CC BY
11
38 СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №17 (16), 2018 УДК 621.9.048
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ЛОКАЛЬНЫМ КАРБООКСИДИРОВАНИЕМ Корешков Андрей Викторович, аспирант
(e-mail: koresh199304@gmail.com) Бойцов Алексей Георгиевич, д.т.н., доцент (e-mail: agboytsov@mail.ru) Московский авиационный институт (Национально исследовательский университет) г.Москва, Россия
Рассмотрена возможность повышения износостойкости титановых сплавов с помощью локального карбооксидирования. Произведен анализ влияния технологических режимов обработки на формирование поверхностного слоя. Приводятся результаты проведенных экспериментов, рассматривается их взаимосвязь с применяемыми режимами.
Ключевые слова: карбооксидирование, титановый сплав, формирование покрытия, углеродосодержащий электрод.
Состояние вопроса
Локальное карбооксидирование (ЛКО) поверхностей изделий из титановых сплавов является одним из перспективных методов повышения износостойкости и антифрикционных свойств. Эта технология, в частности апробирована для упрочнения гильз гидроцилиндров систем управления створками сопла и поворотными статорными лопатками. ЛКО является разновидностью электроискрового легирования, производимого углеродо-содержащими электродами. При этом на поверхности формируется слой, содержащий карбиды и оксиды титана. Важнейшим фактором, определяющим эффективность локального карбооксидирования, является состояние поверхностного слоя. Последнее зависит от интенсивности воздействия электрических разрядов, а именно, энергии единичных разрядов, их частоты и скважности, скорости перемещения легирующего электрода. В зависимости от требований, предъявляемых к формируемой поверхности, ее шероховатости, сплошности, толщине, пористости могут быть использованы различные режимы обработки. Задачей настоящей работы была оценка влияния технологических факторов на состояние поверхностного слоя после ЛКО.
Методика проведения исследования
Методика проведения исследований приведена на рис.1. ЛКО выполнялось на установке ЕЛФА-731 оснащенной устройством ЧПУ. Упрочнению подвергались образцы титанового сплава ВТ20, который используется для изготовления гидроцилиндров.
Рисунок 1 - Методика проведения исследований
В качестве легирующих электродов использовались пористый графит, и углеродное волокно (рис.2).
Выбор графита в качестве электродного материала обоснован рядом его достоинств:
- при взаимодействии с титаном образует карбиды обладающие высокой износостойкостью;
- включения графита повышают антифрикционные свойства, поскольку графит в свободном состоянии является прекрасным твердосмазочным материалом;
- не требуется предварительная «пассивация» поверхности перед легированием;
- не требуется инертная или восстановительная среда, легирование может происходить на открытом воздухе;
- при ЛКО графитом размеры деталей практически не изменяются, что является важным преимуществом.
А ь
Рисунок 2 - Графитовый электрод (А) и дисковый щеточный электрод
для легирования поверхностей
Применение ЛЭ из углеродных волокон может повысить стабильность процесса ЛКО, и позволить исключить паразитные разряды, возникающие через сколовшиеся частички графитового электрода.
Одним из первых этапов в данной работе являлась задача по выбору оптимальной подачи из условий пористости, толщины и шероховатости поверхности после нанесения покрытия. Обработка производилась на трех режимах (Wh min = 1,92 мДж, Wh ave = 8,96 мДж, WH max = 40 мДж), с подачей инструмента (электрода) s = 50/70/100 мм/мин. На рис. 3 приведены снимки поверхностей при различных режимах и различной подаче электрода.
А Б в
Рисунок 3 - Снимки обработанных поверхностей методом ЛКО: А - Wн ^ = 1,92 мДж, s = 70 мм/мин; Б - Wи ате = 8,96 мДж, s = 100 мм/мин; В - Wи тах = 40 мДж, s = 100 мм/мин.
После анализа полученных данных было выявлено, что на максимальных режимах обработки, поверхность имеет очень пористую структуру, высокую шероховатость, и низкую сплошность покрытия, так же наблюдалось коробление заготовки. Большая сила тока, высокая длительность импульса, применяются только на тонкостенных, крупногабаритных деталях, масса которых должна превышать больше 0,5 кг.
