CC BY
93
ISSN 1992-6502 (P ri nt)_
2016. Т. 20, № 2 (72). С. 23-28
Ъыьмт QjrAQnQj
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 669.295:621.785.532
Влияние азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на структуру и свойства поверхности титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1
и. в. зОЛОТОВ1, к. н. рАМАЗАНОВ2
1 [email protected], 2 [email protected] ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 21.06." 16
Аннотация. Предложен способ интенсификации процесса ионного азотирования титановых сплавов путем создания плазмы повышенной плотности в тлеющем разряде с полым катодом. Рассмотрено влияние ионного азотирования и азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на микроструктуру, фазовый состав, микротвердость и износостойкость поверхностного слоя образцов из титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1.
Ключевые слова: ионное азотирование; титановые сплавы ВТ6 и ВТ3-1; тлеющий разряд с полым катодом.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время титановые сплавы имеют широкое применение в авиационной промышленности, что обусловлено уникальным сочетанием их физико-механических и технологических свойств: относительно низкая плотность, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, жаропрочность. Однако их применение лимитировано рядом недостатков, связанных со свойствами поверхности титана и его сплавов. Низкая твердость и, как следствие, износостойкость поверхности, склонность к налипанию, большие коэффициенты трения в паре с подавляющим количеством материалов ограничивают применение титановых сплавов для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного трения и износа поверхности [1, 2].
В данной работе предложено использовать тлеющий разряд с полым катодом для создания плазмы повышенной плотности [3, 4], позволяющей производить эффективное ионное травление нитридной пленки, формирующейся на поверхности обрабатываемого титанового сплава, что в свою очередь ведет к интенсификации процесса ионного азотирования [5].
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 1 приведена схема модернизированной установки ЭЛУ5-М, которая использовалась для азотирования титановых сплавов в тлеющем разряде с полым катодом.
Рис. 1. Схема экспериментов по азотированию образцов в тлеющем разряде с полым катодом
Для создания катодной полости над образцом устанавливался экран из титанового сплава с отверстиями, который находился под тем же электрическим потенциалом (см. рис. 1).
В качестве материала для образцов были выбраны двухфазные титановые сплавы ВТ6 и ВТ3-1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 и 3 представлены фотографии микроструктур поверхностного слоя образцов из титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 после азотирования в тлеющем разряде и после азотирования в тлеющем разряде с полым катодом при температуре 800°С в течение 8 ч.
Рис. 2. Микроструктуры поверхностного слоя образцов из титанового сплава ВТ6, азотированных в тлеющем разряде и в тлеющем разряде с полым катодом при температуре 800°С в течение 8 ч
Рис. 4. Распределения микротвердости по толщине поверхностного слоя образцов из титанового сплава ВТ6 после ионного азотирования (о) и после азотирования в тлеющем разряде с полым катодом (•) при температуре 800°С в течение 8 ч
Рис 3. Микроструктуры поверхностного слоя образцов из титанового сплава ВТ3-1, азотированных в тлеющем разряде и в тлеющем разряде с полым катодом при температуре 800°С в течение 8 ч
Анализ микроструктуры поверхностного слоя показывает наличие на поверхности всех образцов светлого слабо травящегося слоя, предположительно состоящего преимущественно из а-фазы, так как азот является а-стабилизатором титана. Для обоих сплавов азотирование в тлеющем разряде с полым катодом в течение 8 ч позволяет добиться большей величины данного слоя приблизительно в 1,5-2 раза по сравнению с величиной слоя после традиционного азотирования в тлеющем разряде, при этом толщина этого слоя составляет ~90 мкм.
С целью определения толщины упрочненного слоя были получены распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя азотированных образцов. Данные распределения для титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 приведены на рис. 4 и 5 соответственно.
Рис. 5. Распределения микротвердости по толщине поверхностного слоя образцов из титанового сплава ВТ3 -1 после ионного азотирования (о) и после азотирования в тлеющем разряде с полым катодом (•) при температуре 800°С в течение 8 ч
Азотирование титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 в тлеющем разряде с полым катодом в течение 8 ч позволило получить прирост поверхностной микротвердости и толщины упрочненного слоя по сравнению с обычным ионным азотированием. Также профили микротвердости поверхностного слоя образцов, прошедших азотирование в тлеющем разряде с полым катодом, обладают меньшим градиентом, что положительно сказывается на качестве азотированного слоя.
На рис. 6-11 представлены полученные ди-фрактограммы с поверхности образцов из титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 в исходном состоянии, после обработки в тлеющем разряде и в тлеющем разряде с полым катодом.
