CC BY
23
УДК 621.785.53
В. Г. Каплун, Н. С. Машовець
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОВЕРХН1 ТИТАНОВОГО СПЛАВУ ВТ8 П1СЛЯ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОГО АЗОТУВАННЯ В ПЛАЗМ1
ТЛ1ЮЧОГО РОЗРЯДУ
Наведено ф1зико-мехатчт характеристики I фазовий склад титанового сплаву ВТ8 тсля низькотемпературного азотування в плазмI тлтчого розряду при зм1н1 технологгч-них параметргв азотування.
Титан i його сплави завдяки сво1м властивостям (малш питомш ваз^ високш питомiй мiцностi, високш корозiйнiй стiйкостi тощо), мають широке за-стосування не лише в техшщ, але й в медицин [1, 2]. Проте застосування титану та його сплавiв без змщнення поверхнi мае певнi обмеження в зв'язку iз низькими фiзико-механiчними характеристиками поверхш i малою зносо-стiйкiстю.
В даний час iснуе багато технологш для змщнен-ня поверхнi титанових сплавiв iз застосуванням метода РУО, СУО, термiчноl i хiмiко-термiчноl оброб-ки [2-7], яш дозволяють утворювати на поверхнi рiзнi фази нiтридiв i карбiдiв титану, що мають високу твердiсть. Для рiзних умов експлуатаци iснують сво! оптимальнi спiввiдношення фаз, твердостi i пластич-ностi на поверхнi, що забезпечують И максимальну зносостiйкiсть. Для досягнення таких властивостей поверхневих шарiв потрiбнi технологи, що добре управляються технологiчними параметрами i змшю-ють властивостi поверхнi (твердiсть, пластичнiсть, фазовий i хiмiчний склади) в широких межах. До таких технологш вщноситься технолопя iонного азотування в плазмi тлiючого розряду [5-7].
Вiдомi дослiдження зносостiйкостi титанових сплавiв тсля юнного азотування при високих температурах (800-9000 °С) з утворенням на поверхнi моношарiв нiтридiв титану ТШ (5- фази) [4, 5] та одержання мононiтридiв Т1М методом РУО [8]. Данi покриття мають високу мшро-тверд^ть (10000^15000 МПа), але не забезпечують в рядi ви-падк1в високо! зносостiйкостi пари тертя в зв'язку з абразивним зношуванням, що обумовлене руйну-ванням шарiв покриття Т1№ Значно кращi показни-ки зносостiйкостi одержанi [5] при низькотемпера-турному iонному азотуваннi титанового сплаву з утворенням на поверхш багатофазового покриття, яш дозволяють зберегти структуру i властивосп ви-хщного матерiалу, що е дуже важливим для збере-ження мiцностi конструктивних елементiв.
Нами проведено дослiдження фiзико-механiчних
характеристик (твердостi i товщини) i фазового складу поверхневих азотованих шарiв титанового сплаву ВТ8 тсля низькотемпературного азотування в плазмi тлшчого розряду.
Методи дослiджень
Дослщження проводились на експериментальнiй установцi УАТР -1 для хiмiко-термiчноl обробки конструктивних елеменпв в плазмi тлшчого розряду [6]. Застосування тлшчого розряду дозволяе не тшьки на порядок прискорити процес дифузiйного наси-чення поверхнi азотом i нiтридами титану, але й сут-тево змiнюе кинетику процесу та якiснi параметри поверхневого азотованого шару, зокрема, його твердiсть, товщину азотованого шару, градiент змiни твердостi по товщинi та фазовий склад.
Зразки iз титанового сплаву ВТ8 азотувалися за 9 рiзними режимами зi змiною температури азотування вiд 540 до 700 °С i тиску насичуючого сере-довища вiд 80 до 400 Па. Насичуюче середовище 50 об.%Ш + 48 об.%Аг + 2 об.%Н2 i час дифузш-ного насичення 240 хв залишалися в усiх дослiдах постiйними. Характеристики параметрiв режимiв азотування визначались iз застосуванням 2-х факторного робототабельного плану експерименпв [9].
