Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса 9
1.1 Методы повышения износостойкости титановых сплавов 9
1.2 Возможности электролитно-плазменной обработки титановых сплавов 19
1.2.1 Цементация 22
1.2.2 Азотирование 24
1.2.3 Нитроцементация 27
1.2.4 Борирование 29
1.3 Электролитно-плазменное упрочнение сталей 31
1.3.1 Цементация 32
1.3.2 Азотирование 34
1.3.3 Нитроцементация 35
1.3.4 Борирование 38
1.4 Цель исследования и постановка задачи. 42
Глава 2 Материалы и методы их исследования после анодной электролитно-плазменной обработки 45
2.1 Объект исследования 45
2.2 Методика обработки металлических изделий анодным электролитным нагревом 47
2.3 Выбор исследуемых материалов 49
2.4 Выбор электролитов 52
2.5 Методы исследования упрочненных образцов 53
Глава 3 Влияние условий обработки на состав слоя и свойства титановых сплавов 58
3.1 Анодное электролитно-плазменное борирование двухфазного титанового сплава ВТ22 58
3.2 Анодная электролитно-плазменная бороцементация двухфазного титанового сплава ВТ22 65
3.3 Анодная электролитно-плазменная нитроцементация титанового сплава ВТ22 75
Выводы по главе 3 86
Глава 4. Влияние условий обработки на состав слоя и свойства сталей 89
4.1 Борирование среднеуглеродистой стали 89
4.2 Бороцементация малоуглеродистой стали 93
4.3 Боронитроцементация стали 98
4.4 Насыщение малоуглеродистой стали углеродом, азотом, бором и серой 101
Выводы к главе 4 103
Глава 5 Технологические рекомендации при упрочнении титанового имплантата 106
5.1 Режимы упрочнения и составы электролитов 106
5.2 Влияние условий обработки на твердость имплантата из сплава ВТ6 107
5.3 Технологический процесс упрочнения имплантата из сплава ВТ6 108
Глава 6 Технологические рекомендации при повышении износостойкости резьбовой пары «болт-гайка» 110
6.1 Режимы насыщения и составы электролитов 110
6.2 Влияние условий обработки на износостойкость резьбовой пары «болт-гайка» 111
6.3 Технологический процесс повышения износостойкости резьбовой пары «болт-гайка» 112
Заключение 113
Список литературы 116
Приложение А (обязательное). Документы, подтверждающие результаты внедрения результатов диссертационной работы 127
- Возможности электролитно-плазменной обработки титановых сплавов
- Анодное электролитно-плазменное борирование двухфазного титанового сплава ВТ22
- Бороцементация малоуглеродистой стали
- Технологический процесс упрочнения имплантата из сплава ВТ6
Введение к работе
Актуальность. Анодная электролитно-плазменная обработка титановых сплавов и сталей позволяет насытить поверхность детали углеродом, азотом, бором и др. компонентами, обеспечивающими поверхностную твердость, износостойкость и сопротивление коррозии, что дает возможность использования более дешевых конструкционных материалов при изготовлении ответственных деталей машин. Анодный вариант нагрева позволяет получить модифицированный слой на поверхности уже после нескольких минут обработки, существенно сокращая технологический процесс по сравнению с другими методами диффузионного насыщения. Малая толщина парогазовой оболочки способствует быстрой стабилизации условий и установлению равновесной концентрации диффузанта, в результате чего насыщение поверхности начинается сразу же после нагрева детали до необходимой температуры. Высокие скорости нагрева позволяют избежать роста зерна и ухудшения свойств материала. Кроме того, такая обработка имеет низкую себестоимость и не требует использования токсичных веществ.
В современном машиностроении при изготовлении деталей машин все
чаще используются титановые сплавы, обладающие уникальными свойствами.
