CC BY
126
УДК 621.793.6:669.056.9
И. А. Казанцев, А. О. Кривенков, А. Е. Розен, С. Н. Чугунов
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА, ПОЛУЧЕННЫХ МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ
Рассматриваются высокоэффективные способы повышения износостойкости композиционных материалов, полученных микродуговым оксидированием. Приведены сведения о составах электролитов для микродугового оксидирования титана. Даны подробные сведения о влиянии химического состава электролита, состава оксидного покрытия, его микротвердости и дополнительной обработки на износостойкость композиционных материалов.
Введение
Во многих случаях узлы машин, например резьбовые соединения с крепежными изделиями, изготовленными из сплавов титана, нуждаются в применении смазки вследствие высоких значений коэффициента трения (/ = = 0,6...0,8) [1]. Смазка, исключающая нежелательный эффект «схватывания» контактирующих поверхностей, обеспечивает необходимый ресурс работы изделий, но ее применение не всегда возможно или затруднено, например в вакууме или когда загрязнение недопустимо. Поэтому необходимо использовать другие способы или материалы, способствующие снижению коэффициента трения и увеличению износостойкости, а следовательно, и ресурса работы изделия.
Микродуговое оксидирование (МДО) позволяет формировать на металлах и сплавах вентильной группы (А1, Тг, Хт, ЫЪ и др.) анодные слои, содержащие как оксиды основного металла, так и оксиды и соединения на основе компонентов электролита [2-5]. Химический состав покрытий, формируемых данным методом, определяется видом обрабатываемого материала, параметрами процесса и составом электролита. Возможность варьирования химического состава анодных слоев на вентильных металлах и сплавах существенно расширяет области их функционального применения.
Однако технология МДО не позволяет получать одинаковую износостойкость упрочненных оксидных слоев, т.к. при приближении к поверхностным слоям основного металла их твердость снижается. Неодинаковое распределение твердости способствует интенсивному износу сопрягаемых деталей при эксплуатации и особенно при их приработке. При оценке износостойкости композиционных материалов (КМ) было установлено существенное влияние на рассматриваемую характеристику неоднородности структуры и, как следствие, микротвердости и пористости оксидных слоев [6, 7].
1 Результаты экспериментов
Разработаны способы МДО [8, 9], обеспечивающие получение композиционных материалов с высокими триботехническими характеристиками.
Для эксперимента были отобраны 3 партии образцов из титана ВТ 1-0 по 10 штук в каждой. Составы электролитов и режимы МДО приведены в табл. 1.
Таблица 1
Составы электролитов и режимы МДО для образцов из титана ВТ 1-0
Материал № образца Состав электролита, г/л Режимы МДО
}, А/дм2 и, В Вид тока С О т, мин
ВТ1-0 1 без покрытия
2 N N 3 а р О О Н ■ 4 5 V» • 10.15 300.320 пост. 5 2 0 2 15
3 №ОН - 4...5; №зРО4 - 5.6; №28Ю3 - 8.10 то же 390.400 то же то же 10
4 №ОН - 4.5; №зРО4 - 5.6; №28Ю3 - 118.120 то же 400.420 то же то же 8
5* №ОН - 14.15; №3РО4 - 9.10; №2БЮ3 - 178.180; КМпО4 - 9,0.9,5 45.50 320.330 то же то же 10
* Образцы подвергнуты термической обработке: нагрев до температуры
690...700 °С со скоростью не более 800 град/ч, последующий нагрев до температуры
900.. .1050 °С со скоростью не более 250 град/ч, выдержка при этой температуре в течение 20.30 мин и охлаждение со скоростью не более 300 град/ч [9].
Экспериментальные исследования КМ на износостойкость проводили по стандартной методике согласно ГОСТ 23.204-78 на машине трения (МТУ-1). Последовательное удаление оксидных слоев осуществлялось механической обработкой (шлифованием). В табл. 2 приведены значения массы титановых образцов в процессе их испытания на машине трения.
