Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 8
1.1 .Методы поверхностного упрочнения титановых сплавов 9
1.2. Технология ионного азотирования и структура азотированного слоя. 22
1.2.1. Общая характеристика ХТО и особенности ионного азотирования 22
1.2.2. Структура азотированного слоя 24
1.2.3. Влияние параметров ионного азотирования на формирование модифицированной поверхности титановых сплавов 31
1.3. Анализ влияния химического состава и структуры титановых сплавов на формирование модифицированной поверхности при азотировании 37
1.4. Анализ влияния поверхностного упрочнения на механические свойства титановых сплавов 43
1.5. Заключение по литературному обзору и постановка задач исследований 47
Глава 2. Объекты и методы исследования 52
2.1 Объекты исследования 52
2.2 Методы исследования 54
Глава 3. Влияние параметров ионно-вакуумного азотирования на формирование фазового состава и структуры модифицированного слоя в титановом сплаве ВТ20 62
3.1 Исследование влияния температуры на процесс ионно-вакуумного азотирования 63
3.2 Исследование влияния времени выдержки на процесс ионно-вакуумного азотирования 70
3.3 Исследование влияния концентрации азота на процесс ионно-вакуумного азотирования 78
3.4 Выводы по главе III 82
Глава 4. Влияние исходной структуры и химического состава сплава титановых сплавов на фазовый состав, структуру и глубину модифицированного поверхностного слоя 84
4.1 Формирование модифицированного слоя при ионно-вакуумном азотировании промышленных титановых сплавов различных классов 85
4.1.1 сс-сплавы ВТ1-0 и ВТ5 85
4.1.2 (а+р>сплавыВТ6, ВТ16, ВТ23 91
4.1.3 сплав переходного класса ВТ22 98
4.1.4 псевдо-Р титановый сплав ТС6 102
4.2 Влияние дисперсности структуры титановых сплавов на формирование модифицированного слоя 109
4.3 Анализ влияния фазового и химического состава титановых сплавов на формирование модифицированного слоя при ионно-вакуумном азотировании 128
4.4 Выводы по главе IV 136
Глава 5. Влияние ионно-вакуумного азотирования на механические и триботехнические свойства титановых сплавов 138
5.1 Исследование влияния ионно-вакуумного азотирования на кратковременные механические, усталостные и триботехнические свойства титанового сплава ВТ20 136
5.2 Исследование влияния ионно-вакуумного азотирования на работоспособность сплава ВТ22 в условиях трения качения 146
5.3 Выводы по главе V 152
Основные выводы 154
Список литературы 158
Приложение 167
- Общая характеристика ХТО и особенности ионного азотирования
- Исследование влияния времени выдержки на процесс ионно-вакуумного азотирования
- Влияние дисперсности структуры титановых сплавов на формирование модифицированного слоя
- Исследование влияния ионно-вакуумного азотирования на работоспособность сплава ВТ22 в условиях трения качения
Введение к работе
Титановые сплавы занимают важное место среди современных конструкционных материалов, благодаря удачному сочетанию физических, механических и технологических свойств. Низкая плотность, высокая коррозионная стойкость, высокая удельная прочность и жаропрочность делают эти сплавы незаменимыми для авиационной и космической техники. В последнее время наметилась тенденция расширения области применения титановых сплавов, в частности, в медицине для изготовления имплантатов и в автомобилестроении. Однако, более широкое их использование сдерживается из-за неудовлетворительных триботехнических характеристик.
Одним из наиболее эффективных способов улучшения фрикционных свойств титановых сплавов является создание модифицированных поверхностных слоев (диффузионных слоев) в материале подложки, образующихся за счет диффузии ионов газов. Для этих целей, в частности, применяют термодиффузионное азотирование (ТДА), ионное азотирование и ионную имплантацию. Термодиффузионное азотирование осуществляется при температурах выше 850С и требует длительных выдержек, что является существенным недостатком этого метода. Применение же ионной имплантации приводит к образованию модифицированного слоя протяженностью не более 1 мкм, что часто недостаточно для обеспечения эрозионной стойкости поверхности.