Рис. 6. Дифрактограмма с поверхности образца из сплава ВТ6 в исходном состоянии
Рис. 9. Дифрактограмма с поверхности образца из сплава ВТ3-1 в исходном состоянии
Рис. 7. Дифрактограмма с поверхности образца из сплава ВТ6 после азотирования в тлеющем разряде в течение 8 ч при температуре 800°С
Рис. 8. Дифрактограмма с поверхности образца из сплава ВТ6 после азотирования в тлеющем разряде с полым катодом в течение 8 ч при температуре 800°С
Рис. 10. Дифрактограмма с поверхности образца из сплава ВТ3-1 после азотирования в тлеющем разряде в течение 8 ч при температуре 800°С
Рис. 11. Дифрактограмма с поверхности образца из сплава ВТ3-1 после азотирования в тлеющем разряде с полым катодом в течение 8 ч при температуре 800°С
Анализ полученных дифрактограмм показал на формирование на поверхности нитридов титана различного стехиометрического состава (ТК, как после традиционного ионного
азотирования, так и после азотирования в тлеющем разряде с полым катодом. При этом интенсивность рефлексов а-фазы на дифрактограмме, полученной с поверхности образца, азотированного в тлеющем разряде с полым катодом, выше, что указывает на более высокое содержание азота вследствие того, что азот является а-стаби-лизатором титана. Таким образом, прирост микротвердости поверхности после ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом достигается преимущественно за счет формирования не хрупких нитридных фаз, а более пластичного твердого раствора азота в а-титане.
Испытания на износ проводились по стандартизованной схеме «шар-диск». В качестве контртела использовался шарик из стали ШХ15 диаметром 3 мм, нормальная нагрузка составила 4 Н, диаметр трека - 5 мм, скорость вращения -500 об/мин.
Полученные в результате испытаний зависимости коэффициента трения от времени изнашивания образцов, представлены на рис. 12-15.
Анализ полученных зависимостей показал, что время приработки для образца из титанового сплава ВТ6, азотированного традиционным методом, составило менее 2 мин, а для образца, прошедшего обработку в тлеющем разряде с полым катодом - 7,5 мин. Таким образом, образец, азотированный в тлеющем разряде с полым катодом, эффективно сопротивлялся износу почти в 4 раза дольше. Использование тлеющего разряда с полым катодом для ионного азотирования образцов из титанового сплава ВТ3-1 привело к уменьшению среднего коэффициента трения в режиме нормального износа в 2 раза.
Рис. 12. Изменение коэффициента трения от продолжительности изнашивания образца из титанового сплава ВТ6 после ионного азотирования
Рис. 13. Изменение коэффициента трения от продолжительности изнашивания образца из титанового сплава ВТ6 после азотирования в тлеющем разряде с полым катодом
Рис. 14. Изменение коэффициента трения от продолжительности изнашивания образца из титанового сплава ВТ3-1 после ионного азотирования
Рис. 15. Изменение коэффициента трения от продолжительности изнашивания образца из титанового сплава ВТ3-1 после азотирования в тлеющем разряде с полым катодом
В результате измерений профилей образцов с помощью контактного профилометра была определена средняя площадь поперечного сечения трека износа, и затем посчитан параметр износа для необработанных образцов, образцов, прошедших ионное азотирование, и образцов, азотированных в тлеющем разряде с полым катодом. Результаты расчетов приведены на рис. 16, 17.
о
X
m z
Q. I-
0J
S го а го
600000 500000 400000 300000 200000 100000 0
Исходное Ионное Азотирование состояние азотирование в тлеющем
разряде с полым катодом
Способ обработки
Рис. 16. Параметр износа образцов из сплава ВТ6
350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0
303729
i
i
:
:
: 26559
: 15525 1 1 ,-,
Исходное Ионное Азотирование состояние азотирование в тлеющем
разряде с полым катодом
Способ обработки
Рис. 17. Параметр износа образцов из сплава ВТ3-1
Таким образом было установлено, что образцы, прошедшие обработку в тлеющем разряде с полым катодом, сопротивляются износу эффективнее более чем в 10 раз по сравнению с образцами в исходном состоянии, и в 1,2-1,8 раза эффективнее по сравнению с образцами, прошедшими обычное ионное азотирование.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что азотирование титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1 в тлеющем разряде с полым катодом ведет к образованию на поверхности нитридов титана различного стехиометриче-ского состава (TiN, Ti2N) и к увеличенному содержанию а-фазы по сравнению с количеством а-фазы, формирующимся после ионного азотирования. Модифицированный слой представлен на микроструктуре в виде светлого слоя, правно переходящего в микроструктуру основы, мелкозернистость которой сохраняется после обработки.
