CC BY
23
УДК 621.785.532
В. Г. Каплун, Н. С. Машовець
К1НЕТИКА ЗНОШУВАННЯ АЗОТОВАНОГО ТИТАНОВОГО
СПЛАВУ
Представлен\ досл1дження титанового сплаву ВТ8 на зносост1йк1сть п1сля низько-температурного ¡онного азотування в безводневому середовищ\. Показано, що зно-сост1йк1сть п1сля ¡онного азотування ¡стотно зб1льшуеться, що св1дчить про покра-щення триболог1чних властивостей титанового сплаву.
Титановий сплав ВТ-8 мае широке застосуван-ня в авiацiйнiй технц ^ зокрема, при виготовленн лопаток турбЫ та Ыших деталей, що зношуються в процес експлуатаци. З метою пдвищення зно-состiйкостi поверхонь деталей iз даного сплаву 1'х змiцнюють рiзними методами [1 ], серед яких пев-не застосування мае азотування. В лiтературi [2, 3] описуються методи традицiйного i вакуумного азотування титанових сплавiв при високих температурах (850-1000 °С) в середовищi азоту i амiа-ку. В результатi високотемпературноТ хiмiко-терм-iчноТ обробки на поверхн утворюеться покриття з нiтридiв титану, як характеризуються високою твердiстю (НУ-1600-1800) та товщиною вiд кiлькох десяткв до сотень мкм, якi забезпечують високу зносостiйкiсть поверхонь при абразивному зношу-ваннi. Разом з тим при таких високих температурах змЫюеться вихщна структура матерiалу та вщбуваеться окрихчення поверхнi при азотуванн в амiаку, що негативно впливае на мщнють конст-руктивних елементв [4].
Альтернативою цьому може бути низькотемпе-ратурне iонне азотування в безводневому середо-вищi при температурах 500-700°С, яке забезпечуе збереження вихщноТ структури металу та виклю-чае водневе окрихчення.
Вперше процес iонного азотування сплавiв титану у безводневому середовищi та при низьких температурах (500-600 °С), що дозволяе пдвищи-ти опр абразивному зносу (в 4 рази) та ерозмному зношуванню (в 10-40 раз), розробили Т.А. Панайот та Г.В. Сольовйов [5]. Тому, для покращення Тх три-бомеханчних характеристик, було використано саме низькотемпературне iонне азотування в безводневому середовищк Проте, дослiджень зносо-сшкосп конструкцiйних елементiв при низькотем-пературному iонному азотуваннi сплавiв титану i зокрема ВТ8 дуже мало.
Для дослщжень використовувались зразки iз а+р сплаву ВТ8. 1онне азотування проводили за рiзними режимами [2], технолопчы параметри про-цесу варiювались в таких межах: температура (Т °С) в межах 540-700 °С, тиск (Р, Па) - 80- 400 Па, час (т, хв.) - 20-240 хв, вмют аргону (Аг, %) - 0-96
%. Дослщження азотованого титанового сплаву ВТ8 на зносостмкють проводились на машинi тертя Optimal SRV по cxeMi тертя „"кулька -площина". Площина - зразок титанового сплаву, а кулька -сталь ШХ-15, HRC 62. Дослщжувалось сухе тертя на повiтрi при зворотно - поступальному русi з частотою коливань 50 Гц та амплггудою коливань 1 мм. Для визначення зносостйких властивостей покриття дослщження проводились при таких умо-вах: постйне навантаження FH = 15 Н; час тертя 1 год. В процес дослщжень вимiрювались так по-казники: ваговий знос кульки (Атк); ваговий знос зразка (Ат3р); геометричний знос (дiаметр плями зносу кульки (Dn); ширина дорiжки тертя ((hcx) на площинi). зусилля схоплювання (Fcx); тиск в контактна зонi в момент схоплювання (Pcx): Рсх = Fcx / Scx де Scx = nD2cx/4, Dcx - дiаметр плями схоп-лювання.
Рентгеноструктурний аналiз проводили iз вико-ристанням ковзаючого пучка вiдносно поверхнi в кобальтовому Ка - випромiнюваннi. Кут падiння первинного пучка вiдносно поверхн складав « 1,7410-2 рад.
Пд час iонного азотування, на поверхн титанового сплаву утворювався дуже тонкий (до 1 мкм) шар мононiтриду TiN (8-фаза), який було важко ви-явити при мiкростуртурному аналiзi (рис.1, а), але який виявлявся при вимiрюваннi мiкротвердостi поверхнi. Мiкротвердiсть пiсля юнного азотування зросла майже в 2 рази. HV вихщного сплаву 360, а пюля азотування HV=750.
Наявнють змiцнюючого покриття дослщжува-лось за допомогою рентгеноструктурного аналiзу поверхнi азотованого титанового сплаву. В результат дослщжень сплаву ВТ8 виявлено на поверхн дифракцйн пiки 8-нiтриду TiN (200) та (111), а та-кож a-Ti (100). В той час, як вихщний сплав скла-дався з a-Ti (101) та (002), i ß-Ti (101) (рис. 1, б).
© В. Г. Каплун, Н. С. Машовець 2006 г.
ISSN 1727-0219 BecmHUKдвигателе^роения № 2/2006
85
--1—I—I—I—1—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—[—I—I—I—I—|—1—I—I—I—1—I—1—1—I—|
2.(1 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7
а, а
Рис. 1. Микроструктура азотованого титанового сплаву ВТ8 (а) та рентгенограми титанового сплаву ВТ8 до (1) та пюля
(2) юнного азотування (б)
Товщину дифузмноТ зони оцЫювали по розпо-дтенню 1шкротвердосл по nepepi3y азотованого зразка. 1з рис. 2 видно, що дифузшна зона при низькотемпературному юнному азотуванн мае невелику товщину i досягае близько 80 мкм, що значно менше у порiвняннi з товщиною дифузш-ноТ зони при високотемпературному азотуванн (до 200 мкм), описанм в робот Б.Н. Арзамасова i Т.А. Панайот [4].
