Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Антифрикционые наплавки на титановые сплавы

# 05, май 2012
DOI: 10.7463/0512.0383721
Файл статьи: Шаталов_P.pdf (282.55Кб)
авторы: Шаталов В. К., Фатиев И. С., Михайлов В. И., Грошев А. Л.

УДК 621.791.053

Россия, Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана

Россия, ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт Петербург

vkshatalov@yandex.ru

 

Создание новой и совершенствование имеющейся техники требует применения прогрессивных технологических процессов, позволяющих повысить ресурс и надежность, обеспечить работоспособность деталей и узлов в самых жестких условиях эксплуатации, при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах, действии динамических и контактных нагрузок. Не менее важной задачей является снижение массы изделий благодаря применению новых материалов, конструктивно-технологических способов повышения несущей способности деталей. Этим вызваны расширяющееся применение титановых сплавов и процессов их упрочняющей технологии в ведущих отраслях машиностроения. Разрабатываются новые способы, технологии улучшения антифрикционных свойств и защиты от коррозии путем нанесения покрытий, получают развитие методы поверхностного легирования, напыления, и др.

 Титан и его сплавы обладают крайне низкими антифрикционными свойствами и износостойкостью. На практике часто сталкиваются с интенсивным разрушением титановых сплавов в результате фреттинг–коррозии, схватывания с образования задиров. Низкие антифрикционные свойства титановых сплавов трудно устранить подбором контактирующего материала, смазочного материла, оптимизацией конструкции.

 Перспективными методами повышения антифрикционных свойств и износостойкости деталей из титановых сплавов при контактных нагрузках являются методы химико-термической обработки, направленные на физико-химическое модифицирование поверхностного слоя, и анодирование. При термическом оксидировании образуется слой окислов титана, для которого характерна высокая механическая прочность и износостойкость. Анодирование позволяет получать оксидные пленки, в состав которых входят отдельные антифрикционные составляющие.

 Эффективным технологическим направлением повышения ресурса продукции авиа- и судостроения, изготовленной из титановых сплавов, находящейся в морской или другой агрессивной среде, работающей в условиях знакопеременных циклических и повторно-статических нагрузок или истирания, является наплавление в среде защитных газов на поверхности деталей слоя металла высокой твердости.

В качестве материала наплавочной проволоки широкое применение нашли сплавы 2В, ВТ6св, 7М обогащенные кислородом в результате термического оксидирования.

 Примеси, содержащиеся в титане, состоят частично из элементов внедрения, частично из элементов, преимущественно металлов, образующих с титаном твердые растворы замещения. Элементы внедрения – кислород, азот, углерод и водород оказывают наиболее сильное влияние на механические свойства титана. Кислород и азот обладают наибольшей растворимостью в α-титане и поэтому могут в наибольшей степени повысить твердость и предел прочности.

 Распространенным способом насыщения титановых сплавов кислородом является нанесение устойчивых оксидных покрытий на поверхность проволоки.

Оксидные покрытия полученные методом термического или анодного оксидирования, отвечают требованиям прочности судового энергооборудования с учетом эксплуатационных условий и технологии изготовления.

Термическое оксидирование осуществляется при нагреве в воздушной среде при температуре 950°С и выдержке в течение 3÷4 часов. . При этом на поверхности образуется окисная плёнка TiO и окалина TiO2. Образовавшаяся окалина подлежит удалению для предотвращения попадания в расплавленный металл. Несмотря на кажущуюся простоту, метод термического оксидирования имеет ряд существенных недостатков. Прежде всего, метод энергоемок, длителен и трудоемок, включает более 10 технологических операций. Очищенную от окалины проволоку подвергают вакуумному отжигу для удаления водорода и перераспределения кислорода по сечению проволоки.

 Вакуумный отжиг необходим для снижения содержания водорода в сплаве до безопасного уровня, при котором не развивается водородная хрупкость в процессе эксплуатации. Поскольку последующий непременный отжиг является дополнительной операцией, то такая технология повышает стоимость наплавочной проволоки.

 В силу указанных недостатков термического оксидирования, а также возрастающих требований к качеству наплавленного слоя, разрабатываются новые технологические процессы, основанные на последних достижениях науки и техники. Выбранный нами один из них - микродуговое оксидирование (МДО), обладает относительной простотой процесса, возможностью гибкого управления энергетическими и временными характеристиками, оптимизацией их параметров. Метод МДО основан на анодном оксидировании в растворах электролитов при высоких потенциалах вызывающих протекание микроплазменных пробоев на аноде – микродуги.