Таблица 2
Результаты испытаний на износостойкость образцов из титана ВТ 1-0
№ образца Масса образцов после испытания, г Общий износ, г
До испытания 15 мин 30 мин 45 мин 60 мин 75 мин
1 24,9353 24,93545 24,9311 24,9268 24,9225 0,0128
2 24,7901 24,7890 24,7873 24,7849 24,7823 24,7791 0,011*
3 24,8380 24,8367 24,8359 24,8352 24,8343 24,8332 0,0048*
4 25,0255 25,0235 25,0224 25,0218 25,0214 25,0210 0,0045
5 25,0463 25,0458 25,0454 25,0451 25,0448 25,0445 0,0018
* Изнашивание до металлической основы.
Интенсивность изнашивания образцов в условиях трения скольжения оценивалась по стандартной методике [10] (по потере массы образца при испытании, табл. 3, рис. 1):
^ = Дт /(£ хЬ),
где Ат - масса истертого материала, г; S - номинальная площадь трения, м2; Ь - путь трения, м.
Таблица 3
Результаты испытаний на износостойкость образцов из титана ВТ 1-0
№ образца Интенсивность изнашивания 1% ■ 10 2, г/м3 % о тз 0 1 ,
15 мин 30 мин 45 мин 60 мин 75 мин г/м3
1 -0,09 2,81 2,77 2,76 2,31
2 0,71 1,06 1,4 1,7 2,06 1,38
3 0,83 0,51 0,45 0,58 0,71 0,61
4 1,29 0,71 0,38 0,25 0,25 0,57
5 0,32 0,25 0,19 0,19 0,19 0,23
&
'м
■§-
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0,5 О
-0,5
Образец № 1, —а— образец Кг2; —4— образец №3; о образец №4; —*— образец Кг5 Рис. 1 Интенсивность изнашивания (/§■) оксидных слоев на титане ВТ1-0
-
■■
- -
- :— ■■
‘ —— ;?
- ■ Г 3 з;
(" —"Г 5 3 0 4 5 6 ] 1, мин 7'
2 Закономерности изнашивания
Испытания титановых образцов показали (табл. 2), что в первые 14.15 мин износа образца № 1 не происходит. При этом наблюдается прибыль по массе (около 0,00015 г) в результате «схватывания» контактирующих деталей в процессе испытаний. С увеличением времени наблюдается быстрое увеличение интенсивности изнашивания образцов № 1 вследствие роста коэффициента трения до 0,75.0,85 [6, 11] и увеличения температуры образцов в процессе работы: 18.20 °С в начале эксперимента и 60.64 °С через 75 мин. В конце эксперимента интенсивность изнашивания составляет (1% = 2,6.. .2,7 г/м3).
Для образцов № 2 в первые 15 мин характерна небольшая величина износа 0,0011 г, что связано с невысокими значениями коэффициента трения (0,492.0,496), а затем наблюдается постепенное увеличение интенсивности изнашивания. Через 40.45 мин интенсивность изнашивания составляет (I% = 2,1.2,2 г/м3), что связано с увеличением коэффициента трения до
0,510.0,543. Максимальная величина износа наблюдается через 60.65 мин (0,0032 г), что объясняется увеличением коэффициента трения до 0,6.0,65 вследствие изнашивания оксидных слоев до материала основы.
Аналогично образцам № 2 ведут себя при испытании образцы № 3, имеющие незначительную шероховатость поверхности покрытия (Яа =
= 1,9.1,97 мкм) и большие значения коэффициента трения (0,592.0,596). Интенсивность изнашивания оксидных слоев на образцах № 3 в первые 30 мин несколько снижается по сравнению с образцом № 2 (табл. 2), что можно объяснить большей микротвердостью оксидных слоев образцов третьей группы (11,0.14,0 ГПа). Через 25.30 мин работы величина износа образцов № 3
составляет 0,0021 г, что в 1,4_1,5 раза меньше величины износа образцов
№ 2, что, в свою очередь, связано с меньшими значениями коэффициента трения (/ = 0,3.0,4). Максимальная величина износа наблюдается через 70.75 мин (~0,0048 г), что связано с ростом коэффициента трения, поскольку через 50.55 мин испытаний происходит изнашивание оксидных слоев до материала основы.
