CC BY
83
3. Патент 6113718 США, Ridjrest K. AND-stabilizers. Подан 22.12.1998, зарегистрирован 05.09.2000.
4. Anflo K., Gronland T., Bugmon G. Towards green propulsion for spacecraft with AND-based monopropellant. AIAA-2002-3847.
5. Anflo K. at, al. Green propulsion for spacecraft towards the first flight of AND-based propulsion on Prisn in 2009. IAC-06-C4.1.08.
Об авторах
А. Н. Нестеренко — ведущий науч. сотр. ОКБ «Факел».
С. В. Солодова — асп., РГУ им. И. Канта.
84
УДК 621.785.53
А. Н. Тарасов, Н. Р. Павловский, Е. В. Ясинская
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ КАРБОНИТРИРОВАННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Исследованы свойства диффузионных слоев, формирующихся на титановых сплавах при проведении высокотемпературной химико-термической обработки в активированных древесноугольных смесях. Установлены особенности морфологии изломов и микроструктура слоев на титановых сплавах ВТ6,
ВТ14 с применением растрового электронного микроскопа.
Properties diffusion the layers formed on titanic alloys at carrying out of high-temperature chemical-thermal processing in activated the coal mixes are investigated. Features of morphology of breaks and a microstructure of layers on titanium alloys with application of a raster electronic microscope are established.
Упрочняющая химико-термическая обработка деталей из титановых сплавов — оксиазотирование, карбонитрирование перспективны для повышения эксплуатационных свойств износостойкости, коррозионной стойкости, трибологических характеристик поверхности [1 — 3].
В ОКБ «Факел» совместно с РГУ им. И. Канта проведены опыты и исследования по определению возможности упрочения деталей ЭРД МТ, а также специального инструмента и оснастки из сплавов титана ВТ1-0, ВТ-6, ВТ-14 в новых порошковых смесях на основе активированных древесных углей с азотоуглеродосодержащими активирующими компонентами [5 — 7].
Образцы для исследований, мелкоразмерные детали и инструмент изготавливали из прутков технического титана ВТ1-0 010 мм по ОСТ 1.90173-75; сплава ВТ-6, плиты толщиной 12 мм по ГОСТ 22 178-76; сплава ВТ-14, прутка 014 мм по ОСТ 1.90266-78. Диффузионное насыщение проводили в порошковых древесноугольных смесях с упаковкой в герметичные контейнеры из нержавеющей стали 12Х18Н10Т по схеме «контейнер в контейнере» (табл. 1). Порошковые смеси содержали в
Вестник РГУ им. И. Канта. 2008. Вып. 4. Физико-математические науки. С. 84 — 89.
качестве основы уголь гранулированный активированный по ГОСТ 20464-73 или отработанный дробленый древесноугольный карбюризатор по ГОСТ 2407-83, а также азотосодержащие активаторы — карбамид (ЫНО^О по ГОСТ 6691-77 и трилон-Б (СіоН80іо)№2№ по ГОСТ 10652-73, взятые в равных количествах.
Структуру слоев и основы изучали на микроскопах ММР-4 и «Неофот» на образцах после испытаний на растяжение и ударный изгиб.
Таблица 1
Режимы химико-термической обработки образцов и деталей
Вид обработки, состав древесноугольной смеси, массовый % Температура, °С Время выдержки, час Условия нагрева и охлаждения
Карбонитрирование высокотемпературное в контейнерах в печи СНОЛ-1,6.2,5.1 /10И1, отработанный карбюризатор, дробленый 80, карбамид 10, трилон-Б, 10 900 5 — 6 Загрузка в печь при температуре х. т. о., выдержка, выгрузка контейнера на воздух
950 4—5
1000 3—6
Морфологию поверхностей и изломов, а также структуру карбо-нитридных слоев изучали на растровом микроскопе |БМ-6390 ЬУ (Япония).
Изменение класса шероховатости образцов при карбонитрирова-нии определяли на профилографах РегШошеЬег М-1, углеродный потенциал насыщенных порошковых сред оценивали количественным анализом на углерод фольги, толщиной 0,1 мм, из технического чистого титана ВТ1-0.
Исследования структуры диффузионных слоев показали (рис. 1), что при карбонитрировании в древесноугольных порошковых смесях с добавками карбамида и трилона-Б процесс протекает в две стадии. Вначале неизотермически при прогреве садки до 900 — 1000 °С, затем в процессе выдержки в атмосфере диссоциации карбамида и трилона-Б в присутствии избыточного углерода:
(МН2)С0^МНз+С0+0,5№+0,5И2,
(С;юН80;ю)№2М^-9С0+М2+№20+2Н2+СН4.
Рис. 1. Микроструктура диффузионного слоя карбонитрированного сплава ВТ14, 870 °С, 4 часа
На поверхности всех сплавов формируется тончайшая пленка оксида ТЮ2 отслаивающаяся при ударном нагружении от основного диффузионного слоя, содержащего оксикарбонитриды Т1СхО& TiCxNyOz, ТС, имеющего высокую твердость (табл. 2).
Таблица 2
Свойства диффузионных слоев карбонитрооксидированных титановых сплавов
Сплав Режим х. т. о.* Толщина слоя, мкм Микротвердость, НУ1Н Прочность, ов, МПа
Слой Основа
ВТ1-0 1000°С, 4 часа 1800 — 200 892 695 660 532 265 260 540
ВТ 6 920 °С, 4 часа 120 — 130 805 760 636 477 378 376 970
ВТ 14 880 °С, 5 часов 140 — 170 987 903 890 770 435 434 1210
* — состав смеси и условия охлаждения в табл. 1, углеродный потенциал 2,14 %С
86
Это связано со значительным ростом зерна основного металла в процессе выдержки и твердостью диффузионных слоев НУщ = 895 - 983. На рисунке 2 показано изменение микротвердости по глубине диффузионного слоя.