Одним из существенных преимуществ ионного азотирования является возможность получения контролируемого распределения твердости и модулей упругости в поверхностных слоях материала за счет управления параметрами техпроцесса, такими как температура, давление газа и состав газовой смеси. Однако до настоящего времени для получения протяженных модифицированных слоев в основном используют сравнительно высокие температуры (750-800С), которые
могут менять микрогеометрию поверхности и приводить к существенным изменениям структуры и свойств сердцевины изделия.
В МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского совместно с ОАО "НИАТ" был разработан метод вакуумной ионно-плазменной обработки поверхности, позволяющий в едином цикле проводить ионно-вакуумное азотирование и нанесение нитридных покрытий в модифицированной установке «Булат». Данный метод позволяет снизить температуру процесса до 500-600С, а продолжительность поверхностной обработки до 1 часа. Однако для полной реализации преимуществ ионно-вакуумного азотирования необходимо проведение комплексного исследования влияния технологических параметров процесса и исходной структуры подложки на формирование структуры поверхностных слоев.
Известно, что химический состав и структура титановых сплавов оказывает существенное влияние на формирование диффузионных слоев при азотировании. Однако систематических исследований в этом направлении до настоящего времени не проводилось. Поэтому задача исследования закономерностей формирования структуры азотированного слоя в процессе ионно-вакуумного азотирования в зависимости от химического состава и исходной структуры титановых сплавов является актуальной.
Научная новизна:
Показано, что размер структурных составляющих в двухфазных титановых сплавах оказывает влияние на процесс азотирования: с повышением дисперсности а-фазы увеличивается протяженность диффузионной зоны с образованием а-твердого раствора, и уменьшается количество нитридных фаз на поверхности.
Показано, что глубина диффузионного слоя а-твердого раствора азота при ионно-вакуумном азотировании в интервале температур 550-650С для а-
титановых сплавов определяется системой и степенью легирования, а для а+р-титановых сплавов - соотношением количества а- и Р-фаз в структуре при этих температурах.
Установлено, что в отожженном состоянии глубина диффузионного слоя с увеличением в структуре количества Р-фазы до 30% увеличивается в 1,4 раза по сравнению с титаном за счет более высокой скорости протекания процессов диффузии азота в р-фазе. Увеличение в структуре объемной доли Р-фазы от 30 до 100% вызывает уменьшение протяженности диффузионной зоны, вследствие меньшей растворимости азота в Р-фазе.
Показано, что образование в поверхностном слое а-твердого раствора внедрения практически не оказывает влияния на значения предела прочности и относительного удлинения при кратковременных испытаниях, но, вследствие существования в нем растягивающих напряжений, уменьшает на 30% предел выносливости при циклических нагрузках.
Практическая значимость:
1. Разработаны рекомендации по технологии ионно-вакуумного азотирования
изделий из титановых сплавов, не испытывающих знакопеременных нагрузок в процессе работы в условиях трения по сверхвысокомолекулярному полиэтилену, включающие азотирование при температуре 550С в течение 60 минут, что позволяет получить на поверхности изделий прочную беспористую пленку, стойкую к истиранию.
2. Разработаны режимы упрочняющей термической и поверхностной
обработок для изделий из высокопрочного титанового сплава ВТ22, способных
выдерживать контактные напряжения в условиях ограниченной подвижности до
2,5ГПа. Проведение закалки с температур р-области с последующим старением при
550С в течение 6 часов и ионно-вакуумного азотирования при 530С в течение 60
минут обеспечивают получение твердости в объеме материала 49-50 ед. HRC, а на
поверхности - износостойкого слоя с твердостью 56-57 ед. HRC.
Разработанные технологии были использованы ЗАО «Имплантат МТ» при производстве элементов эндопротезов тазобедренного сустава, что подтверждено соответствующим актом.
Апробация работы. Материалы работы доложены на 8 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на Молодежных научно-технических конференциях «МАТИ»-РГТУ им. К.Э.Циолковского «Гагаринские чтения» (2002г., 2004г., Россия), на Научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (2002г., Россия), на II НПК молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (2004г., Россия), на III Международной конференции «Ті-2005 в СНГ» (2005г., Украина), на конференции «Структура и свойства материалов с особыми свойствами» (2005г., Россия), на II Франко-российском семинаре «Новые достижения в материаловедении» (2005г., Россия).
