CC BY
29
УДК 621.785.532
Д-р техн. наук В. Г. Каплун1, канд. техн. наук Н. С. Машовець1, д-р техн. наук О. О. Розенберг 2, д-р техн. наук С. С. Шейшн2
1 Хмельницький нацюнальний утверситет, 21нститут надтвердих матергалгв ¡м. В. М. Бакуля HAH УкраХни, м. КиХв
ВПЛИВ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОГО АЗОТУВАННЯ В ТЛ1ЮЧОМУ РОЗРЯД1 НА ЗНОСОСТШКЮТЬ ПАРИ
«ТИТАН-ТИТАН»
Приведено експериментальш досл^дження 3H0C0cmiÜK0cmi пари «титан-титан» з технично чистого титана ВТ1-0 тсля низькотемпературного азотування в тлтчому po3pndi в безводневому насичуючому cеpедoвищi (cyMirni азоту i аргону), змти mвеpдocmi, товщи-ни, фазового складу i mpибoлoгiчних властивостей азотованого шару залежно вiд техноло-гiчних паpамеmpiв процесу змщнення, RKi змтювалися в широкому дiапазoнi. Визначено оптимальш режими змщнення, що забезпечують мiнiмальнy ттенсившсть зношування азотованого шару в cеpедoвищi Ртгера в умовах вантаження, близьких до умов роботи в суглобах людини.
Ключов1 слова: азотування в тлтчому poзpядi, титан ВТ1-0, зносостшкють, мжро-структура, фазовий склад.
Вступ
Титан i його сплави застосовуються в багатьох галузях бюмедицини завдяки сво!м унжальним властивостям, таким як мала питома вага, низький модуль пружноста, висока корозшна стшюсть i бюсумстстъ [1]. Проте, низька зносостшкють цих матерiалiв в умовах граничного i абразивного тертя не дозволяе ¿х використовувати у сферi хiрурги для протезування суглоб]в людини без змщнення поверхш. В даний час юнуе багато способiв змiцнення поверхш титану: юнна ]мплантац1я, лазерне змщнення, азотування, нанесення покритпв методами PVD i CVD, створення на поверхш наноструктур [2, 3]. Проте триболопчш властивост цих покриттiв i бюлопчна дiя продукт1в зносу на оргашзм людини мало вивченi. Одним з перспективних методiв змiцнення поверхнi тертя пари «метал-метал» е безводневе азотування в ттючому розрядi [4, 5].
Азотування в ттючому розрядi титанових сплав]в дозволяе змшювати мехашчш властивост i фазовий склад азотованих шар]в в широких межах [3—9]. При високотемпературному азоту-ваннi в ттючому розрядi досягаеться висока твердiстъ поверхш титанових сплавiв — до 2000 МПа, але при цьому рiзко зменшуеться пла-стичнiстъ азотованих шар]в i на 30 % зменшуеться границя мiцностi при розтязi матерiалу [3, 6]. На-явнiсть водню в насичуючому середовищi пвдви-щуе крихкiсть азотованих шар]в та зменшуе ме-ханiчнi характеристики титанових сплавiв. Збiлъшення часу азотування титанових сплав±в сприяе збiлъшенню товщини азотованого шару
до певних меж по параболiчнiй залежностi [7]. Додавання в насичуюче середовище iнертних газiв гел1ю i аргону сприяе збшьшенню плас-тичносп та товщини азотованого шару [6, 10].
Альтернативою високотемпературному азоту-ванню титанових сплав]в е низькотемпературне (до 700 °С) азотування в тшючому розряд в безводневому (азотно-аргонному) середовищi [5, 6]. При такш технологй збер1гаються вихщш ме-ханiчнi характеристики титанових сплавiв, вик-лючаеться ¿х воднева крихшсть, на поверхнi вщсутня крихка фаза 8-TiN i утворюеться плас-тичний азотований шар з нiтридною зоною, що мае в своему складi в рiзному спiввiдношеннi фази TiN, Ti2N i Tia(N) в залежносп вiд режиму азотування. При оптимальному сшввщношенш твердостi i пластичностi та високш корозшнш стiйкостi можна досягати значного пiдвищення зносостiйкостi титанових сплавiв в корозшно-активному середовищi i, зокрема, в рiцинi Ршге-ра.