Для образцов четвертой группы в первые 15.20 мин характерна максимальная величина износа (0,002 г), что в 1,5_1,7 раза больше аналогичных
характеристик образцов № 3. Это связано с большими значениями коэффициента трения (/ = 0,5.0,65) и шероховатости оксидного слоя (Яа = 6,14.6,23 мкм). При этом происходит интенсивное изнашивание наружного слоя, имеющего максимальную шероховатость Яа~6,23 мкм и невысокую микротвердость (9,0.10,0 ГПа). Через 65.75 мин величина износа образцов четвертой группы составляет 0,0045 г, а скорость изнашивания сокращается в 4,0.5,0 раз, что связано с уменьшением коэффициента трения до 0,35.0,4. Снижение величины износа можно также объяснить тем, что после приработки (через 20.25 мин) происходит контакт с внутренними более твердыми (18,5.19,5 ГПа) и имеющими меньшую шероховатость (Яа не более 0,92.0,96 мкм) оксидными слоями.
Для образцов пятой группы после 30.35 мин испытаний величина износа составляет 0,0005 г. Это объясняется тем, что в результате оплавления оксидных слоев при термической обработке покрытие имеет плотную стекловидную структуру, низкую шероховатость (Яа не более 1,12 мкм) и высокую микротвердость (20,0.20,5 ГПа). Через 65.75 мин работы величина износа составляет 0,0018 г, а скорость изнашивания снижается. Снижение коэффициента трения до 0,35.0,4 объясняется наличием в зоне трения частиц мелкодисперсного порошка 8Ю2, который играет роль сухой смазки.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что износостойкость оксидных слоев зависит от шероховатости поверхности, оказывающей влияние на величину коэффициента трения, и микротвердости слоя, которые в свою очередь зависят от параметров МДО и состава электролита. Результаты испытаний образцов приведены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты испытаний образцов на износостойкость из титана ВТ 1-0
№ образца Время испытания, с ^Ср 10 2, г/м3 Интенсивность изнашивания оксидного слоя относительно основного материала (/#со/ 1?сш)
1 4500 2,31 1
2 1,38 1,66
3 0,61 3,78
4 0,57 4,05
5 0,23 10,08
В результате сравнительной оценки износостойкости оксидных слоев на титане ВТ1-0 установлено, что у КМ с оксидным покрытием износостойкость выше, чем у материала без покрытия. Основной оксидный слой обладает наименьшей, а рыхлый поверхностный слой наибольшей интенсивностью изнашивания. Измерения микротвердости показали ее взаимосвязь с интенсивностью изнашивания оксидных слоев. Наибольшая скорость изнашивания отмечается в поверхностном слое, который имеет максимальное количество микро- и макродефектов и относительно низкую величину микротвердости (8,5.10,5 ГПа). Микротвердость основного слоя возрастает до 16,5.17,0 ГПа, а интенсивность изнашивания уменьшается в 1,5.2 раза. С приближением к материалу основы (на расстоянии —110.120 мкм от поверхности) наблюдаются наиболее высокие значения твердости (до 19,0.19,5 ГПа) и минимальная скорость изнашивания.
В результате исследований триботехнических характеристик оксидных покрытий, полученных методом МДО на образцах из титана ВТ1-0, установлено, что в зависимости от параметров МДО коэффициент трения пары изделие/контртело снижается в 2,5.3 раза по сравнению с образцами без оксидного слоя и составляет 0,3.0,35. Продукты износа оксидного слоя, полученные в результате механической работы пары образец/контртело, представляют собой мелкодисперсный порошок (8Ю2), выполняющий функцию сухой смазки, что позволяет отказаться в ряде случаев от традиционных смазок.
Наилучшие результаты были получены при испытаниях стекловидных оксидных покрытий, сформированных в силикатно-щелочном электролите с перманганатом калия и последующей термической обработкой, при этом износостойкость возросла до 10 раз. Варьируя параметры МДО (плотность тока, время оксидирования, состав электролита), можно в зависимости от назначения изделия изменять коэффициент трения в широком диапазоне [6, 11].