 МДО-покрытия обладают незначительной дефектностью по сравнению с термическими пленками: в них отсутствуют сквозные поры, микротрещины, что было доказано различными методами, в том числе анодной активацией МДО-пленок в растворах галогенидов. Подтверждением этому служат данные по газопроницаемости по кислороду и водороду. Поэтому к наплавочной проволоке обработанной МДО предъявляются менее жесткие требования при длительном хранении. По данным электронного микрозондового анализов, МДО-покрытия наряду с кристаллической фазой оксида титана (анатаз, рутил) содержат рентгеноаморфную фазу, состоящую из элементов Al, P, Ti, O. Пленки, содержащие рентгеноаморфную фазу, обладают большей пластичностью по сравнению с кристаллической фазой. Кроме того, поверхностный слой металла, прилегающий к пленке, имеет более мелкозернистую структуру, чем основа, что может являться дополнительным фактором, повышающим пластические свойства материала [1, 2].

 По данным рентгенофазного, рентгеноспектрального и микрозондового анализов покрытия состоят из TiO2 в модификации анатаз и содержат до 8 % (массовая доля) фосфора при оксидировании в фосфатном электролите и до 20 % алюминия при оксидировании в алюминатном электролите (NaAlO2). Фазовый состав при оксидировании в алюминатном электролите пленки Al2TiO5.

 При анализе фазового состава покрытий сформированных в электролитах, содержащих анионы (РО4, НРО4) в широком диапазоне концентраций был обнаружен анатаз; а в электролитах, содержащих анионы SO4 – рутил. Анатаз растворяется в титановых сплавах лучше рутила. В таблице 1 приведены применяемые электролиты и режимы МДО при получении наплавочной проволоки.

 Водные щелочные растворы алюмината натрия широко применяются для анодирования различных металлов при потенциалах искрения. При этом в зависимости от концентрации, фазовый состав может состоять из антаза TiO2 или шпинели Al2TiO5, возможны и другие соединения. При оксидировании сварочной проволоки покрытие получилось рыхлым, недостаточно прочным, осыпающемся при изгибе проволоки. Обработка в сложных электролитах, содержащих Na3PO4·12H2Ов концентрации 10 г/л и NaAlO2 в концентрации 5 г/л позволяет получать оксидные покрытия состоящие из анатаза и шпинели, причем соотношение перечисленных фаз определяется как режимами, так и составом электролита. Более прочным получается оксидное покрытие сформированное при последовательной обработке: вначале в растворе NaAlO2 , затем в растворе Na3PO4. В результате проведенных экспериментов выявлено, что в условиях микроплазменного разряда на поверхности металлов формируется прочное сцепление и с основой пленки.

 Толщина оксидного покрытия на титановых сплавах, в основном, определяется плотностью тока, временем протекания процесса и температурой электролита. Толщину покрытия на сварочной проволоке диаметром 2÷4 мм контролировали по образцу свидетелю размером 2х20х40 мм прибором «КОНСТАНТА-К5». На оксидированной проволоке (за исключением мест контакта с приспособлением) не должно быть мест не покрытых окисной пленкой, нарушающих покрытие царапин и прижогов. Поверхность покрытия, полученного МДО, должна быть однородной и иметь цвет от светло-серого до темно-серого с различными оттенками.

 

Таблица 1

Электролиты и режимы МДО наплавочной проволоки.

 

Состав

электролита

 

Концентрация

 г/л

 

 рН

 

 Uф,

 В

 

Время

выдержки

 мин.

 

Темпера-

 тура,

 С°

 

 

Толщина

 слоя,

 мкм

 

 

Тринатрий

фосфат, Na3PO412H2O

ГОСТ 201-76

 

 

 14

 

 

10,8

 

 

 

 300

 

 

 15

 

 

 19

 

 

 10

Алюминат натрия

NaAlO2

 

 

 15

 

 

 11,8

 

 

 300

 

 

 14

 

 

 19

 

 

 10

 

Жидкое стекло, Na2SiO3,

ГОСТ

 13078-81

 

 

 20

 

 

 11,5

 

 

 330

 

 

 15

 

 

 19

 

 

 12

 

 

Первые же наши эксперименты подтвердили перспективность метода. Наплавленный металл аргонодуговым способом неплавящимся электродом с присадочной проволокой обработанной МДО по структуре, качеству и твёрдости соответствовал предъявляемым техническим требованиям. В процессе исследований были открыты два весьма важных преимущества новых способов перед применяющимся много лет способом термического оксидирования сварочной проволоки 7М:

- МДО, в отличие от термического оксидирования, не приводит к повышению содержания водорода в проволоке, что позволяет исключить вакуумную дегазацию (операцию весьма трудоёмкую и энергоёмкую) вместе с закалкой в воду и последующей механической доочисткой.

 - МДО отличается значительно большей производительностью по сравнению с термическим оксидированием.

В таблице 2 приведены для сравнения технологические операции выполняемые при наплавке проволокой обработанной термическом оксидировании и МДО.