Общая характеристика ХТО и особенности ионного азотирования
Увеличение износостойкости при различного вида поверхностных обработках и покрытиях сопровождается рядом побочных факторов. В частности, поверхностная обработка может изменять общую прочность или пластичность под нагрузкой обработанной детали [72, 93-100]. Изменение некоторых характеристик конструктивной прочности может происходить в результате поверхностных явлений (остаточные напряжения, хрупкость поверхностных слоев, появление поверхностных дефектов), а также в результате изменений свойств основного материала (сердцевины) под воздействием химико-термической обработки, которая для титановых сплавов чаще всего является окончательной.В работах [72, 82 и 93] показано изменение предела прочности, текучести, -относительного удлинения и сжатия после азотирования.
Так, в работе [72] выявлено влияние термодиффузионного азотирования (с печным нагревом) проводимого при температурах 900-1100С в атмосфере чистого азота на прочностные характеристики титановых сплавов ВТ1-0, АТЗ, АТ6. Установлено, что азотирование способствует повышению прочности титановых сплавов. Особенно интенсивное повышение характеристик прочности наблюдается после азотирования при 1100С. Азотирование при 900 С вызывает менее заметное упрочнение. Например, после азотирования при 1100 и 900С в течение 10 ч временное сопротивление разрыву чистого титана повышается соответственно на 245 и 65 МПа, предел текучести — на 275 и 35 МПа, а сплава АТЗ — на 95 и 15 МПа; 125 и 35 МПа соответственно. Аналогичные закономерности наблюдаются и для сплава АТ6, только повышение прочностных характеристик происходит еще менее интенсивно.
Следует отметить, что предел текучести под действием азотирования растет более интенсивно, чем временное сопротивление разрыву.
Для чистого титана относительное удлинение после азотирования при 900 и 1000С в течение 10 ч уменьшается от 40,2 до 18,2 и 1 %, т.е. в 2 и 40 раз соответственно. В сплавах АТЗ и АТ6 это уменьшение происходит в меньшей степени. Таким образом, чем больше в титановом сплаве содержится алюминия, тем выше его пластичность после азотирования по сравнению с пластичностью чистого титана.
Относительное сужение у снижается под действием азотирования еще более резко, чем относительное удлинение 8. Так, после азотирования при 900 и 1000 С в течение 10 ч относительное сужение чистого титана уменьшается соответственно в 4,2 и 35 раз, а сплава АТ6 - в 4 и 15 раз. Аналогичные закономерности наблюдаются и при испытании ударных образцов после азотирования по различным режимам.
При этом следует отметить, что сплав АТ6 по сравнению с чистым титаном и сплавом АТЗ в меньшей степени охрупчивается под действием азотирования.
Полученные экспериментальные данные показывают, что заметное упрочнение титановых сплавов сопровождается их резким охрупчиванием, особенно если азотирование проводится при температурах выше 900С. Это связано, по-видимому, не только с образованием азотированного слоя, но и с заметным укрупнением зерен при азотировании, которое проводится при довольно высоких температурах.
Для выяснения причины резкого охрупчивания сплавов проводили отжиг разрывных образцов (без насыщения азотом) в атмосфере специально чистого аргона при 1100С 10 ч. После азотирования при таких температуре и выдержке наблюдается самое сильное охрупчивание образцов. Установлено, что у титана ВТ1-0 и сплавов АТЗ, АТ6 после такого отжига по сравнению с исходными характеристиками временное сопротивление разрыву повышается до 430, 635 и 840 МПа, предел текучести — до 320, 540 и 800 МПа, относительное удлинение снижается до 25, 17 и 13,5 %, относительное сужение — до 41, 33 и 22 % соответственно. Такой характер изменения свойств объясняется только укрупнением зерен при отжиге. За счет укрупнения зерен охрупчивание сплавов происходит в значительно меньшей степени, чем под действием азотирования. В работе [82] приведены механические свойства после высокотемпературного ионного азотирования (табл. 1.2).