Методика експеримекпв
З метою визначення максималъно¿ зносостй-кост пари тертя «титан-титан» iз матерiалу ВТ1-0 в середовишд рщини Ршгера при тиску 3,5 МПа на поверхш тертя i швидкосп ковзання 0,057 м/с нами розроблена методика випробувань з вико-ристанням технологй низькотемпературного азотування в тшючому розрядi в безводневому насичуючому середовищд (сумiшi азоту з аргоном). Змша властивостей поверхш тертя досягалась за рахунок рiзних технологiчних режимiв азотуван-
© В. Г. Каплун, Н. С. Машовець, О. О. Розенберг, С. е. Шейюн, 2011
ня. Технолопчш параметри процесу азотування (температура дифузшного насичення Т °С, тиск в вакуумнш камер1 Р 1 склад насичуючого сере-довища — сум1ш К2+Аг) зм1нювались в слвдую-чих межах: Т °С - ввд 540 °С до 680 °С; Р - ввд 240 до 400 Па; об'емний вмют Аг в сумш1 ^+Аг — ввд 25 до 95 %. Час дифузшного насичення прий-мався 6 годин.
3 метою зменшення кшькосп експериментiв 1 одержання математичних залежностей властиво-стей азотованого шару 1 триболопчних характеристик пари тертя в1д технолог1чних параметр1в процесу азотування застосовувався трьохфактор-ний план другого порядку [11] (табл. 1) ввдпов1-дно до якого
у = ьо + Ъххх + Ъ2 х2 + ьз хз + ЪХ2 ххх2 + Ъхъ х^хз +
+ Ъ23 х2 х3 + Ъ11х12 + Ъ22 х2 + Ъ33 х3> (1)
де у — ввдклик функци;
Ъо, Ъу — коефшденти регреси;
хь х2, х3 — технолог1чн1 параметри процесу азотування.
В процес дослвджень властивостей поверхн1 титану ВТ1-0 тсля р1зних режим1в азотування контролювалась мжротвердгсть поверхн1 за до-помогою приладу ПМТ-3, товщини штридного шару з використанням мжроструктурного анал1-зу за допомогою м1кроскопу М1М-10 1 фазовий склад поверхневого шару з використанням установки ДРОН-3М.
Дослвдження зносостшкосп пари «титан-титан» проводились на машин1 торцового тертя. Вимрювання зносу зразюв проводились на спе-ц1альному вим1рювальному пристро! в одних 1 тих же точках з точтстю до 0,5 мкм через кожш
100 м шляху тертя. При цьому вим1рювалась мжротвердость поверхн1 тертя. Результати вим1-рювань визначались як середньоарифметичне значення п1сля десятикратного повторення вим1-рювань. Кожний досл1д зношування за даним режимом азотування повторювався три рази 1 юнцевий результат приймався як середне ариф-метичне з 3-х дослвдв.
Результати дослвджень
В таблиц 1 наведет результати дослвджень мжротвердосп поверхш титану ВТ1-0 п1сля азо-тування за р1зними режимами. 3 таблиц1 видно, що в результата азотування мжротвердость поверхш збшьшилась в1д 1998 МПа до 7390 МПа (режим 1). При цьому в залежност1 в1д значень технолог1чних параметр1в м1кротверд1сть повер-хневого шару змшювалась ввд 5126 МПа (режим 8) до 7390 МПа (режим 1). Величина мжротвер-дост1 залежить ввд фазового складу поверхн1. Як видно з табл. 1, на поверхш сплаву ВТ1-0 тсля низькотемпературного азотування утворюються три фази Т1К, 1 Т1а(К). Саму високу
тверд1сть мае фаза Т1К, меншу — ^К. Твердость зони внутршнього азотування (Т1И(Й)) змшюеть-ся в залежносп ввд концентраци в н1й азоту.