Средние и минимальные режимы не вызвали коробления заготовки, структура поверхности однородна, имеет малую пористость и не высокую шероховатость. Так же, для наглядности был построен график зависимости шероховатости от рабочей подачи инструмента (рис.4), из которого
видно, что подача инструмента, равная б = 70 мм/мин, на минимальных и средних режимах является оптимальной для обработки тонкостенных деталей, из условия низкой шероховатости.
К*, РМИ
-.МичйЫДЛМШЁ 1.92 мД-
^Сревчме З.ЗБмД-
- МйкСШпЬ^ычыи ■мД»
1 = НЮшцшшн
5= Юмм/ии* 1-=70ми/шмп
Рисунок 4 - График зависимости шероховатости от рабочей
подачи инструмента
После того как была выбрана оптимальная подача инструмента (б = 70 мм/мин), нужно было выяснить, как влияет каждый из параметров на режим обработки. Варьировались значения: тока (I), скважности (т), длительности импульса (Т), энергии импульса (") (табл. 1). Максимальные режимы обработки дальнейшему исследованию не подлежали, т.к. имеют существенные недостатки, которые были упомянуты ранее.
Таблица 1 - Технологические режимы обработки
Режим 1
Режим 2
Режим 3
Режим 4
Режим 5
и ауе = 8,96
мДж
1тах 16 А
т тах _ 0,2
Тауе = ауе 8 мкс
"и ауе = 8,96 мДж
1тп = 6,4 А
т тах 0,2
Тауе = 8 мкс
"и ауе = 8,96 мДж
1ауе = 11,2 А ттт 0,1
Тауе = 8 мкс
"и ауе = 8,96 мДж
1ауе = 11,2 А т тах 0,2
Ттах = 20 мкс
и ауе = 8,96
мДж
1ауе 11,2 А
т тах " 0,2
Т ■ = х тт 3 мкс
Режим 6
Режим 7
Режим 8
Режим 9
Режим 10
"и тп = 1,92 мДж
1тах = 16 А Т ■ = 0 1
Тт1п = 3 мкс
"и тп = 1,92 мДж
1ауе = 11,2 А Т ■ = 0 1
ТтЬ = 3 мкс
"и тт = 1,92 мДж
1тш = 6,4 А
Т = 0 2
тах
ТтЬ = 3 мкс
"и тт = 1,92 мДж
1тп = 6,4 А Т ■ = 0 1 Ттах = 20 мкс
"и тт = 1,92 мДж
1тп = 6,4 А т ■ = 0 1 Тауе = 8 мск
По полученным данным были построены графики, а так же произведены снимки обработанных поверхностей, для средних ауе) и минимальных режимов обработки тт), которые наглядно показывают, что оптимальным для среднего режима обработки, из условия низкой шероховатости, является РЕЖИМ 5 (1ауе = 11,2 А, ттах = 0,2, Тт^ = 3 мкс), а для минимального режима обработки, является РЕЖИМ 8 (1т^ = 6,4 А, ттах = 0,2, Тт^ = 3мкс) (рис. 5-7).
Ра, мкм
2,5 2 1,5 1 0,5 0
Режим 1
Рисунок 5 - График зависимости шероховатости от назначенных средних
режимов обработки
1 5 Ра, мкм
1 0,5 0
Режим 6 Режим 7 Режим 8 Режим 9 Режим 10
Рисунок 6 - График зависимости шероховатости от назначенных минимальных режимов обработки
А Б
Рисунок 7 - Снимки обработанных поверхностей методом ЛКО:
А - Режим 5 (Whave = 8,96 мДж, Iave = 11,2 А, Т max = 0,2,
Tmin = 3мкс); Б - Режим 8 (Wh ave = 1,92 мДж, Iave = 6,4 А,
Т max = 0,2, Tmin = 3мкс)
Для контроля шероховатости поверхности на всех этапах эксперимента проводились измерения с помощью измерителя шероховатости (профило-метра) модели TR200, позволяющем провести оценку качества получаемого покрытия после ЛКО.