Из таблицы видно, что с повышением температуры до 900С значения временного сопротивления, предела текучести и ударной вязкости практически остаются на уровне, соответствующем исходному состоянию. Дальнейшее повышение температуры приводит к снижению указанных механических свойств.
Исследование влияния времени выдержки на процесс ионно-вакуумного азотирования
Анализ влияния поверхностного упрочнения на механические свойства титановых сплавов
Увеличение износостойкости при различного вида поверхностных обработках и покрытиях сопровождается рядом побочных факторов. В частности, поверхностная обработка может изменять общую прочность или пластичность под нагрузкой обработанной детали [72, 93-100]. Изменение некоторых характеристик конструктивной прочности может происходить в результате поверхностных явлений (остаточные напряжения, хрупкость поверхностных слоев, появление поверхностных дефектов), а также в результате изменений свойств основного материала (сердцевины) под воздействием химико-термической обработки, которая для титановых сплавов чаще всего является окончательной.В работах [72, 82 и 93] показано изменение предела прочности, текучести, -относительного удлинения и сжатия после азотирования.
Так, в работе [72] выявлено влияние термодиффузионного азотирования (с печным нагревом) проводимого при температурах 900-1100С в атмосфере чистого азота на прочностные характеристики титановых сплавов ВТ1-0, АТЗ, АТ6. Установлено, что азотирование способствует повышению прочности титановых сплавов. Особенно интенсивное повышение характеристик прочности наблюдается после азотирования при 1100С. Азотирование при 900 С вызывает менее заметное упрочнение. Например, после азотирования при 1100 и 900С в течение 10 ч временное сопротивление разрыву чистого титана повышается соответственно на 245 и 65 МПа, предел текучести — на 275 и 35 МПа, а сплава АТЗ — на 95 и 15 МПа; 125 и 35 МПа соответственно. Аналогичные закономерности наблюдаются и для сплава АТ6, только повышение прочностных характеристик происходит еще менее интенсивно.
Следует отметить, что предел текучести под действием азотирования растет более интенсивно, чем временное сопротивление разрыву.
Для чистого титана относительное удлинение после азотирования при 900 и 1000С в течение 10 ч уменьшается от 40,2 до 18,2 и 1 %, т.е. в 2 и 40 раз соответственно. В сплавах АТЗ и АТ6 это уменьшение происходит в меньшей степени. Таким образом, чем больше в титановом сплаве содержится алюминия, тем выше его пластичность после азотирования по сравнению с пластичностью чистого титана.
Относительное сужение у снижается под действием азотирования еще более резко, чем относительное удлинение 8. Так, после азотирования при 900 и 1000 С в течение 10 ч относительное сужение чистого титана уменьшается соответственно в 4,2 и 35 раз, а сплава АТ6 - в 4 и 15 раз. Аналогичные закономерности наблюдаются и при испытании ударных образцов после азотирования по различным режимам.
При этом следует отметить, что сплав АТ6 по сравнению с чистым титаном и сплавом АТЗ в меньшей степени охрупчивается под действием азотирования.
Полученные экспериментальные данные показывают, что заметное упрочнение титановых сплавов сопровождается их резким охрупчиванием, особенно если азотирование проводится при температурах выше 900С. Это связано, по-видимому, не только с образованием азотированного слоя, но и с заметным укрупнением зерен при азотировании, которое проводится при довольно высоких температурах.
Для выяснения причины резкого охрупчивания сплавов проводили отжиг разрывных образцов (без насыщения азотом) в атмосфере специально чистого аргона при 1100С 10 ч. После азотирования при таких температуре и выдержке наблюдается самое сильное охрупчивание образцов. Установлено, что у титана ВТ1-0 и сплавов АТЗ, АТ6 после такого отжига по сравнению с исходными характеристиками временное сопротивление разрыву повышается до 430, 635 и 840 МПа, предел текучести — до 320, 540 и 800 МПа, относительное удлинение снижается до 25, 17 и 13,5 %, относительное сужение — до 41, 33 и 22 % соответственно. Такой характер изменения свойств объясняется только укрупнением зерен при отжиге. За счет укрупнения зерен охрупчивание сплавов происходит в значительно меньшей степени, чем под действием азотирования. В работе [82] приведены механические свойства после высокотемпературного ионного азотирования (табл. 1.2).