Существенный недостаток титановых сплавов – плохие антифрикционные
свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы. Поэтому
изучение возможности нанесения износостойких покрытий на поверхность
деталей из титановых сплавов при анодном варианте диффузионного
насыщения является перспективной задачей, определяющей дальнейший
технологический прогресс в машиностроении.
Степень разработанности вопроса. Анализ публикаций, касающихся
анодного электролитного нагрева показывает, что положительные результаты
электролитно-плазменного насыщения углеродом, азотом и бором, носят
фрагментарный характер, поскольку они получены для ограниченного числа
режимов и составов электролитов без систематического анализа взаимосвязи
образующейся структуры с достигаемыми свойствами. Поэтому разработка
режимов насыщения вместе с изучением образующейся структуры,
определяющей свойства поверхности, остается важной задачей, направленной
на расширение возможностей метода и совершенствование химико-
термической обработки титановых сплавов. Перспективным направлением
развития анодной электролитно-плазменной обработки является
многокомпонентное насыщение, обеспечивающее формирование комплекса свойств на поверхности детали. Выявление закономерностей одновременного насыщения поверхности детали углеродом, азотом и бором приводит к выводу об эффективности комплексной обработки титановых сплавов, но требует изучить возможности метода и установить зависимость достигаемых свойств от образовавшейся структуры, которую, в свою очередь, определяет состав насыщающей среды и режим обработки. Кроме того, результаты исследования могут быть применимы для совершенствования обработки конструкционных сталей.
Целью настоящей работы является разработка процессов анодного насыщения титановых сплавов и сталей углеродом, азотом и бором, обеспечивающих повышение их твердости и износостойкости.
Решаемые задачи:
1. Разработать составы рабочих электролитов для анодного насыщения
сплавов углеродом, азотом, бором и оценить их энергетические характеристики
и насыщающую способность.
2. Изучить структуру, элементный и фазовый состав поверхностных
слоев, образующихся при многокомпонентном насыщении изучаемых сплавов
углеродом, азотом и бором, включая зависимости структурных характеристик
от режимов обработки и составов электролитов.
3. Исследовать влияние составов электролитов и режимов насыщения на
шероховатость поверхности, коэффициент трения и интенсивность
изнашивания материалов.
-
Выяснить влияние составов электролитов и режимов насыщения на коррозионную стойкость титановых сплавов в растворе Рингера, а сталей – в условиях атмосферной коррозии.
-
Изучить анодное многокомпонентное насыщение сплавов в водных электролитах, включая анализ структуры, элементного и фазового состава образующихся поверхностных слоев.
6. Разработать рекомендации по повышению твердости титанового
имплантата из сплава ВТ6.
7. Разработать рекомендации по повышению износостойкости резьбы
пары трения «болт-гайка» из стали 20.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Определены концентрации компонентов водных электролитов (борной
кислоты, карбамида, глицерина, тиосульфата натрия и хлорида аммония) для
реализации анодных процессов нитроцементации, борирования,
бороцементации, боронитроцементации и боронитросульфоцементации
титановых сплавов и сталей, позволяющие формировать упрочненные слои
толщиной от 60 до 170 мкм.
2. Выявлен механизм насыщения бором и другими элементами на
структурные характеристики и свойства упрочненных слоев объясняется
взаимодействием процессов диффузионного насыщения, анодного растворения
и высокотемпературного окисления в парогазовой оболочке. Выявлены
структурные составляющие упрочненных слоев, содержащие наружный
оксидный слой, зоны соединений и области твердых растворов азота, углерода
и бора в титане или железе.
3. Установлено, что повышение твердости и износостойкости титановых
сплавов после их скоростного насыщения азотом, углеродом и бором
объясняется образованием оксидного слоя и твердого раствора насыщающих
компонентов.
4. Предложен метод повышения коррозионной стойкости титановых
сплавов в растворе Рингера, имитирующего условия человеческого тела и
применяемого для испытаний имплантатов.
