутил) содержат рентгеноаморфную фазу, состоящую из элементов А1, Р, Т1, О. Пленки, содержащие рентгеноаморфную фазу, обладают большей пластичностью по сравнению с кристаллической фазой. Кроме того, поверхностный слой металла, прилегающий к пленке, имеет более мелкозернистую структуру, чем основа, что может являться дополнительным фактором, повышающим пластические свойства материала [1, 2]. По данным рентгенофазного, рентгеноспектрального и микрозондового анализов покрытия состоят из ТЮ2 в модификации анатаз и содержат до 8 % (массовая доля) фосфора при оксидировании в фосфатном электролите и до 20 % алюминия при оксидировании в алюминатном электролите (КаА1О2). Фазовый состав при оксидировании в алюминатном электролите пленки А12ТЮ5.
При анализе фазового состава покрытий сформированных в электролитах, содержащих анионы (РО4, НРО4) в широком диапазоне концентраций был обнаружен анатаз; а в электролитах, содержащих анионы БО4 - рутил. Анатаз растворяется в титановых сплавах лучше рутила. В таблице 1 приведены применяемые электролиты и режимы МДО при получении наплавочной проволоки.
Водные щелочные растворы алюмината натрия широко применяются для анодирования различных металлов при потенциалах искрения. При этом в зависимости от концентрации, фазовый состав может состоять из антаза ^О2 или шпинели Al2TiO5, возможны и другие соединения. При оксидировании сварочной проволоки покрытие получилось рыхлым, недостаточно прочным, осыпающемся при изгибе проволоки. Обработка в сложных электролитах, содержащих Ка3РО4-12И2О в концентрации 10 г/л и КаА1О2 в концентрации
5 г/л позволяет получать оксидные покрытия состоящие из анатаза и шпинели, причем соотношение перечисленных фаз определяется как режимами, так и составом электролита. Более прочным получается оксидное покрытие сформированное при последовательной обработке: вначале в растворе КаАЮ2 , затем в растворе №3Р04. В результате проведенных экспериментов выявлено, что в условиях микроплазменного разряда на поверхности металлов формируется прочное сцепление и с основой пленки. Толщина оксидного покрытия на титановых сплавах, в основном, определяется плотностью тока, временем протекания процесса и температурой электролита. Толщину покрытия на сварочной проволоке диаметром 2^4 мм контролировали по образцу свидетелю размером 2х20х40 мм прибором «КОНСТАНТА-К5». На оксидированной проволоке (за исключением мест контакта с приспособлением) не должно быть мест не покрытых окисной пленкой, нарушающих покрытие царапин и прижогов. Поверхность покрытия, полученного МДО, должна быть однородной и иметь цвет от светло-серого до темно-серого с различными оттенками.
Таблица 1
Электролиты и режимы МДО наплавочной проволоки.
Состав электролита Концентрация г/л рН иф, В Время выдержки мин. Температура, С° Толщина слоя, мкм
Тринатрий фосфат, КаэР0412И20 ГОСТ 201-76 14 10,8 300 15 19 10
Алюминат натрия №АЮ2 15 11,8 300 14 19 10
Жидкое стекло, ^БЮз, ГОСТ 13078-81 20 11,5 330 15 19 12
Первые же наши эксперименты подтвердили перспективность метода. Наплавленный металл аргонодуговым способом неплавящимся электродом с присадочной проволокой обработанной МДО по структуре, качеству и твёрдости соответствовал предъявляемым техническим требованиям. В процессе исследований были открыты два весьма важных преимущества новых способов перед применяющимся много лет способом термического оксидирования сварочной проволоки 7М:
- МДО, в отличие от термического оксидирования, не приводит к повышению содержания водорода в проволоке, что позволяет исключить вакуумную дегазацию (операцию весьма трудоёмкую и энергоёмкую) вместе с закалкой в воду и последующей механической доочисткой. - МДО отличается значительно большей производительностью по сравнению с термическим оксидированием.
В таблице 2 приведены для сравнения технологические операции выполняемые при наплавке проволокой обработанной термическом оксидировании и МДО.
Предлагаемый способ, как показали исследования, позволяет обеспечить качество наплавляемого металла соответствующее требованиям ОСТ 5.9994-86 как при условии совмещения наплавки с высокотемпературной прокаткой (ВТП), так и без. В процессе наплавки имеют место как дефекты, вызванные непосредственно сваркой (непровар, незаплавленные кратеры, пористость и др.), так и дефекты характерные для прокатки в процессе сварки. Контроль качества наплавки с прокаткой проводился теми же видами контроля, что и сварных соединений без прокатки.
Наплавка осуществлялась в 7 слоёв до достижения высоты 7-8 мм. Ширина наплавки при этом составляла 12-14 мм. Скорость наплавки каждого слоя 0,16 м/мин, скорость подачи присадочной проволоки диаметром 4 мм -0,4 м/мин, нагрузка на ролик от гидроцилиндра - 800 кгс. Продувка камеры аргоном перед наплавкой осуществлялась в течение 6 минут с расходом
аргона 6 л/мин. В процессе наплавки аргон продолжал поступать в камеру через сопло горелки с расходом 10 л/мин. После завершения наплавки каждого слоя процесс приостанавливался на 1 минуту для подстуживания металла и возобновлялся вновь.