Из таблицы видно, что с повышением температуры до 900С значения временного сопротивления, предела текучести и ударной вязкости практически остаются на уровне, соответствующем исходному состоянию. Дальнейшее повышение температуры приводит к снижению указанных механических свойств.
Влияние дисперсности структуры титановых сплавов на формирование модифицированного слоя
Влияние дисперсности структуры титановых сплавов на формированиемодифицированного слоя.
В двухфазных титановых сплавах возможно получение широкого спектра структур, отличающихся по морфологии, размеру и количеству структурных составляющих, применяя различные виды термической и термомеханической обработок [111]. Кроме того, для а- и псевдо а-титановых сплавов, относящимся к термически неупрочняемым сплавам, применение ТВО также позволяет получать широкий спектр структур [112].
Поэтому на следующем этапе работы было изучено влияние размеров структурных составляющих на характеристики азотированного слоя на примере промышленных сплавов ВТ20, ВТ 16 и ВТ22.
Для исследования влияния дисперсности структуры на формирование модифицированного слоя образцы из сплава ВТ20 подвергались высокотемпературному отжигу в Р-области с последующим охлаждением сое скоростью 0,03 К/с с целью создания крупнопластинчатой структуры с толщиной пластин а-фазы (ha) 2-3 мкм и длиной (1а) 25-40мкм (рис. 4.19 а). Другая часть образцов подвергалась термоводородной обработке, позволившей получить дисперсную структуру с размером a-частиц (da) менее 1 мкм (Рис. 19 б). Для сравнения также приводятся характеристики модифицированного слоя, сформировавшегося на образцах из сплава ВТ20, имеющих глобулярную-Ill морфологию а-частиц размером 3-5 мкм (рис. 4.19 в).
На первом этапе было изучено влияние степени дисперсности частиц а-фазы на структуру поверхности образцов после азотирования. Проведенные исследования выявили, что после азотирования при 550С на поверхности всех исследованных образцов из сплава ВТ20 формируется беспористый нитридный слой (Рис. 4.20 а,б). В процессе азотирования при 600С в поверхностной нитридной пленке образуются поры размером не более 0,5 мкм, при этом на поверхности образцов с размером частиц а-фазы не превышающем 1 мкм наблюдается минимальное количество пор. Увеличение размера а-частиц до 3-5 мкм приводит к возрастанию количества пор без изменения их размера. Дальнейшее укрупнение исходной структуры не приводит к ухудшению качества поверхности (Рис. 4.20 в,г).
Рентгеноструктурный анализ поверхности образцов показал, что размер ос-частиц практически не оказывает существенного влияния на фазовый состав приповерхностных слоев и количество нитрида e(Ti2N) формирующегося в результате азотирования при 550С (Табл. 4.5). После азотирования при 600С на поверхности образцов с размером частиц а-фазы менее 1 мкм наблюдается наименьшее количество нитридных фаз e(Ti2N) и 5(TiN) (Рис. 4.21 а). Укрупнение а-частиц до 3-5 мкм приводит к увеличению количества этих нитридов (Рис. 4. 21 б); при этом интенсивность нитридных линий от образцов с размером а-частиц 3-5 мкм и от образцов с крупнопластинчатой структурой приблизительно одинакова (Рис. 4.21 в).
Проведенные измерения микротвердости на "косых" шлифах для оценки глубины азотированного слоя показали, что максимальная глубина диффузионной зоны, составляющая 60 мкм после азотирования при 600С, наблюдается на образцах с размером частиц а-фазы менее 1мкм (Рис. 4.22). Увеличение размера а-частиц до 3-5 мкм приводит к снижению упрочненного слоя до 50 мкм (Рис. 4.23).
Исследование влияния ионно-вакуумного азотирования на работоспособность сплава ВТ22 в условиях трения качения
Исследование влияния ионно-вакуумного азотирования на работоспособность сплава ВТ22 в условиях трения качения.