-
Повышение износостойкости сталей достигается за счет сглаживания их поверхностей анодным растворением и формированием твердого слоя с образованием поверхностных оксидных пленок, препятствующих схватыванию пар трения.
-
Доказано защитное действие наружного слоя, содержащего оксиды, нитриды и бориды железа, позволяющее повысить коррозионную стойкость малоуглеродистой стали в условиях атмосферной коррозии.
Практическая значимость работы
-
Предложены составы электролитов и режимы насыщения азотом, углеродом и бором двухфазного титанового сплава ВТ22, обеспечивающие увеличение его твердости до 470–1075 HV, износостойкости в 5–60 раз и снижение шероховатости в 1,5–3,5 раза.
-
Предложены составы электролитов и режимы насыщения азотом, углеродом и бором, увеличивающие износостойкость сталей 20 и 45 в 2,5–16 раз и коррозионную стойкость стали 20 в 2,5 раза.
-
Разработан технологический процесс повышения твердости имплантата из сплава ВТ6 до 800–900 HV для повышения его долговечности.
-
Разработан технологический процесс нитроцементации и боронитроцементации пары трения "болт-гайка" из стали 20, обеспечивающий повышение износостойкости резьбы до 40 раз в условиях сухого трения при изготовлении лекал, необходимых для создания каркаса при производстве автомобильных шторок.
Защищаемые положения:
1. Закономерности влияния составов электролитов и рабочего
напряжения на температуру насыщения цилиндрических образцов,
структурные характеристики и свойства поверхностного слоя.
2. Физико-химические особенности диффузионного насыщения
малоуглеродистых сталей и титановых сплавов в условиях анодной
электролизной плазмы.
3. Технологические рекомендации для разработки процесса скоростного
упрочнения изделий из стальных и титановых сплавов.
Апробация результатов работы и личный вклад автора.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и
обсуждались на международных и всероссийских конференциях, в том числе
VI, VII Международной и VIII Всероссийской (с международным участием)
научной конференции «Современные методы в теоретической и
экспериментальной электрохимии» (Плес, Ивановская область –2014, 2015 и 2016 г.г.); Молодежной научной школе-конференции «Электрохимические методы получения и анализа новых функциональных материалов» (Плес, Ивановская область – 2014 г.); 7 Международной конференции по материаловедению и физике конденсированного состояния вещества (Кишинев, Молдавия – 2014 г.); Международной научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва –2014 и 2016 г.г.); V Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей»
(Кострома –2016 г.); Международной научно-технической конференции
«Современные электрохимические технологии и оборудование» (Минск,
Белоруссия – 2016 г.); научной конференции «Физико-химические основы
разработки новых материалов и инновационных технологий» (Москва – 2016
г.); XLII Международная молодежная научная конференция «Гагаринские
чтения» (Москва – 2016 г.), а также научных семинарах лаборатории
электролитно-плазменных технологий обработки материалов Костромского государственного университета и кафедры материаловедения, литья, сварки Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева.
Работа выполнена в Костромском государственном университете (г. Кострома) в соответствии с планами научно-исследовательских работ и при финансовой поддержке Российского научного фонда (гранты 15-13-10018 «Механизмы транспортировки углерода, азота, бора и закономерности формирования модифицированных слоев при электролитно-плазменном насыщении конструкционных сталей» и 15-19-20027 «Поверхностная модификация титановых сплавов с помощью электролитно-плазменного насыщения «легкими» химическими элементами»).
Личный вклад автора. Автор участвовал в анализе литературы,
постановке задач и цели исследования, им лично выполнены
экспериментальные исследования фазовых и структурных превращений в
изучаемых сплавах, изучено влияние получаемой структуры на
микротвердость, шероховатость и износостойкость, самостоятельно
определены режимы обработки партии деталей, обеспечивающие повышенную долговечность резьбовых соединений.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 5 статей в ведущих научных журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованных источников (94 наименования). Общий объем диссертации составляет 128 страницы, содержит 79 рисунков и 2 таблицы.