Установлено, что ионное азотирование титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1 в тлеющем разряде с полым катодом в течение 8 ч при температуре 800°C ведет к увеличению микротвердости поверхности на 100-150 HVo,i и толщины упрочненного слоя в 2-3 раза по сравнению с соответствующими величинами после ионного азотирования.
Установлено, что образцы из титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1, прошедшие азотирование в тлеющем разряде с полым катодом при температуре 800°С в течение 8 ч, сопротивляются износу эффективнее более, чем в 10 раз по сравнению с образцами в исходном состоянии, и в 1,2-1,8 раза эффективнее по сравнению с образцами, ионно-азотированными в тлеющем разряде.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Цвиккер У. Титан и его сплавы / Пер. с нем. М.: Металлургия, 1979. 512 c. [ U. Tzvikker, Titanium alloys and its alloys. Trans. from German, (in Russian). Moscow: Metal-lurgiya, 1979. ]
2. Ильин А. А., Колачев Б. А., Полькин И. С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: справочник. М: ВИЛС-МАТИ, 2009, 520 с. [ A. A. Ilyin, B. A. Kolachev, I. S. Polkin, Titanium alloys. Composition, structure, properties. Reference (in Russian). Moscow: VILS-MATI, 2009. ]
3. Будилов В. В., Агзамов Р. Д., Рамазанов К. Н. Технология ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом // МиТОМ. 2007. № 7. С. 25-29. [ V. V. Budilov, R. D. Agzamov, K. N. Ramazanov, "Technology of ion nitriding in glow discharge with a hollow cathode" (in Russian), in Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, vol. 49, no. 7, pp. 25-29, 2007. ].
4. Ахмадеев Ю. Х., Иванов Ю. Ф., Коваль Н. Н. и др. Азотирование титана ВТ1-0 в несамостоятельном тлеющем разряде низкого давления в различных газовых средах // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. №2. С.108-112. [ Yu. Kh. Akhmadeyev, Yu. F. Ivanov, N. N. Koval and others, "Nitrinitg of titanium VT1-0 in non-self low-pressure glow discharge in different gas enviroments" (in Russian), in Poverkhnost. Rentgenovskiye, sinkhrotronnyye I neytronnyye issledovaniya, no. 2, p. 108-112, 2008 ]
5. Лопатин И. В., Ахмадеев Ю. Х. Азотирование образцов титановых сплавов в плазме тлеющего разряда с полым катодом // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Математика. Физика. 2011. Т. 22. № 5. С. 180-186. [ I. V. Lopatin, Yu. Kh. Akhmadeyev, "Nitriding of titanium alloys samples in plasma of glow discharge with hollow cathode" (in Russian), in Nauchnye ve-domosti Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Matematika. Fizika, vol. 22, no. 5, p. 180-186, 2011. ]
ОБ АВТОРАХ
ЗОЛОТОВ Илья Владимирович, асп. каф. технол. машиностроения, дипл. инж. по машинам и технологиям высокоэф-фективн. процессов обработки материалов (УГАТУ, 2013). Готовит дисс. об азотировании титановых сплавов в тлеющем разряде с полым катодом.
РАМАЗАНОВ Камиль Нуруллаевич, доц. каф. технол. Машиностроения, дипл. инженер-технолог. производств (УГАТУ, 2004). Канд. техн. наук по вакуумным ионно-плазм. методам модифицирования поверхности. Иссл. высокотемпературное ионное азотирование конструкционных и инструментальных сталей в тлеющем разряде с полым катодом.
METADATA
Title: Influence of ion nitriding in glow discharge with hollow cathode on structure and properties of surface of VT6 and VT3-1 titanium alloys.
Authors: I. V. Zolotov1, K. N. Ramazanov, Yu. G. Khusainov
Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia.
Email: 1 [email protected]
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 20, no. 2 (72), pp. 23-28, 2016. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: A method of intensification of process of ion nitriding of titanium alloys by creating a high density plasma in a glow discharge with the hollow cathode was offered. The influence of ion nitriding and nitriding in a glow discharge with the hollow cathode on the microstructure, phase composition, microhardness and wear resistance of surface layer of VT3-1 and VT6 titanium alloys samples was studied.
Key words: ion nitriding; VT6 and VT3-1 titanium alloys; glow discharge with hollow cathode.
About authors:
ZOLOTOV, Ilya Vladimirovich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of Engineering technology. Dipl. engineer-technologist. (UGATU, 2013).
RAMAZANOV, Kamil Nurullaevich, Dept. of Engineering technology. Dipl. engineer-technologist (UGATU, 2004), cand. of Tech. Sci. (Tomsk, 2009).
