Влияние исходной газовой среды на процесс ионной химико-термической обработки титановых сплавов для повышения износостойкости

Современная аэрокосмическая техника, многие отрасли машиностроения и приборостроения немыслимы без применения титана и его сплавов.

Титан называют «металлом века». В титане, как в никаком другом конструкционном материале сочетаются высокие требования, которые предъявляются к современным материалам: он обладает высокой прочностью, небольшой плотностью, высокой коррозионной и жаростойкостью.

Сравнения титана с другими конструкционными материалами (табл. 1) показывают, что титан наиболее тугоплавок и имеет наименьшее значение теплопроводности, электропроводности и коэффициента термического расширения. По плотности титан можно отнести к легким металлам, и он занимает промежуточное положение между алюминием и железом.

По данным [2], [12] интервал температур наивыгоднейшего применения титана весьма широк: от температур глубокого холода до температуры — 600 °C.

Титан во всем диапазоне указанных температур имеет преимущество по прочностным характеристикам и жаропрочности перед большинством других конструкционных материалов.

Несмотря на то, что титан химически активный элемент, — в электрохимическом ряду металлических элементов он занимает место между бериллием и марганцем, во многих агрессивных средах титан обладает исключительно высоким сопротивлением коррозии. В большинстве случаев коррозионная стойкость титана превышает коррозионную стойкость нержавеющих сталей [3], [30].

Эти и многие другие свойства титана объясняют его широкое применение в самых современных разработках науки и техники.

Таблица 1.

Физические свойства титана и других металлов [1].

Свойства Л А1 Бе Си.

Температура плавления, С0 1665 650 660 1535 1083.

Л Плотность, г/см 4,51 1,74 2,70 7,86 8,94.

Теплопроводность при 20 °C, кал/см-с-град 0,0407 0,35 0,57 0,17 0,92.

Электросопротивление при 20 °C, мкОмсм 55,4 4,4 2,68 10 1,72.

Теплоемкость (0 — 100°С), кал/г-град 0,126 0,245 0,211 0,109 0,093.

Коэффициент линейного расширения (0 — 100°С) х 106 град 1 8,9 25,7 24 11,9 16,4.

Модуль нормальной упругости Е, кгс-мм2 11 200 4550 7250 20 000 12 250.

Это подтверждается тем, что если в конце 60-х годов производство титана в США и Японии составляло 20 и 10 тыс. тонн ежегодно, то сейчас оно превзошло 100 тыс. тонн.

В настоящее время из титановых сплавов производят ответственные детали двигателей, шасси, несущих конструкций фюзеляжа сверхзвуковых самолетов. Планируемый к запуску в серию «Боинг-2707» будет почти целиком состоять из титановых сплавов. Уже сейчас на самолетах «ДС-7» носовое колесо диаметром около 1 м выдерживает 6000 приземлений 100 т самолета, совершая таким образом пробег более 2700 км [4].

Применение титана не ограничивается только аэрокосмической техникой, его широко применяют в медицине, судостроении, полиграфии и других отраслях науки и техники.

При всех бесспорных преимуществах титановых сплавов перед другими конструкционными материалами они имеют один очень значительный недостаток, который во многом препятствует их активному внедрению в повседневную практику машиностроения. Этим недостатком является низкая износостойкость и способность к «схватыванию» при соприкосновении трущихся поверхностей.

Рост производства и расширяющаяся область применения сплавов титана вызывают необходимость разработки методов и технологических процессов, позволяющих повысить износостойкость титановых сплавов.

Целью данной диссертационной работы являлось:

На основании изучения влияния различных газовых сред на структуру и свойства деталей из титановых сплавов разработать способ ионной химико-термической обработки для повышения их износостойкости.

На защиту выносится:

1. Результаты экспериментальных исследований влияния режимов ионного азотирования и ионного альфирования на структуру, фазовый состав и свойства титановых сплавов.

2. Новые экспериментальные данные о влиянии состава газовой смеси при ионной химико-термической обработке на износостойкость титановых сплавов.

3. Данные экспериментов, показывающих влияние на технологичность процесса ионного азотирования титановых сплавов вида газа разбавителя азота (аргона и гелия).