Возможности электролитно-плазменной обработки титановых сплавов
Впервые в промышленности метод электролитно-плазменной обработки использовали в 1930-х годах на тракторном заводе в Харькове для закалки деталей тракторов. Большой вклад в технологические разработки внес И.З. Ясногородский, труды которого до сих пор используются современными авторами в качестве фундаментальных знаний [27]. В СССР диффузионное насыщение сталей азотом и углеродом (с последующей закалкой) начали изучать с 1960-х годов. Оба метода нашли применение в легкой промышленности страны.
В настоящее время особый интерес представляет химико-термическая обработка деталей из титана и сплавов на его основе, поверхностные характеристики которых могут быть значительно улучшены после насыщения кислородом, азотом, углеродом и т.д [28]. Анодный вариант химико-термической обработки в электролитной плазме обладает значительными преимуществами перед другими методами:
Равновесная концентрация адсорбированного диффузанта достигается за несколько секунд, что позволяет проводить обработку в течение нескольких минут.
Непрерывное движение насыщающей среды обеспечивает быстрый подвод насыщающих компонентов к поверхности детали и отвод продуктов реакции.
Высокая скорость нагрева детали позволяет избежать роста зерна и как следствие ухудшение свойств.
Обработка не дорогая по стоимости [29].
При анодной электролитно-плазменной обработке происходит ряд сложных химических и электрохимических процессов как в среде, окружающей обрабатываемые изделия, так и на поверхности металла и внутри него.
Электролизная плазма образуется в результате локального вскипания электролита вокруг электрода с меньшей площадью поверхности, который окружается парогазовой оболочкой. Приемлемое диффузионное насыщение требует достаточно высоких температур, которые достигаются в сплошной и устойчивой парогазовой оболочке и позволяют нагревать деталь по всему объему. На границе обрабатываемой детали-анода с парогазовой оболочкой параллельно протекают три процесса: анодное растворение, поверхностное окисление и адсорбция насыщающих компонентов (рисунок. 1.10).
Конкуренция процессов растворения и окисления титана хорошо видна при небольшой продолжительности обработки. Оказалось, что изменение массы титанового образца изменяет знак при повышении напряжения. Это означает, что растворение титана (убыль массы) при низких температурах преобладает над его окислением (прирост массы) при высоких температурах [30].
Согласно данным элементного микроанализа поверхностный оксидный слой содержит титан (29.8%), кислород (67.9%) и небольшое количество алюминия и кремния. Полученный оксидный слой соответствует TiO2 и является рутилом с небольшим количеством i по данным рентгеновского анализа [31].
Рассмотрим роль высокотемпературного окисления стальных образцов-анодов в качестве примера взаимодействия обрабатываемого материала с анионами электролита. Образующиеся оксиды железа, как следствие процессов окисления и анодного растворения, обладают дефектной решеткой. Дефектами являются, во-первых, свободные узлы решетки, которые должны быть заняты атомами железа; во-вторых, узлы, принадлежащие атомам кислорода, но занятые атомами железа. Такая структура облегчает диффузионную подвижность атомов железа, которые могут перемещаться к поверхности, создавать новые оксиды и ускорять процесс окисления. Под действием сильного электрического поля эти дефекты будут двигаться через анодную оксидную пленку в направлении поверхности раздела оксид – оболочка. Часть дефектов будет взаимодействовать с кислородом паров воды или оксианионами XOkm- (NO3–, SO42– и др.) с образованием оксида и внедрением анионов электролита в оксидную пленку [32].
Образующийся при анодном нагреве в водных электролитах наружный оксидный слой обладает не только дефектной решеткой, но и содержит поры, толщиной до 100 нм, и трещины. Такая структура облегчает транспорт ионов железа из образца в раствор, кислорода из оболочки в поверхностный слой металла, а также позволяет атомам насыщающих элементов легко проникать в основной металл [33].