Рис. 2. Изменение микротвердости по глубине диффузионного слоя сплава ВТ-14 и сплава ВТ-6
Износостойкость диффузионных слоев на титановых сплавах существенно попытается при контактном абразивном износе вследствие образования карбонитридов Ті(СМ), карбидов ТіС и нитридов ТІМ переменного состава, имеющих микротвердость выгше НУщ = 1400 - 1500. Меньшей износостойкостью обладает поверхностный слой, содержащий оксид Ті02, толщиной 5 — 10 мкм. На рисунке 3 приведены данные определения износостойкости диффузионных слоев при сухом кон-
1Н
тактном трении кругами из синтетических алмазов при скорости вращения 600 об/мин на станке «Нерис».
м 2
87
путь трения
м
Рис. 3. Уменьшение массы образцов карбонитрированного при 1000 °С, 4 часа сплава ВТ1-0 при послойном шлифовании (1 — наружный слой Ті02; 2 — слой ТіСхКТу02, ТіСКТ;
3 — зона твердого раствора углерода, азота, кислорода в титане)
Износостойкость карбонитрооксидных слоев, полученных при равных условиях высокотемпературной х. т.о. на сплаве ВТ-6, быта на 25 — 30 % выше, а на сплаве ВТ14 на 35 — 40 % выше, чем на сплаве ВТ1-0, при близких, в пределах НУщ = 30—40 значениях интегральной микротвердости на заданной глубине слоя. На рисунке 4 приведена коррозионная стойкость карбонитрооксидных слоев при испытании в агрессивной среде.
г/м2
^ ч
Рис. 4. Скорость коррозии (по уменьшению веса) сплава ВТ1-0 после х. т.о. 1000 °С, 4 часа в 40 % Н2ЭО4 (1 — поверхностного оксидного слоя;
2 — слоя карбонитридов)
88
В таблице 3 даны результаты испытаний титановых сплавов при карбонитрооксидировании по различным режимам.
Исследования показали, что при высокотемпературном карбонитрооксидировании в древесноугольных порошковых смесях с активаторами, азотоуглеродонатрийсодержащими компонентами происходит достаточно интенсивное формирование диффузионных слоев со скоростью 35 — 45 мкм / ч при температурах 920 — 980 °С.
Таблица 3
Свойства диффузионных слоев карбонитрированных титановых сплавов
Сплав, режим х. т. о. Шероховатость Иа, мкм, исх/ обр Микротвердость, ИУіи Износостойкость в слое 100 мкм, г/ см210-2 * Коррозионная стойкость, г/м2**
ВТ1-0, 980 — 1000 °С, 4ч 0,38 — 0,42 796 — 804 4,7—3,0 4,3—4,9
£ 0, 1 5 ,6 0,
ВТ-6, 920 — 950 °С, 4ч 0,30 — 0,45 840 — 870 3,1—3,4 5,1—5,4
0,55 — 0,58
ВТ-14, 950 — 980 °С, 4ч 0,30 — 0,44 911 — 938 1,8—2,1 3,7—4,1
1 ,6 0, 1 0 ,5 0,
* — на длине пути трения 400 м. ** — при испытании 250 часов в серной кислоте.
Выводы
1. Высокотемпературная химико-термическая обработка, карбо-нитрооксидирование в активированных древесноугольных порошковых смесях целесообразна для повышения эрозионной стойкости, износостойкости деталей и инструмента, работающего при контактном и абразивном износе и в среде плазмы ЭРД МТ.
2. Температура диффузионного насыщения и время выдержки должны назначаться с учетом толщины изделий, их назначения и условий статического или динамического нагружения в процессе эксплуатации. Разработанные технологии позволяют формировать в более короткое время высокопрочные диффузионные слои повышенной твердости, износостойкости и коррозионной стойкости, прочно связанные с основой.
3. Разработанные технологии осуществимы в условиях малых предприятий и производств, малоэнергозатратны и осуществимы на неспециализированном термическом оборудовании. Порошковые составы не содержат дефицитных компонентов и обеспечивают экологическую чистоту процессов.
Список литература
1. Химико-термическая обработка: Справочник / Под ред. Л. С. Ляховича. М., 1981.
2. Бурышев И. Н., Валиахметова О. М., Мутагарова С. А. Химико-термическая обработка титановых сплавов в порошковых средах // МиТОМ. 2007. № 5 (623). С. 53-59.
3. Гурын С. В., Погрелюк И. Н., Федирко В. Н. Закономерности формирования износостойких покрытий на титане // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 1. С. 26—29.
4. Погрелюк И. Н., Яськов О. И., Федирко В. Н. Применение комбинированных методов азотирования для формирования износостойких покрытий на титановых сплавах // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 7. С. 29 — 34.
5. Пат. РФ. Пол. реш. №2006126472, С 23С 8/78, Состав для нитроцементации изделий из легированных сталей., 20.07.2007 (авт. Тарасов А. Н. и др.).
6. Тарасов А.Н., Павловский Н. Р., Тилипалов В. Н., Технологические особенности нитроцементации сталей в активированных древесноугольных смесях // Технология машиностроения. 2007. № 7. С. 13—18.
7. Пат. РФ. № 2237744, С 23С 8/76. Способ никотрирования стальных деталей и инструмента. БИ №28, 2005 (авт. Тарасов А. Н. и др.).
89
Об авторах
А. Н. Тарасов — ст. науч. сотр. ОКБ «Факел». Н. Р. Павловский — асп., РГУ им. И. Канта.
Е. В. Ясинская — ст. препод., РГУ им. И. Канта.