Без ВТП избавиться от образования пор, а иногда и трещин не представляется возможным, так же как и при наплавке термически оксидированной проволокой из сплава 7М [3]. Об этом свидетельствует многолетний опыт применения проволоки марки 7М, оксидируемой по ОСТ 5.9994-86, и приведенные в нём нормы по допускаемому количеству и величине пор в наплавках на титановую арматуру.
Для реализации новых технологических процессов, включающих в себя наплавку и прокатку, разработан и изготовлен ряд специализированных установок, а также созданы деформирующие устройства.
Промышленное применение методов потребовало решение ряда сложных задач. К их числу следует отнести оценку влияния прокатки на изменение параметров режима сварки, стабильность характеристик механических свойств после прокатки, возможность использования прокатки для устранения дефектов внешнего формирования шва, разработку оборудования и оснастки, предназначенного для реализации предлагаемых технических решений.
Таблица 2
Технологические операции при термическом оксидировании и МДО
Операция Термическое оксидирование МДО
Протирка + -
Контроль на затиры + +
Обезжиривание + -
Промывка теплой водой + -
Декапирование + -
Холодная промывка + -
Контроль на смачивание и нейтральность + -
Промывка + +
Сушка + +
Оксидирование + +
Контроль качества + +
Закалка на воду + -
Удаление окалины + -
Вакуумный отжиг + -
Определение содержания кислорода. Контроль + +
Выводы:
1. Предложен и осуществлён новый способ легирования наплавляемого на титановые сплавы металла через покрытие методом МДО наносимое на титановые сварочные проволоки, с целью повышения его твёрдости и антифрикционных свойств.
2. Разработан способ нанесения легирующего покрытия на титановые сварочные проволоки методом МДО, позволяющий при наплавке с ВТП на
титановые детали получать металл твёрдостью до ИУ 5000 МПа, по качеству отвечающий требования ОСТ 5.9994-86.
3. Получение наплавкой оксидированной проволокой металла с твёрдостью ИУ 5000 МПа не сопровождается образованием трещин даже при наплавке без подогрева заготовки и последующего отжига.
4. Микродуговое оксидирование не приводит к наводороживанию проволоки и не требует её вакуумной дегазации и механической доочистки от следов окалины - операциям трудоёмким и энергоёмким, неизбежным при термическом оксидировании по существующей технологии.
5. Повышение твёрдости наплавляемого металла оксидированной проволокой вызывает необходимость увеличения усилия на прокатный ролик для ликвидации пор и других возможных несплошностей высокотемпературной прокаткой, без которой получение качественных наплавок невозможно.
Список литературы
1. П.С. Гордиенко, С.В. Гнеденков. Мигродуговое оксидирование титана и его сплавов. Владивосток. Дальнаука. 1997. 179 с.
2. Л.В Лысенко, В.Ф. Щербинин, В.К. Шаталов Энерготехнологические свойства титана и его сплавов в безводных средах. МГТУ им. Н,Э. Баумана, 1998..110 с.
3. И.В. Козлов, В.И. Михайлов, В.А.Семенов, К.Д. Хромушин, И.С. Фатиев. Исследование качества оксидированного титанового сплава ПТ-7М, наплавленного с применением высокотемпературной прокатки. ЦНИИ КМ «Прометей», Научно-технический журнал «Вопросы материаловедения». № 3(51), 2007. С. 214-217.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MSTÜ
SCIENCE and EDUCATION
EL JV® FS 77 - 4821 1. №0421200025. ISSN 1994-0408 electronic scientific and technical journal
Antifriction surfacing of titanium alloys
# 05, May 2012
DOI: 10.7463/0512.0383721
Shatalov V.K., Fatiev I.S., Mihailov V.I., Groshev A.L.
Russia, Bauman Moscow Technical University, Kaluga Branch Russia, FSUE CRISM "PROMETEY", Saint Petersburg
vkshatalov@yandex.ru
The authors consider a method of improving antifriction properties of surfacing of titanium alloy parts. Technological operations of thermal and micro-arc oxidation methods aimed at surfacing the wire with stable oxide layer development are compared.
Publications with keywords: properties, titan, hardness, surfacing, welding, wire, electrolytes, oxidation
Publications with words: properties, titan, hardness, surfacing, welding, wire, electrolytes, oxidation
References
1. Gordienko P.S., Gnedenkov S.V. Mikrodugovoe oksidirovanie titana i ego splavov [Microarc oxidation of titanium and its alloys]. Vladivostok, Dal'nauka, 1997. 179 p.
2. Lysenko L.V., Shcherbinin V.F., Shatalov V.K. Energotekhnologicheskie svoistva titana i ego splavov v bezvodnykh sredakh [Energotechnological properties of titanium and its alloys in waterless environments]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 1998.110 p.
3. Kozlov I.V., Mikhailov V.I., Semenov V.A., Khromushin K.D., Fatiev I.S. Issledovanie kachestva oksidirovannogo titanovogo splava PT-7M, naplavlennogo s primeneniem vysokotemperaturnoi prokatki [Study of the quality of oxidized titanium alloy PT-7M, deposited with the use of high-temperature rolling]. Voprosy materialovedeniia, 2007, no. 3(51), pp. 214217.