В качестве насыщающих элементов при анодной электролитно-плазменной обработке обычно используют углерод, азот или бор, которые, диффундируя в поверхностные слои изделий из титана, способствуют формированию улучшенных поверхностных свойств. Компоненты электролита следует подбирать в зависимости от того, какие эксплуатационные характеристики необходимы. Свойства обработанной поверхности определяются режимом обработки, способом охлаждения и насыщающим элементом, или группой элементов в случае многокомпонентного насыщения. Рассмотрим поверхностные свойства изделий из титана после электролитно-плазменной цементации, азотирования, нитроцементации и борирования.
Анодное электролитно-плазменное борирование двухфазного титанового сплава ВТ22
Технический титан марки ВТ22 обрабатывался в водном растворе электролита на основе хлорида аммония (электропроводящий компонент) и борной кислоты (источник бора). Вольт-температурная (ВТХ) и вольт-амперная (ВАХ) характеристики при обработке титанового сплава в электролитной плазме довольно типичны (рисунок 3.1 и 3.2).
Для вольт-температурной характеристики (ВТХ) нагрева титановых образцов в указанном электролите с повышением напряжения характерно линейное увеличение температуры от 850 до 1030оС. Электропроводность рабочего раствора электролита 134 мСм/см достаточна, чтобы проводить борирование титана при высоких температурах. При 850оС обработка затруднительна из-за недостаточной устойчивости парогазовой оболочки. Такая особенность связана с пассивацией титана в результате окислительных процессов на поверхности, которые сопровождаются образованием тонкой диэлектрической пленки. Даже точечное образование этой пленки ведет к дальнейшему кратковременному разрыву парогазовой оболочки и прерыванию процесса с падением температуры нагрева до 500-600оС. Для восстановления условий обработки необходимо подать значительно большее напряжение по сравнению с исходным. Подобные действия могут повлиять на диффузию бора и дальнейшее оксидирование поверхности.
Минимально возможная температура нагрева достигается при 150V, а максимальная при напряжении в 270 V. При дальнейшем повышении напряжения температура снижается, что типично для ВТХ всех металлов.
При всех температурах борирования образуется наружный оксидный слой, содержащий TiO2 (рутил) по данным рентгеновского анализа. Ниже выявляется диффузионный слой, представляющий собой твердый раствор бора и кислорода в титане (рисунок 3.3). Диффузионный слой имеет игольчатое строение, что характерно для поверхностей, насыщенных бором. При меньших температурах обработки боридный слой неравномерный (рисунок 3.3). Толщина оксидного слоя растет с повышением температуры (рисунок 3.4). Структура слоя становится все более рыхлой, наблюдается частичное отслаивание оксидов титана. Именно этим объясняется меньшая толщина оксидного слоя, полученного при 1050С. Толщина диффузионного слоя также увеличивается с ростом температуры, хотя и не так интенсивно, как оксидного из-за ускорения диффузионных процессов (рисунок 3.5). Для поверхностей, обработанных при 1000 и 1050оС, борированный слой визуально не выявлен.
Микротвердость оксидного слоя имеет довольно высокие значения и составляет в среднем от 800 до 900 HV, что в два раза превышает значения микротвердости для контрольного образца и подтверждает насыщение поверхностного слоя кислородом и бором (рисунок 3.6). Известно, что диффузия бора, кислорода и других элементов, образующих твердых растворы внедрения, повышает твердость диффузионного слоя [Арзамасов]. Кроме того, кислород и бор, являясь -стабилизаторами, повышают температуру полиморфного превращения, что способствует увеличению содержания -фазы в диффузионном слое. Охлаждение образцов в электролите (закалка) происходит по мартенситному механизму, поскольку концентрации легирующих компонентов в изучаемом сплаве ВТ22 не достигают критических значений (15% V, 8% Al, 6% Cr, 11% Mo, 4% Fe).