Мiкротвердiсть поверхш вимiрювалась за допо-могою мiкротвердомiра ПМТ-3, товщина азотованого шару визначалася методом металографiчного ана-лiзу на мiкроскопi М1М-9, фазовий аналiз поверхнi визначався методом рентгеноструктурного аналiзу на дифрактометрi ДРОН-3М.
Результати дослвджень
Результи дослвджень азотованих шарiв за рiзними режимами (табл.1) показують, що мiкротвердiсть по-верхнi змiнюеться в залежносп ввд режиму низько-температурного азотування титанового сплаву ВТ-8 в межах вiд 5700 до 7300 МПа. Характеристики поверхш азотованих зразшв з ВТ8 наведеш в таблиц 1.
© В. Г. Каплун, Н. С. Машовець, 2008
Таблиця1-
з сплаву ВТ8
■ Характеристики азотованих зразюв
№ режиму азотування Параметри режиму азотування '3 р е я о С д л С ^ © И ^ т о & § ,у ура 3 о и о нм 4 2 Й 2 л > § К а н и 3 в о Т Товщина азотованого шару, И, мкм Фазовий склад азотованого шару, %
у ЙР 2 ^ с 2 Й ер Н Тиск, Р, Па ™ % н а-Т1
1 660 320 6500 1,6 75 + + +
2 580 320 5700 1,7 60 + + +
3 660 160 7300 2,5 80 + + +
4 580 160 6400 2,3 65 - + +
5 540 240 6500 1,8 40 - + +
6 700 240 7000 2,6 95 + + +
7 620 80 7200 2,8 85 - + +
8 620 400 5900 2,5 50 + + +
9 620 240 6350 2,7 60 + + +
Не азотований 4400 - - +
Рис. 1. Змша мжротвердост поверхш азотованого титанового сплаву ВТ-8 в залежносп вщ температури дифузшного насичення при тиску:
1 - 80 МПа, 2 - 160 МПа, 3 - 240 МПа, 4 - 320 МПа, 5 - 400 МПа
глибину. Зменшення тиску в вакуумнш камер1, кр1м того, сприяе зменшенню штенсивносп утворення Т1М, який перешкоджае дифузп азоту в глибину [5].
На рис. 1 та рис. 2 наведено граф1ки мжротвер-досп поверхш азотованого титанового сплаву ВТ-8 в залежносп в1д тиску 1 температури дифузшного насичення, з яких видно, що м1кро-тверд1сть збшьшуетъся 1з зростанням температури азотування 1 зменшуеться з1 збшьшенням тиску в вакуумнш камера З табл. 1. видно, що в залежносп в1д техно-лопчних параметр1в зм1нюються товщини як азотованого шару, так 1 тгридно! зони. На рис. 3, 4 наведено граф1ки залежносп товщини азотованого шару в1д температури 1 тиску в вакуумнш камера з яких видно, що товщина азотованого шару зростае з1 збшьшенням температури 1 зменшенням тиску. Це пояснюеться тим, що при цьому збшьшуеться енер-пя юшв азоту, яш можуть дифундувати на бшьшу
Рис. 2. Змша м1кротвердост1 поверхш азотованого титанового сплаву ВТ-8 в залежност вщ тиску при температури дифузшного насичення:
1 - 540 °С, 2 - 580 °С, 3 - 620 °С, 4 - 660 °С, 5 - 700 °С
Рис. 3. Змша товщини азотованого шару титанового сплаву ВТ-8 в залежност вщ температури дифузшного насичення при тиску:
1 - 80 МПа, 2 - 160 МПа, 3 - 240 МПа, 4 - 320 МПа, 5 - 400 МПа
100
70
61)
50
-[
зо 1бо 240 :)20 400 Р, Па
Рис. 4. Змша товщини азотованого шару титанового сплаву ВТ-8 в залежност вщ тиску при температур! дифузшного насичення:
1 - 540 °С, 2 - 580 °С, 3 - 620 °С, 4 - 660 °С, 5 - 700 °С
188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 191 -
В залежносп ввд температури i тиску на поверхнi утворюються рiзm фази. На рентгенограмах, знятих з поверхнi азотованого титанового сплаву за рiзни-ми режимами, спостер^аються лши, що вщповща-ють фазам: TiN (5-фаза), Ti2N (е-фаза) та а-фаза. На рис. 5. представлено рентгенограми ввд поверхнi титанового сплаву, азотованого при 540, 620 та 700 °С, з яких видно, що най-бшьша iнтенсивнiсть фази ТЫ (5-фаза) спостернжтъся при температурi азоту-вання 700 °С, а при 540 °С лiнiя фази ТЫ (5-фаза) взагалi ввдсутня.