HV 800-
+-1" 1-Г-Т-5-I-I-!-г Г
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ь, мкм
Рис. 2. Розподтення мiкротвердостi по глибин азотовано-го титанового сплаву ВТ8
Результати дослщжень зносост1йкост1 сплаву ВТ8 приведен! в табл. 1. Дослщження показують, що зусилля схоплювання титанового сплаву п1сля 1онного азотування в даних умовах випробувань збтьшилось майже в 4,6 рази в пор1внянн1 з не-азотованим зразком. При цьому максимальний допустимий тиск на поверхн1 тертя зб1льшився в 3,7 рази. Це свщчить про зростання несучоТ здат-ност1 поверхн1 титанового сплаву ВТ 8 пюля низько-температурного азотування.
З таблиц! 1 видно, що знос неазотованого титанового сплаву в 15 раз!в бтьший в пор1внянн1 з азотованим. Знос гартованоТ кульки ¡з стал1 ШХ 15, що працюе в пар1 тертя як контрт1ло, навпаки, значно менший в пар1 з неазотованим зразком. При цьому на поверхню гартованоТ кульки вщбувалося намазування неазотованого титанового сплаву. В пар1 „азотований ВТ8 - гартована кулька" великий знос кульки пояснюеться тим, що продукти зно-шування азотованого ВТ8 мали високу твердють (НУ 600-750) I виступали як абразив в процес1 зно-шування.
Таблиця 1 - Результати вимiрювань при дослужены на тертя-зношування азотованого титанового сплаву ВТ8 на машин Optimal SRV
Зразки Зусилля схоплювання Рзе, Н Тиск в зош схоплювання Рзв, Н/мм2 Зношування Д1аметр схоплювання D„, мм ширина дор1жки зносу h, мм
кульки Дтк мГ ВТ8 Атзр, мГ
Вихщний матер1ал 65 18,4 0,1 12,0 1,85 4,0
Азотований зразок 300 67,5 2,1 0,8 2,45 2,4
Am (мГ 131211109876543 2 1 0
12,0
12,1
2,1
0,8
0,1
12
3
4
56
Рис. 3. Зношування титанового сплаву ВТ8 i сталево''' кульки ШХ15: 1 - знос неазотованого титанового сплаву ВТ8; 2 - знос азотованого титанового сплаву ВТ8; 3 - знос кульки у парi з неазотованим ВТ8; 4 - знос кульки у парi з азотованим титановим сплавом ВТ8; 5 - сумарний знос пари тертя "„неазо-тований ВТ8-гартована кулька"; 6 - сумарний знос пари тертя "„азотований ВТ8-гартована кулька"
Величина сумарного зносу пари тертя "„азотований ВТ8 - гартована кулька" в 4,2 рази менша в по-р1внянн1 з парою "„неазотований ВТ 8 - гартована кулька" (рис. 3). Це дуже важливо, так як в реаль-них конструкцях машин завжди працюе пара тертя I важливим е сумарний знос пари.
Таким чином, низькотемпературне 1онне азоту-вання титанових сплав1в з (а+р) структурою е ефек-тивним способом п1двищення 'х зносост1йкост1 та протизадирних властивостей.
Зокрема зносостйксть сплаву ВТ8 пюля низь-котемпературного 1онного азотування зб1льшилась в 15 раз1в, а протизадирн властивост1 в 4,2 рази в пор1внянн1 з неазотованим сплавом в умовах сухого тертя в пар1 з гартованою сталлю ШХ15.
Список лiтератури
1. Яценко В.К., Каплун В.Г., Орлов М.Р. Малоцикловая усталость образцов из сплава ВТ8 с диффузионными покрытиями// Вюник двигунобуду-вання. Запор1жжя: ОАО „"Мотор с1ч" - 2004. -№1. - С. 53-55.
2. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Хмимико-терми-
ческая обработка металлов.: М., Металлургия, 1985. - 255 с.
3. Фед1рко В.М., Погрелюк 1.М. Азотування титану та його сплав1в. Кив, Наукова думка, 1995. - 223 с.
4. Арзамасов Б.Н., Братухин А.Г., Елисеев Ю.С., Панайоти Т.А. Ионная химико-термическая обработка сплавов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 400 с.
5. Панайоти Т.А., Соловьев Г.В. Особенности формирования диффузионных слоев при ионном азотировании а- и (а+Р) - титановых сплавов в интервале температур от 500 до 1000 °С.// МиТОМ. - 1994. - №5. - С. 34-37.
6. Машовець Н.С. Вплив параметр1в юнного азотування титану на ф1зико-механ1чн1 характеристики азотованого шару // Вюник двигунобу-дування. - 2004. - №3. - С. 122-125.
Поступила в редакцию 21.06.2006 г.
Представлены исследования титанового сплава ВТ8 на износостойкость после низкотемпературного ионного азотирования в безводородной среде. Показано, что износостойкость после ионного азотирования существенно увеличивается, что свидетельствует об улучшении трибологических свойств титанового сплава.
Research of titanic alloy ВТ8 on wear-resistance after low temperature ionic nitriding in unhydrogen medium are presented. It is shown, that the wear-resistance after ionic nitriding is essentially increase, that is about the improvement of tribological properties of titanium alloy.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006 # 87 —