Установлен факт некоторого упрочнения материала в диффузионном слое для поверхности, обработанной при 900 (470 HV) и 950 (430 HV) оС (рисунок 3.6). Упрочненный слой глубже для поверхности, обработанной при первой из указанных температур. Самые высокие значения микротвердости до 570 HV характерны для обработки при 1000 оС. Данный факт может быть связан с образованием закаленной структуры материала, а температура в 1000 оС, скорее всего, достаточна для полиморфных превращений с выделением более твердой -фазы.
Уравнение справедливо для температур обработки 850-1020 С. Повышение температуры насыщения от 900 до 1020 оС сопровождается уменьшением толщины упрочненного слоя от 120 до 96 мкм соответственно. Такая зависимость объясняется конкуренцией процессов анодного растворения, диффузии насыщающих компонентов и окисления поверхности. С ростом температуры обработки в электролите с борной кислотой и хлоридом аммония сильно интенсифицируются окислительные процессы на поверхности детали, что приводит к образованию оксидного слоя, заметно тормозящего диффузию насыщающего компонента в структуру материала.
Образование насыщенного слоя подтверждается данными EDX-анализа (рисунок 3.7), которые указывают на повышение концентраций большинства легирующих компонентов в области увеличения доли -титана с повышенной растворимостью этих компонентов. Концентрации многих легирующих компонентов увеличиваются с ростом температуры обработки до 950 градусов вместе с толщиной насыщенной области слоя. При температуре 850 С имеется лишь тенденция к увеличению концентраций кислорода, алюминия, хрома и железа в слое толщиной до 8 мкм. При температуре 950 С достигается наибольший рост концентраций ванадия и молибдена, а также кислорода, железа, хрома при уменьшении алюминия в слое до 60-70 мкм. Прирост концентрации бора с учетом погрешности метода не выявляется. Дальнейшее повышение температуры обработки приводит к заметно меньшему изменению концентраций легирующих компонентов. Вероятно, что при быстром охлаждении от этих температур происходит мартенситное превращение с дополнительным выделением -фазы, где растворимость легирующих компонентов существенно ниже.
Трибологические испытания показали, что обработка титанового сплава в указанном электролите приводит к существенному снижению коэффициента трения (рисунок 3.9). Наиболее устойчива к изнашиванию поверхность, обработанная при 850 оС (рисунок 3.10). Ее оксидный слой имеет достаточную толщину и высокие значения микротвердости, в результате чего происходит притирка образца к контртелу. Положительное влияние оказывает монолитность слоя, плотноупакованность его структуры и незначительная пористость, что практически полностью исключает его рыхлость. Менее устойчивы к износу поверхности, обработанные при 900, 950 и 1000 оС, что объясняется более хрупкой и рыхлой структурой оксидного слоя из-за развитой пористой структуры и, как следствие, быстрой истираемостью в приработке к контртелу. Однако устойчивость к трению для этих поверхностей также в несколько раз выше в сравнении с контрольным образцом.
Бороцементация малоуглеродистой стали
При проведении анодной бороцементации стали 20 из водного электролита на основе борной кислоты (5% масс.), глицерина (8 % масс.) и хлорида аммония (10% масс.) рентгеноструктурно обнаружены борид железа FeB, оксоборосодержащие соединения Fe2Fe(BO3)O2 и Fe(BO2); оксид Fe3O4, мартенсит, остаточный аустенит и исходный феррит (рисунок 4.6) [89].
Структура модифицированного слоя главным образом зависит от температуры обработки и способа охлаждения образцов (рисунок 4.7). После бороцементации при 800 и 850 C на поверхности стали сразу за оксидным слоем микроструктурно обнаружен боридный диффузионный слой и, далее вглубь образца, подслой, содержащий перлит в случае медленного охлаждения образцов на воздухе после насыщения или мартенсит и остаточный аустенит при закалке в электролите. При температурах 900 и 920С боридный слой не выявляется из-за интенсивного образования оксидов, тормозящих диффузию бора и углерода.