На рис.6. зображена мжроструктура неазотова-ного (а) та азотованого (б) титанового сплаву ВТ8, з якого видно, що тсля азотування структура сер-цевини не змшюеться. На поверхнi азотованого зраз-ка спостерiгаeться тонкий ттридний шар (рис. 6, б).
Рис. 5. Дифрактограми поверхш сплаву ВТ8 шсля юнного азотування за режимами:
1 - режим 5, 2 - режим 6, 3 - режим 9 (табл. 1)
Рис. 6. Мжроструктура неазотоаного (а) та азотованого титанового сплаву ВТ8 (х 500)
Результата дослвджень мшротвердосп азаотованих шарiв титану ВТ8 по товщиш за рiзними технолопч-ними режимами представлено на рис. 7. З графМв видно, що, мiняючи технолопчш режими азотування, ми можемо м^ти не тшьки твердiсть поверхш, але i град1ент твердостi по товщиш азотованого шару, що е дуже важливим для ряду експлуатацшних характеристик.
а
б
7,5 7,0
Я 6'5
Р 6,0 > 5,5
К 5,0 4,5 4,0 3,5 0
ь-А
л : ; 9_
, О
6] - -—<
--- 1-
10
20 30 40 50 60 70 80 90 Ь, Ц-тп
Рис. 7. Розподш мжротвердосп по глибиш азотованих зразгав, що змщнювались за режимами 5,6,9 (табл. 1).
Висновки
Застосування низькотемпературного азотування в тлшчому розрядi дозволяе тдвищити фiзико-ме-ханiчнi характеристики i змiнювати фазовий склад поверхневих шарiв, збер^аючи властивостi серце-вини вихiдного матерiалу Змiнюючи технологiчнi параметри процесу азотування в тлшчому розрядi можна керувати властивостями поверхневих шарiв в широких межах.
Перелж посилань
1. Горинин И.В., Чечулин Б.Б. Титан в машиностроении - М.: Машиностроение, 1990. - 400 с.
2. M P Kapczinski, E J Kinast and C A dos Santos Near-surface composition and tribological behaviour of plasma nitrided titanium / J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 1858-1863.
4. Закожшрносп формування зносостшких газо-термiчних покритв на титанових сплавах/ М.В. Юндрачук, Е.А. Кульгавий, М.М. Скалига, О.В. // Проблеми тертя та зношування: Кшв НАУ, вип. 46-2006. - С. 143-148.
4. Федарко В.М., Погрелюк 1.М. Азотування титану та його сплав1в. - К.: Наук. думка, 1995. - С. 107146.
5. Ионная химико-термическая обработка сплавов/ Б.М. Арзамасов, А.Г. Братухин, Ю. С. Елисеев, Т. А. Панайоти. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1999. - 400 с.
6. Пат. 22650А. Украина. Споаб юнного азотування азотоактивних метал1в / В.Г. Каплун, 1.М. Пастух. Бюл. № 2, 1998.
7. Каплун В.Г. Особенности формирования диффузионного слоя при ионном азотировании в безводородных средах // Физическая инженерия поверхности. - Т. 1. - № 2. - Харьков, 2003. - С. 141-146.
8. Иванов А. С., Потехин А.Р., Томсинский А. С. Износостойкие покрытия на титановых сплавах/ / МиТОМ. - 1990. - № 1 - С. 30-31.
9. Тихомиров В. Б. Планирование и анализ эксперимента. - М.: Легкая индустрия, 1974. - 263 с.
Поступила в редакцию 19.05.2008
Приведены физико-механические характеристики и фазовый состав титанового сплава ВТ8 после низкотемпературного азотирования в плазме тлеющего разряда при изменении технологических параметров азотирования.
The investigation of the physics-mechanical properties and phase composition of titanic alloy УТ8 (6.5AI-3.5Mo-0.5Zr) was study after the low temperature nitriding in plasma of glow discharge at the change of technological parameters of nitriding.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 193 -