Предлагаемый способ, как показали исследования, позволяет обеспечить качество наплавляемого металла соответствующее требованиям ОСТ 5.9994-86 как при условии совмещения наплавки с высокотемпературной прокаткой (ВТП), так и без. В процессе наплавки имеют место как дефекты, вызванные непосредственно сваркой (непровар, незаплавленные кратеры, пористость и др.), так и дефекты характерные для прокатки в процессе сварки. Контроль качества наплавки с прокаткой проводился теми же видами контроля, что и сварных соединений без прокатки.

Наплавка осуществлялась в 7 слоёв до достижения высоты 7-8 мм. Ширина наплавки при этом составляла 12-14 мм. Скорость наплавки каждого слоя 0,16 м/мин, скорость подачи присадочной проволоки диаметром 4 мм - 0,4 м/мин, нагрузка на ролик от гидроцилиндра – 800 кгс. Продувка камеры аргоном перед наплавкой осуществлялась в течение 6 минут с расходом аргона 6 л/мин. В процессе наплавки аргон продолжал поступать в камеру через сопло горелки с расходом 10 л/мин. После завершения наплавки каждого слоя процесс приостанавливался на 1 минуту для подстуживания металла и возобновлялся вновь.

Без ВТП избавиться от образования пор, а иногда и трещин не представляется возможным, так же как и при наплавке термически оксидированной проволокой из сплава 7М [3]. Об этом свидетельствует многолетний опыт применения проволоки марки 7М, оксидируемой по ОСТ 5.9994-86, и приведенные в нём нормы по допускаемому количеству и величине пор в наплавках на титановую арматуру.

Для реализации новых технологических процессов, включающих в себя наплавку и прокатку, разработан и изготовлен ряд специализированных установок, а также созданы деформирующие устройства.

Промышленное применение методов потребовало решение ряда сложных задач. К их числу следует отнести оценку влияния прокатки на изменение параметров режима сварки, стабильность характеристик механических свойств после прокатки, возможность использования прокатки для устранения дефектов внешнего формирования шва, разработку оборудования и оснастки, предназначенного для реализации предлагаемых технических решений.

Таблица 2

Технологические операции при термическом оксидировании и МДО

 

Операция

Термическое оксидирование

МДО

Протирка

+

-

Контроль на затиры

+

+

Обезжиривание

+

-

Промывка теплой водой

+

-

Декапирование

+

-

Холодная промывка

+

-

Контроль на смачивание и нейтральность

+

-

Промывка

+

+

Сушка

+

+

Оксидирование

+

+

Контроль качества

+

+

Закалка на воду

+

-

Удаление окалины

+

-

Вакуумный отжиг

+

-

Определение содержания кислорода. Контроль

+

+

 

Выводы:

1.    Предложен и осуществлён новый способ легирования наплавляемого на титановые сплавы металла через покрытие методом МДО наносимое на титановые сварочные проволоки, с целью повышения его твёрдости и антифрикционных свойств.

2.    Разработан способ нанесения легирующего покрытия на титановые сварочные проволоки методом МДО, позволяющий при наплавке с ВТП на титановые детали получать металл твёрдостью до HV5000 МПа, по качеству отвечающий требования ОСТ 5.9994-86.

3.    Получение наплавкой оксидированной проволокой металла с твёрдостью HV5000 МПа не сопровождается образованием трещин даже при наплавке без подогрева заготовки и последующего отжига.

4.    Микродуговое оксидирование не приводит к наводороживанию проволоки и не требует её вакуумной дегазации и механической доочистки от следов окалины - операциям трудоёмким и энергоёмким, неизбежным при термическом оксидировании по существующей технологии.

5.    Повышение твёрдости наплавляемого металла оксидированной проволокой вызывает необходимость увеличения усилия на прокатный ролик для ликвидации пор и других возможных несплошностей высокотемпературной прокаткой, без которой получение качественных наплавок невозможно.

 

Список литературы

 

1.    П.С. Гордиенко, С.В. Гнеденков. Микродуговое оксидирование титана и его сплавов. Владивосток. Дальнаука. 1997. 179 с.

2.    Л.В Лысенко, В.Ф. Щербинин, В.К. Шаталов Энерготехнологические свойства титана и его сплавов в безводных средах. МГТУ им. Н,Э. Баумана, 1998..110 с.

3.    И.В. Козлов, В.И. Михайлов, В.А.Семенов, К.Д. Хромушин, И.С. Фатиев. Исследование качества оксидированного титанового сплава ПТ-7М, наплавленного с применением высокотемпературной прокатки. ЦНИИ КМ «Прометей», Научно-технический журнал «Вопросы материаловедения». № 3(51), 2007. С. 214-217.


Тематические рубрики:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2019 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)