Тверд1сть поверхневого шару азотованого титану залежить ввд ствввдношення цих фаз 1 тим вища, чим бшьша кшьысть фази Т1К (табл. 1).
На рис. 1 наведена мжроструктура зразюв титанового сплаву ВТ1-0 тсля азотування в тл1ю-чому розряд1 за р1зними режимами. 3 рисунку видно, що структура матер1алу основи при низь-котемпературному азотуванш не змшюеться. На поверхн утворюеться азотований шар з р1зною за товщиною н1тридною зоною, яка залежить в1д режиму азотування, 1 слабо травився травником.
Таблиця 1 — Характеристики азотированних шар1в титану ВТ1-0 п1сля р1зних режимв азотування
№ режиму Технолопчш параметри азотування Мжро-тверд. поверхш Н100, МПа Товщина, мкм Ф пове >азовий склад рхш, об'емних %
Темп. Т, °С Тиск Р, Па Вмют Аг, % Азот. шару Ктридно! зони ™ т^)
1 680 400 70 7390 320 4,0 15,0 18,2 66,8
2 680 240 70 7350 290 3,0 6,9 25,9 67,2
3 640 400 70 5390 180 1,0 1,0 23,5 75,5
4 640 240 70 5863 200 5,0 9,7 18,2 72,1
5 660 320 70 6330 260 9,0 10,6 21,5 67,9
6 680 320 95 6615 240 8,0 10,9 21,2 67,9
7 680 320 45 6420 220 4,5 6,1 20,4 73,5
8 640 320 95 5126 260 0,8 - 24,0 76,0
9 640 320 45 5390 175 4,3 7,9 26,2 65,9
10 660 320 70 6355 250 9,0 10,8 21,6 67,6
11 660 400 95 6803 230 4,0 14,1 16,5 69,4
12 660 400 45 6307 350 8,5 7,1 21,2 71,4
13 660 240 95 7182 360 3,5 10,5 20,9 69,5
14 660 240 45 5673 200 10,0 6,5 17,1 76,5
15 660 320 70 6307 250 9,0 10,4 20,8 68,8
Опти-мальний 666 240 45 6760 280 9,5 11,3 22,1 66,6
Розподол мжротвердосп по глибиш азотова-ного шару, яка вим1рювалася в процес дослвд-жень на зношування, показана на рис. 2. 3 графтв видно, що для азотованих зразк1в мжротвердкть зменшуеться по глибиш азотова-ного шару по експоненцшнш залежност з р1зни-ми град1ентами твердост в залежност вщ режиму азотування. Шсля зношування азотованого
шару твердость на поверхш тертя складае 3200— 3300 МПа. Неазотований ВТ1-0 мае вихвдну мжротверд^ть поверхш шсля шл1фування ~ 2000 МПа. В процес тертя на поверхш неазо-тованого титану ВТ1-0 мжротвердость збшьшуеть-ся в результата утворення наклепу i в даних умо-вах тертя складае ввд 3200 до 3300 МПа.