Заключение
В связи с вышеизложенным полученные КМ могут применяться для защиты от фреттинговой коррозии, контактного «схватывания», например крепежных изделий при определенном числе циклов сборки-разборки, в зависимости от толщины и микротвердости оксидных слоев. Антифрикционные покрытия целесообразно использовать, когда применение смазки затруднено или невозможно, например в вакууме.
Высокая твердость, низкий коэффициент трения, малая пористость и шероховатость оксидных покрытий, полученных в разработанном силикатнощелочном электролите с перманганатом калия и последующей термической обработкой КМ, позволяют использовать их в качестве износостойких в различных областях промышленности.
Таким образом, предлагаемые способы МДО материалов на основе титана и последующая термическая обработка позволяют значительно повысить износостойкость изделий, работающих в различных условиях и соединениях, при эксплуатации и особенно при их приработке.
Список литературы
1. Басинюк, В. Л. Управление триботехническими параметрами трущихся сопряжений / В. Л. Басинюк, Е. В. Коробко, Е. И. Мардосевич [и др.] // Трение и износ. - 2003. - Т. 24. - № 6. - С. 687-693.
2. Черненко, В. И. Получение покрытий анодно-искровым электролизом / В. И. Черненко, Л. А. Снежко, И. И. Папанова. - Л. : Химия, 1991. - 128 с.
3. Гордиенко, П. С. Влияние ионного состава электролита и режима оксидирования на фазовый и элементный состав покрытий, полученных на металлах / П. С. Гордиенко, О. А. Хрисанфова // ДВО АН СССР. Ин-т химии. - Владивосток, 1989. - 70 с. - Рук. деп. в ВИНИТИ 6.05.89. № 2986-889.
4. Атрощенко, Э. С. Формирование покрытий различного функционального назначения на титане, цирконии и их сплавах методом микродугового оксидирования (МДО) / Э. С. Атрощенко, А. О. Кривенков, И. А. Казанцев, В. С. Скачков // Новые перспективные материалы и технологии их получения - 2004 : сборник науч. тр. Международной конференции : в 2-х т. - Волгоград : Изд-во Волгоград. гос. техн. ун-та, 2004. - 2 т. - С. 27-28.
5. Аверьянов, Е. Е. Справочник по анодированию / Е. Е. Аверьянов. - М. : Машиностроение, 1988. - 224 с.
6. Казанцев, И. А. Технология получения композиционных материалов микро-дуговым оксидированием: монография / И. А. Казанцев, А. О. Кривенков. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2007. - 240 с.
7. Кривенков, А. О. Зависимость свойств оксидно-керамических покрытий на титане, цирконии и их сплавах, полученных микродуговым оксидированием от их структуры и свойств / А. О. Кривенков, И. А. Казанцев // Наука. Промышленность. Оборона : труды Всероссийской научно-технической конференции. - Новосибирск, 2005. - С. 83-84.
8. Пат. 2137580 Российской Федерации от 20.09. 1999 г. Способ восстановления пар трения / Э. С. Атрощенко, И. А. Казанцев, А. Е. Розен, О. Е. Чуфистов, Р. И. Викторов // Официальный бюл.: Изобретения. Полезные модели, 1999. - № 26.
9. Пат. 2266987 Российской Федерации от 27.12.2005 г. Способ получения покрытий / И. А. Казанцев, А. О. Кривенков, В.С. Скачков // Официальный бюл.: Изобретения. Полезные модели, 2005. - № 36.
10. Вячеславов, П. М. Контроль электролитов и покрытий / П. М. Вячеславов, Н. М. Шмелева / под ред. П. М. Вячеславова. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд., 1985. - 96 с.
11. Кривенков, А. О. Способы получения композиционных материалов на основе титана и циркония микродуговым оксидированием : дис. канд. техн. наук / А. О. Кривенков : 05.02.01. - Пенза, 2005. - 217 с.