4. Рекомендации по применению разработанного способа ионной химико-термической обработки титановых сплавов с целью повышения их износостойкости — ионного азотирования в среде остаточного азота гелия.

Научная новизна.

В результате исследования различных способов ионной химико-термической обработки титановых сплавов определен состав азотосодержащей среды, обеспечивающий получение диффузионных слоев необходимого качества.

Научно обосновано использование гелия, содержащего до 0,002% азота, в качестве исходной газовой среды при ионном азотировании титановых сплавов. Указанное количество азота оказалось достаточным для образования азотированых слоев значительной толщины, что составляет основу разработки процесса ионной химико-термической обработки титановых сплавов для повышения их износостойкости.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Установлены особенности формирования азотированного слоя при ионной химико-термической обработке в азоте, аргоно-азотных, гелиево-азотных газовых средах. На поверхности титановых сплавов после ионного азотирования в азоте образуется тонкий (3−7 мкм) сплошной нитридный слой ТЖ, под которым располагается протяженная диффузионная зона на основе твердого раствора азота в титане с включениями г-нитрида титана (Т123]Ч).

Показано, что уменьшением концентрации азота в исходной газовой среде ионного азотирования можно исключить образование нитридного слоя ТШ на поверхности титановых сплавов.

2. Впервые установлены особенности формирования диффузионных слоев при ионном альфировании титановых сплавов в аргоно-воздушных газовых средах. Поверхностный слой представляет собой слой оксидов титана (ТЮ, Тл203, Т14. О7, ТЮ2) на поверхности и диффузионной зоны на основе твердого раствора кислорода в титане под слоем оксидов.

Выявлено, что добавлением аргона в газовую атмосферу ионного альфирования можно регулировать фазовый состав слоя оксидов на поверхности титановых сплавов. При малом содержании воздуха в газовой смеси преобладает образование оксидов титана с малым содержанием кислорода (ТЮ, Т1203). Увеличение содержания воздуха в аргоно-воздушной среде приводит к образованию оксидов с более высоким содержанием кислорода (Т1407, ТЮ2).

3. Показано, что увеличение содержания насыщающего компонента газовой среды (азота или кислорода воздуха) при ионном азотировании и ионном альфировании ведет к замедлению диффузионных процессов насыщения титановых сплавов из-за активизации процессов развития нитридных или оксидных слоев на поверхности, являющихся диффузионными барьерами, препятствующими насыщению титановых сплавов азотом и кислородом.

4. Выявлено, что износостойкость титановых сплавов после ионной химико-термической обработки зависит от состава газовых сред.

При ионном азотировании наибольшая в условиях проведенных исследований относительная износостойкость была достигнута после ионного азотирования в среде аргона, содержащего остаточный азот. Снижение относительной износостойкости титановых сплавов в 1,5−2 раза с увеличением содержания азота в газовой среде ионного азотирования связано с развитием сплошного нитридного слоя ТОЧ на поверхности азотируемых образцов, что приводит к уменьшению толщины диффузионного слоя и провоцирует абразивный износ из-за выкрашивания нитридного слоя.

При ионном альфировании титановых сплавов уменьшение содержания воздуха в смеси с аргоном с 10% до 3% приводит к понижению относительной износостойкости в 1,5−3 раза, что связано с повышенной хрупкостью оксидных фаз, образующихся при ионном альфировании в средах с низким содержанием воздуха.

5. Определены технологические преимущества процесса ионного азотирования перед процессом ионного альфирования. Проведение процесса ионного альфирования по режиму, обеспечивающему наибольшую относительную износостойкость (10% воздуха, остальное аргон), крайне затруднено из-за сильной нестабильности протекания процесса насыщения, связанной с отслаиванием образующихся пленок рутила (ТЮг) с поверхности. Протекание процесса ионного азотирования в любых по составу газовых средах достаточно стабильно. Это говорит о технологических преимуществах процесса ионного азотирования перед процессом ионного альфирования.

6. Впервые показано, что ионное азотирование в среде гелия, содержащего остаточный азот, технологически предпочтительнее ионного азотирования в среде аргона, содержащего остаточный азот. Процесс нагрева при ионном азотировании в среде аргона, содержащего остаточный азот идет весьма интенсивно, что приводит к локальному перегреву поверхности. Тепловой эффект от катодной бомбардировки ионами гелия меньший чем ионами аргона, нагрев поверхности происходит более плавно и перегрева не происходит.