Рис. 1. Мжроструктура неазотованого титану ВТ1-0 (а) та тсля азотування в тлiючому розрядi за рiзними
режимами: б - № 12, в - № 14, г - № 15 (х 200)
Н 100 МПа
7000
6000
?000
4000
3000
2000
1000
Н 100 МПа
"000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
2
1
я 6 Ч 4
V 3
S ,
г н/а 1 7—
50 100 150 200 250 300 350 400 h. мкм
\ 13 /
к 12 /
Sv* Ч. / 15 / S 10 /
\ ^ к t^si 9 11 У
i4/ /Ч
/< . н/а
50 100 150 200 250 300 350 400 h. мкм
Рис. 2. 3мша твердост по глибит азотованого шару в процеа зношування зразюв iз титану ВТ1-0, що азотувалися
за рiзними режимами (табл. 1)
В табл. 2 наведено даш величини зносу та середньо! штенсивносп зношування рухомих зразк1в титанового сплаву ВТ1-0 тсля азоту-вання за р1зними технолопчними режимами в залежност1 в1д шляху ковзання. В якосп контр-тша застосовувався титан ВТ1-0, азотований за режимом 1 (табл. 1). Дослщження показали, що величина зносу в залежност1 в1д довжини шляху тертя та штенсившсть зношування азотова-ного шару ввдбуваються нер1вном1рно. В почат-ковий перюд зношування (перш1 100 м шляху тертя) величина зносу 1 штенсивноста зношування найменш1, а при збшьшенш шляху тертя щ характеристики збшьшуються аж до досяг-нення перюду схоплювання. В перюд початку схоплювання штенсившсть зношування р1зко падае 1 знов збшьшуеться в зв'язку з намазу-ванням на поверхню тертя материалу контртша, або навпаки, намазування материалу рухомих зразк1в на контртшо. Такий режим тертя е не-нормальним (катастроф1чним). Дослщження показали, що найвищу зносостшысть мае штрид-на зона (табл. 2), штенсившсть зношування яко! на порядок нижча в пор1внянш з середшм зна-ченням штенсивносп зношування для зони внут-ргшнього азотування.
Пор1вняння величини зносу (рис. 3) 1 штенсивносп зношування зразюв, азотованих за разними технолог1чними режимами (табл. 2), показу-ють, що вони р1зн1 для р1зних режим1в азоту-вання. Найбшьшу зносостшкютъ мали зразки, що азотувалися за оптимальним режимом (температура Т = 666 °С, тиск Р = 240 Па, вм1ст аргону 45 об.% в сумгш^ з азотом, при протяжности ди-фузшного насичення т = 6 годин), який знайде-
но на основ1 використання трьохфакторного плану експеримент1в другого порядку.
На рис. 3 показана кшетика зношування азо-тованих зразк1в за 15 р1зними режимами, з яких видно, що найбшьшу зносостшисть мають зразки, змщнеш за режимами 12 1 14, технолог1чн1 параметри яких наближаються до оптимального режиму.
Вплив технолог1чних параметр1в азотування на штенсившсть зношування до початку схоплювання пари тертя титанового сплаву ВТ 1-0 в середовишд рщини Ршгера при тиску в зон1 тертя 3,5 МПа 1 швидкосп 0,057 м/с описуеться наступною залежшстю:
у = 0,346 - 0,0537х1 + 0,0267х2 + 0,044х3 + + 0,0555х1х2 + 0,0755х1х3 + 0,003х2 х3 + 0,222х2 + + 0,067х2 - 0,0582х|,
(2)
де у =I-10"
штенсившсть зносу зразкгв;
Х1 ="
Т °С - 660
20
х2 =-
Р, Па - 320
80
', х3 = -
Аг% - 70
25
На рис. 4 наведен1 граф1ки залежност1 1нтен-сивност1 зношування азотованого титану ВТ 1-0 в залежносп в1д технолог1чних параметров азотування: температури Т °С; тиску Р, Па; вм1сту аргону Аг, об.% при протяжности азотування 6 годин. 1з графгюв видно, що найменшу интенсивность зношування мають зразки, що азотувалися при температура 666 °С, тиску 240 Па 1 вмсту аргону 45 об.% (оптимально режими азотування).