Проблема повышения износостойкости титановых сплавов также актуальна и для других отраслей промышленности, например, для изготовления из титановых сплавов высоконагруженных деталей, работающих в условиях ограниченной подвижности, где замена сталей титановыми сплавами приведет к значительному снижению массы конструкции. Материал для таких изделий должен обладать не только высокой твердостью, по возможности приближающейся к твердости широко используемых сейчас сталей в закаленном и отпущенном состоянии, составляющей 58-60 HRC, но и высокой износостойкостью для обеспечения удовлетворительной работы в условиях ограниченных перемещений. Одним из наиболее перспективных материалов для изготовления таких деталей является высокопрочный титановый сплав ВТ22, так как наличие значительного количества Р-стабилизаторов позволяет зафиксировать закалкой ненасыщенную легирующими элементами Р-фазу, распад которой при последующем старении с выделением дисперсных частиц а-фазы приводит к существенному упрочнению.Для выявления оптимального режима упрочняющей термической обработкиобразцы из сплава ВТ22 были закалены с температуры на 5С выше температурыконца полиморфного а— р превращения, составляющей 900С, что обеспечилополучение однофазной р-структуры (Рис. 5.3). После чего часть образцов былаподвергнута старению при температуре 550С, другая часть - при температуре 500Си третья - при 450С.
Из представленных в таблице 5.4 данных видно, что температура старения оказывает существенное влияние на упрочнение: с одной стороны, чем ниже температура, тем дисперснее выделяющиеся частицы а-фазы и тем выше должна быть конечная твердость. Однако процесс выделения а-фазы связан с протеканием диффузионных процессов. Поэтому чем ниже температура, тем медленнее протекают процессы распада и тем больше требуется времени для их завершения. Поэтому максимальная твердость, составляющая 50 ед. HRC, достигается при температуре старения 550С после 6 часов выдержки, а при температурах 500 и 450С - при 9 и 12 часах соответственно.Таблица 5.4Влияние температуры и продолжительности старения на твердость образцов изсплава ВТ22технология обработки для заготовок под испытания: Первая ступень: Температура нагрева - 900 С; Время выдержки - 30 минут; Скорость охлаждения - 30 К/сек, что соответствует охлаждению в холодной водеВторая ступень:Температура нагрева - 550С; Время выдержки - 6 часовСкорость охлаждения - около 3 К/с, что соответствует охлаждению на спокойном воздухе.
Микроструктура образцов-свидетелей представлена выделившимися очень мелкими частицами вторичной а-фазы, о чем свидетельствует серый фон внутри исходных Р-зерен (рис. 5.4). -149 Для определения работоспособности сплава ВТ22 из него были выточены ролики диаметром 10 мм и длиной 100 мм. Все ролики были предварительно подвергнуты упрочняющей термической обработке, заключающейся в закалке с 900С и последующего старения при 550С в течение 6ч, что обеспечило высокую твердость их сердцевины, составляющую 50 единиц HRC. После этого часть роликов подвергалась ионно-вакуумному азотированию при 530С в течение 60 минут в смеси газов аргона и азота (16%N2 и 84%Аг). Другая часть роликов испытывалась в упрочненном состоянии без поверхностной обработки.
При испытаниях обеспечивается качение титановых роликов по диску иззакаленной и отпущенной стали ЮОСгб (1% С, 1,5% Сг), имеющей твердость 60 HRC. Скорость вращения роликов - 10.000 оборотов в минуту в условиях смазки минеральным маслом. В процессе эксперимента устанавливается максимальный уровень напряжений, которые может выдерживать материал, для чего применялось постепенное увеличение усилия прижатия стального диска к титановому ролику с прекращением испытаний при достижении 12 миллионов оборотов или при возникновении выкрашивания на поверхности.
Из результатов, представленных в таблице 5.5, видно, что на образцах из сплава ВТ22 в упрочненном состоянии выкрашивание наблюдалось после 5 миллионов оборотов при напряжении 1,2 ГПа (Рис. 5.5а). После ионно-вакуумного азотирования при 530С образцы из сплава ВТ22 могут выдерживать напряжения, составляющие 2,5 ГПа, без выкрашивания, что может позволить его использование для изготовления деталей, работающих в условиях ограниченной подвижности (Рис. 5.56)