Фазовый анализ поверхностных слоев, сформированных в процессе ЛКО
Фазовый состав полученных соединений исследовали на порошковом рентгеновском дифрактометре Bruker Advanced 8. Рабочий режим - 40 кВ, 40 мА, Cu излучение, никелевый фильтр, диапазон измерений 20 5 - 80°, шаг по углу сканирования 0.01°. Фазовый состав поверхностных слоев ти-таного сплава ВТ20, сформированных в процессе ЛКО, показал, что во
Режим 2
Режим 3
Режим 4
Режим 5
всем диапазоне используемых параметров разряда и удельного времени обработки в этих слоях наблюдаются в основном четыре фазы - Т1, ТЮ, Т18С5 и Т16Сз.75 (Рис. 8).
3500
3000 Ь 2500 о 52000 и ¿1500 -Ti/C Idown 1600 -Tl/Ci up
и в
Ч H ps £1200 tf 4 p" P
Il.....Jbl) /¡= p" u" .y i X Д î= 2 1 *» ********* lÉ|iH*,fl *Фттфт0 s 600 Л /Р 4 „ У
P N h- i- i- K
500 _ 1 VI-----^»L......200
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
2 thêta, град 2 thêta, град
Рисунок 8 - Дифрактограмма поверхностных слоев титановго сплава ВТ20, сформированных в процессе ЛКО
Спектры комбинационного рассеяния света (КР) в интервале 4000 - 50 см-1 были получены на спектрометре Renishaw U1000 (Ar+ - лазер, X = 514,5 нм). Раман-спектры измеряли на спектрометре, оборудованном мо-нохроматором SPEX. В качестве возбуждающей использовали зеленую линию аргонового лазера с длиной волны 514,5 нм (Рис. 9). Для всех образцов наблюдались одинаковые результаты. Образец неоднороден. Присутствовали (локально) участки с высокой степенью кластеризации графитовых слоев, то есть sp углерод (G-линия) преобладал (Id/Ig = 0,71), либо с sp углеродом (D-линия), то есть в образце наблюдалось увеличение разу-порядочения С - С связи, а также присоединение атомов водорода и кислорода к атомам углерода, имеющих свободные валентности Id/Ig = 1,57
О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 500 10ОО 1500 2000 2500 3000 3500
Рисунок 9 - Романовские спектры исследуемых образцов
Очевидно, формирование такого состава связано с особенностями протекания процессов эрозии и переноса материала анода - графита на катод и его взаимодействия с титановой подложкой. Во-первых, благодаря интенсивным процессам диспергирования и сублимации анода - графита уже в начале процесса ЭИЛ на катоде в зоне воздействия разрядов появляется слой мелкодисперсного графита, который при дальнейшей обработке покрывает всю легируемую поверхность. Последующие разряды протекают в этом слое и через него, который, возможно, и защищает жидкую фазу титана от интенсивного окисления. Во-вторых, наличие большой концентра-
ции углерода в зоне появления жидкой фазы титана обеспечивает в первую очередь синтез ТЮ (хотя у титана более высокое сродство к кислороду) и диффузию углерода в титановую подложку.
Оценка сопротивления изнашиванию и изнашивающей способности поверхности после ЛКО
После того, как были выбраны оптимальные режимы обработки из условия шероховатости, требовалось провести экспресс-оценку несущей способности поверхностного слоя, эксплуатируемого в условиях изнашивания. Для определения данной величины использовалась малогабаритная установка, осуществляющая изнашивание испытываемой поверхности сферическим индентором при его возвратно-поступательном движении (рис.10).
Рисунок 10 - Схема прибора для экспресс-оценки сопротивления изнашиванию и изнашивающей способности
Испытываемый образец 10 устанавливается на столе 1. Величина нормальной нагрузки на сферический индентор 9 задается грузами 4. Вес нагружающего узла 6, установленного на шарнире 14, предварительно уравновешивается противовесом 5. Возвратно-поступательное движение обеспечивается электродвигателем 7 через кривошипно-шатунный механизм 8 и штангу 3. Сферический индентор 9 движется по дуге. Число циклов изнашивания фиксируется счетчиком циклов. Узлы прибора монтируются на плите 2 .На базе этой установки реализовано несколько методик экспресс-оценки. Изнашивание испытываемой поверхности производилось алмазным сферическим индентором (Яинд = 2,5 мм). Выбор для этих целей алмаза обусловлен его малой изнашиваемостью. В качестве критерия оценки несущей способности поверхностного слоя использовалась удельная характеристика ю [м /Н]:
а
к - к т+к )2
64 р N - N) я
Для определения величины ю проводились последовательные испытания на разных участках поверхности с разным числом циклов скольжения алмазного индентора: Кн=100 циклов и Кк=1000 циклов. Затем производи-
лось измерение величин Ьн и Ьк. Последние измерялись на инструментальном микроскопе ММИ-2 с точностью до 0,01 мм. Результаты оценки несущей способности поверхностного слоя, сведены в табл.4.