Таблиця 2 — 1нтенсившсть зношування в середовищ1 розчину Ршгера титанового сплаву ВТ 1-0, азотованого за р1зними режимами
6
% режиму азот. Технолопчш параметри азотування Шлях тертя до зносу Ь, м Середня штенсившсть зносу !х10"6
Темпер. Т0, С Тиск, Р, Па Вмют Аг, % Азотов. шару Ктрид. зони Азотов. шару Ктрид. зони
1 680 400 70 450 50 0,712 0,08
2 680 240 70 450 40 0,65 0,075
3 640 400 70 300 20 0,6 0,05
4 640 240 70 350 120 0,57 0,04
5 660 320 70 700 370 0,37 0,024
6 680 320 95 600 150 0,40 0,053
7 680 320 45 400 120 0,55 0,038
8 640 320 95 250 30 0,78 0,03
9 640 320 45 260 100 0,67 0,043
10 660 320 70 700 380 0,36 0,023
11 660 400 95 350 95 0,57 0,042
12 660 400 45 900 560 0,39 0,017
13 660 240 95 750 120 0,48 0,028
14 660 240 45 680 440 0,28 0,023
15 660 320 70 700 400 0,36 0,012
Опт. 666 240 45 980 520 0,27 0,01
с 1 1 'Ш 10 1 . У-
/ 0 9 j ш Л
s ^yj^ ж rj
V / 15 //
m/Ii / /} \ 14 7 1
ш / //' Опт
/ // А Л/ / У
ЯЩ ^^^
Рис. 3. Залежтсть зносу зразюв iз титану ВТ1-0, азотованих в тшючому розрядi за рiзними режимами (табл. 3), вщ шляху тертя в середовищi рiдини Ршгера при питомому навантаженнi 3,5 МПа i швидкост ковзання 0,057 м/с, ОПТ - оптимальний режим (Т = 666 °С, Р = 240 Па, Ar = 45 об.%, t = 6 годин)
0.7
е
и
S о.з S
и И и
I 0.2
0.S
I 06
щ
S
i 0.5
и
0 к
1
| 0.4 0.3
Аг=70 %
0 660 о
температура, Т С а
Аг=95%
Ar=4S%
1 1 1
\ Р=240Па /
^чЧ. р=400Па > jt /
Р=320 Па>_. 1 1 1 -
650
температура, Т С
Рис. 4. Залежнiсть iнтенсивностi зносу титану ВТ1-0 вщ технологiчних параметрiв азотування в ттючому розрядi:
а - = fT, Ar%); б - = fT, Р)
Висновки
1. Низькотемпературне (до 700 °С) азотування в тл1ючому розряд1 в безводневих середови-щах титану ВТ1-0 дозволяе значно п1двищити триболопчш характеристики пари тертя ковзан-ня «титан-титан» за рахунок антифрикц1йних властивостей азоту та його сполук з титаном, збе-рггаючи при цьому вихщт механ1чн1 властивосп матер1алу основи;
2. Зносостшысть пари тертя «титан-титан» 1з матер1алу ВТ1-0 тсля азотування за оптималь-ним режимом (температура 666 °С, тиск в ваку-умнш камер1 240 Па, в середовищд 55 об.%^+ + 45 об.%Аг, час насичення 6 годин) при ков-зант в середовищд рвдини Ршгера при питомо-му навантажент 3,5 МПа i швидкосп ковзання 0,057 м/с в 20 разiв перевищуе неазотовану пару тертя i максимальний шлях тертя до схоплювання складае 980 м.
3. Найвищу зносостiйкiсть i найменшу штен-сивнiсть зношування мае ттридна зона з опти-мальним сшвввдношенням фаз. iнтенсивнiсть зношування зразюв, що азотувалися за оптималь-ними режимами в умовах випробувань складала
0.0110.6, що в 27 разiв менша вiд iнтенсивностi зношування зони внутршнього азотування та всього азотованого шару (I = 0,2710-6) i на три порядки менша вщ штенсивносп зношування неазатованого титану, в якого I = (2,5^4)-10-6.
Перелж посилань
1. Титановые сплавы в эндопротезировании тазобедренного сустава. / [Н. В. Загородний,
A. А. Ильин, В. Н. Карпов и др.] // Вестник травматологии и ортопедии им. Н. Н. Пиро-гова. - 2000. - № 2. - С. 73-75.
2. Структура и триботехнические свойства субмикрокристаллического титана, модифицированного ионами азота / [А. В. Белый,
B. А. Кукареко, А. Г. Кононов и др.] // Трение и износ. - 2008. - Т. 29. - № 6. - С. 571577.
3. Федорко В. М. Азотування титану та його сплавiв / В. М. Федiрко, i. М.Погрелюк. -К. : Наук, думка, 1995. - 220 с.