Толщина оксидного слоя с увеличением температуры обработки от 800 до 920 C растет от 20 до 160 мкм.
Варьирование концентраций компонентов электролита позволяет изменить характер насыщения. На рисунке 4.8 показано влияние концентрации хлорида аммония на толщины структурных составляющих слоя. Повышение концентрации NH4CI способствует монотонному уменьшению толщины оксидного слоя за счет интенсификации анодного растворения. Торможение диффузии бора и углерода оксидным слоем подтверждается увеличением толщины боридного и диффузионного слоев по мере роста концентрации хлорида аммония. При 12% хлорида аммония концентрация бора в слое становится достаточной для образования боридного слоя после обработки при 900 С, чего не наблюдается при использовании раствора с 10%-ми хлорида аммония.
Те же закономерности наблюдаются при изменении концентрации глицерина в электролите. Глицерин способствует окислению железа, поэтому снижение его концентрации при неизменном содержании хлорида аммония, приводит к превалированию анодного растворения над окислением. На рисунке 4.9 показано, что в результате снижения концентрации глицерина до 4% и после поверхностного насыщения стали при 900 С микроструктурно выявляется боридный слой.
Микротвердость бороцементованного слоя имеет максимальное значение у края поверхности в боридном слое и далее снижается в глубину образца (рисунок 4.10). Наибольшее значение микротвердости достигается после обработки при 800 и 850 C и составляет 1000 HV. Меньшее значение наблюдается после обработки при 900 C, а при 920 C упрочнение резко падает из-за ослабления диффузии бора и углерода. Снижение концентрации глицерина от 8 до 4% приводит к росту поверхностной микротведости от 730 до 840 HV, почти не влияя на значения твердости по сечению слоя (рисунок 4.11).Шероховатость поверхности после обработки при 800 и 850 C снижается более чем в 6 раз по сравнению с необработанным образцом, что связано с анодным растворением неровностей на поверхности (таблица 4.1).
Согласно данным испытаний скорость коррозии бороцементованных образцов снижается по сравнению с необработанным образцом и определяется, прежде всего, толщиной оксидного слоя, что указывает на положительную роль окисления поверхности малоуглеродистой стали.
Результаты трибологических испытаний показали, что массовый износ уменьшается при всех изученных условиях бороцементации. Рост микротвердости не оказывает решающего действия на интенсивность изнашивания, важнее прирабатываемость слоя, где оксиды могут играть роль смазки. Например, повышение температуры бороцементации от 800 до 850 C, не изменяя твердости, приводит к увеличению шероховатости и коэффициента трения примерно на 30% и росту интенсивности изнашивания почти в 4 раза. Наиболее значительное снижение массового износа по сравнению с необработанными образцами, получено после бороцементации при 900 C с пониженной концентрацией глицерина или повышенным содержанием хлорида аммония. Вероятно, именно в этих случаях достигается оптимальное сочетание твердости и прирабатываемости.
Технологический процесс упрочнения имплантата из сплава ВТ6
Для повышения долговечности титанового эндопротеза рекомендуется бороцементация в электролите, содержащем 10% хлорида аммония, 3% борной кислоты и 8% глицерина, с использованием установки анодной электролитно-плазменной обработки.
Технологический процесс содержит следующие операции.
включение вентиляции;
заливка электролита в систему;
включение насоса и установка скорости циркуляции электролита в системе по ротаметру на уровне 2,6 л/мин;
закрепление детали в держателе;
подача охлаждающей воды в теплообменник;
подача напряжения 220-250 В на деталь;
плавное погружения детали в электролит на полную глубину со скоростью 1,5-2 мм/с;
коррекция напряжения до стабилизации температуры детали на уровне 800-850 С согласно показаниям термопары;
выдержка для насыщения 5 мин;
отключение напряжения (закалка);
извлечение детали из электролита;
промывка детали водой и просушка на воздухе.