Таблица 4 - Результаты исследований оценки сопротивления изнашиванию _исследуемых поверхностей после ЛКО_
№ Поверхность испытываемого образца Режим обработки ю (м/Н)
1 ВТ20 - 0,0003582
2 Карбооксидный слой Режим 5 7,8*10-7
3 Карбооксидный слой Режим 8 1,07*10-6
Оценка несущей способности слоя, после нанесения покрытия, повысилась, для наглядности была построена диаграмма (рис.11).
ш, рлкм/н
400
300 200 100 1,4 1,2
0,8 0,6 5.4 3.2 О
■ ВТ20 БЕЗ П□ крьгтиП
■ ^(¡ошачингаийслой Режим5 Кэрбррксидирррэнный :лрн РежимЕ
Рисунок 11 - Оценка несущей способности поверхностного слоя
Выводы
Установлено, что на максимальных режимах обработки, поверхность имеет пористую структуру, относительно высокую шероховатость, и низкую сплошность покрытия, так же наблюдалось коробление заготовки. Средние и минимальные режимы не вызвали коробления заготовки, структура поверхности однородна, имеет малую пористость. Было выявлено, что подача инструмента, равная б = 70 мм/мин, для минимальных и средних режимов является наиболее оптимальной для обработки тонкостенных деталей, из условия получения низкой шероховатости. При оптимизации технологических режимов изменялись значения тока (I), скважности (т), длительности импульса (Т), энергии импульса
Выполнено исследование фазового состава поверхностного слоя показало наличие в нем четырех основных фаз - Т1, ТЮ, Т18С5 и Т16С3.75. Оценка структурного состояния поверхностных слоев, сформированных в процессе ЛКО методом романовской спектроскопии показал, что на детали, в
LOT
местах нанесения покрытия методом ЛКО, имеются участки с высокой степенью кластеризации графитовых слоев, то есть sp2 углерод (G-линия) преобладал (ID/IG = 0,71), либо с sp3 углеродом (D-линия), то есть в образце наблюдалось увеличение разупорядочения С - С связи.
Экспресс испытания на износ, выполненные в условиях скольжения алмазного сферического индентора, показали высокую прочность и износостойкость упрочненного слоя. Список литературы
1. Процессы механической и физико-химической обработки в про- изводстве авиационных двигателей: Учеб. пособие / А.Г. Бойцов, А.П. Ковалев, А.С. Новиков и др. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 584 с.: ил.
2. Мулин Ю.И., Верхотуров А.Д. Электроискровое легирование рабочих поверхностей инструментов и деталей машин электродными материалами, полученными из минерального сырья. Владивосток: Дальнаука, 1999.-110с.
3. Лазаренко Н.И. О механизме образования покрытие при электроискровом легировании металлических поверхностей. Электронная обработка материалов, 1965, № 1.
4. Лазаренко Н.И., Лазаренко Б.Р. Электроискровое легирование металлических поверхностей. //Электронная обработка материалов. 1977. № 3. С.12 16.
5. Верхотуров А.Д. Обобщенная модель процесса электроискрового легирования. // Электрофизические и электрохимические методы обработки. 1983. №1. С. 3-6.
Koreshkov Andrey Victorovich, postgraduate (e-mail: koresh199304@gmail.com)
Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia Boytsov Aleksey Georgievich, Doctor of technical sciences, associate professor (e-mail: agboytsov@mail.ru)
Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia ROVISION OF WEAR-RESISTANCE OF TITANIUM ALLOYS BY LOCAL CARBOXOIDING
Abstract. The possibility of increasing the wear resistance of titanium alloys with the help of local carburizing was considered. Was made the analysis of the influence of technological processing regimes on the formation of the surface layer.
The results of the conducted experiments are presented, their interrelation with the applied regimes is considered.
Key words: carboxylation, titanium alloy, coating formation, carbon-containing electrode.