4. Каплун В. Г. Особенности формирования диффузионных слоев при ионном азотировании в безводородных средах / Каплун В. Г. // Физическая инженерия. - Харьков, 2003. -Т. 1. - № 2. - С. 141-146.
5. Каплун В. Г. Дослщження зносостшкосп титанового сплаву ВТ8 тсля низькотемпе-ратурного азотування в плазмi хтючого роз-ряду / В. Г. Каплун, Н. С. Машовець, О.М. Маковкш // Проблеми трибологп (Problem of Tribology). - № 4. - 2008. - С. 8486.
6. Панайоти Т. А. Особенности формирования диффузионных слоев при ионном азотировании a- и (a + b) - титановых сплавов в интервале температур от 500 до 1000 °С / Т. А. Панайоти, Г. В. Соловьев // Металловедение и термическая обработка металлов. -1994. - №5. - С. 34-37.
7. Арзамасов Б.Н. Влияние режимов ионного азотирования на структуру и свойства титановых сплавов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Громов, М. Д. Сосков // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1996. -№ 5. - С. 26-28.
8. Gokul Lakshmi S. Tribological behaviour of plasma nitrided Ti-5Al-2Nb-1Ta alloy against UHMWPE / Lakshmi S. Gokul, D. Arivuoli // Tribology International. - 2004. - Vol. 37. -Р. 627-631.
9. Corrosion resistance properties of plasma nitrided Ti-6Al-4V alloy in hydrochloric acid solutions / [E. Galvanetto, F. P. Galliano, A. Fossati, F. Borgioli] // Corrosion Science. - 2002. -Vol. 44. - Is.7. - P. 1593-1606.
10. Применение комбинированных методов азотирования для формирования износостойких покрытий на титановых сплавах / [И. Н. Погрелюк, О.И. Яськив, В. Н. Фе-дирко та in.] // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - №7. - С. 29-33.
11. Скиба М. Е.Розробка методики пошуку оп-тимальних параметр1в для нелшшних моделей / М. Е. Скиба, Ю. Б. Михайловский, Е. О. Филипченко // Вюник Хмельницького нащонального ушверситету. - 2006. - Т. 1. -С. 176-180.
Поступила в редакцию 21.06.2010
Каплун В.Г., Машовец Н.С., Розенберг О.А., Шейкнн С.Е. Влияние низкотемпературного азотирования в тлеющем разряде на износостойкость пары «титан-титан»
Приведены экспериментальные исследования износостойкости пары «титан-титан» из технически чистого титана ВТ1-0 после низкотемпературного азотирования в тлеющем разряде в безводородной насыщающей среде (смеси азота и аргона), изменения твердости, толщины, фазового состава и трибологических свойств азотированного слоя в зависимости от технологических параметров процесса упрочнения, которые изменялись в широком диапазоне. Определены оптимальные режимы упрочнения, обеспечивающие минимальную интенсивность изнашивания азотированного слоя в среде Рингера в условиях нагружения, близких к условиям работы в суставах человека.
Ключевые слова: азотирования в тлеющем разряде, титан ВТ1-0, износостойкость, микроструктура, фазовый состав.
Kaplun V., Mashovets N., Rosenberg O., Sheykin S. Influence of low-temperature nitriding in a glow discharge on wear resistance of pair «titanium-titanium»
Experimental studies of wear resistance of pair «titanium-titanium» out of tough-pitch pure titanium after low-temperature nitriding in a glow discharge in hydrogen free saturating medium (a mixture of nitrogen and argon), the change in hardness, thickness, phase composition and tribological properties of the nitrided layer, depending on the parameters of the process of hardening, which varied in a wide range Optimal modes of hardening are found to ensure minimum wear rate of the nitrided layer in Ringer medium under loading conditions close to conditions of work in human joints.
Key words: nitriding in glow discharge, pure titanium, wear resistance, microstructure, phase composition.