7. Определены режимы ионного азотирования титановых сплавов с целью повышения их износостойкости.

Рекомендовано азотирование, а и а+|3 титановых сплавов проводить в среде гелия, содержащего остаточный азот, при температуре 850 °C, давление газовой среды и время ионного насыщения назначается в зависимости от требований технических условий и конкретной геометрии деталей.

8. Рекомендовано применять ионное азотирование в гелии для повышения износостойкости деталей авиационных двигателей и самолетов (обоймы подшипников, корпуса клапанов, детали механизмов управления крыла).

Заключение

.

Результатами исследований влияния режимов ионного азотирования титановых сплавов в гелиево-азотных газовых средах установлено:

1. Не выявлено принципиальных отличий в кинетике и механизме формирования диффузионных слоев между процессами ионного азотирования в аргоно-азотных и гелиево-азотных газовых средах.

2. Фазовый состав азотированных слоев титановых сплавов после ионного азотирования в гелиево-азотных газовых средах тот же, что и после ионного азотирования в аргоно-азотных газовых средах и представляет собой сочетание нитридного слоя ТлИ на поверхности титановых сплавов и диффузионного слоя на основе твердого раствора азота в титане с выделением 8-нитридов.

После ионного азотирования в среде гелия, содержащего остаточный азот, как и при ионном азотировании в среде аргона, содержащего остаточный азот, сплошной слой 8-нитрида титана ТЖ металлографически не выявляется.

3. Как при ионном азотировании в аргоно-азотных газовых средах, так и при ионном азотировании в гелиево-азотных газовых средах увеличение содержания азота в газовой среде ведет к уменьшению толщины азотированных слоев и увеличению поверхностной микротвердости титановых.

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПРОЦЕССА.

ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ ГЕЛИЯ, СОДЕРЖАЩЕМ ОСТАТОЧНЫЙ АЗОТ.

В настоящее время одним из требований повышения эксплуатационных характеристик авиационной техники является снижение веса авиационных узлов и агрегатов. Это требование может быть достигнуто путем широкого внедрения титановых сплавов в качестве одного из ведущих конструкционных материалов для авиации. Сейчас из титановых сплавов в основном изготавливают корпусные детали, обоймы подшипников, лопатки компрессора авиационных двигателей, детали шасси, детали агрегатов управления механизмами крыла. Одним из наиболее перспективных направлений дальнейшего снижения веса авиационных конструкций является замена в авиационных редукторах стальных зубчатых колес на титановые. Подобные попытки замены ранее делались не раз, но результаты были далеки от требуемых. Это связано с тем, что детали из титановых сплавов, прошедшие традиционную упрочняющую термическую обработку (двойной отжиг, закалка со старением), обладают весьма низкой износостойкостью. Как было показано в настоящей работе, наиболее перспективным способом повышения износостойкости титановых сплавов является химико-термическая обработкаионное азотирование титановых сплавов в среде гелия, содержащего остаточный азот.

С целью проверки предположения о возможности повысить износостойкость зубчатых колес из титановых сплавов указанным методом были проведены стендовые испытания зубчатых пар (т=Т) «стальная шестерня-титановое зубчатое колесо», «титановая шестерня-титановое зубчатое колесо». Титановые зубчатые колеса и шестерни, изготовленные из сплава ВТ-9 подвергались ионному азотированию с получением различного фазового состава азотированных слоев. Предварительно титановые зубчатые колеса и шестерни были подвергнуты серийной термической обработкедвойному отжигу по режиму, указанному выше (см. главу 2). Режимы ионного азотирования титановых зубчатых колес и шестерен были следующими:

Режим 1: ионное азотирование в среде гелия марки Б, содержащего остаточный азот, при температуре 850 °C в течение 20 часов.

Режим 2: ионное азотирование в среде среде гелия марки Б, содержащего остаточный азот, при температуре 850 °C в течение 18 ч, затем ионное азотирование в среде чистого азота особой чистоты в течение 3 часов. Результаты испытаний приведены в таблицах 12 и 13.