Антифрикционные свойства МДО-покрытий на титановом сплаве 3М Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ_

УДК 621.794

Антифрикционные свойства МДО-покрытий на титановом сплаве 3М

В. Г. Иванов, С. В. Коркош, П. С. Гордиенко, И. Г. Жевтун

Введение

Высокая активность титана обуславливает его склонность к образованию задиров при трении, малые нагрузки схватывания и, как следствие, низкие антифрикционные свойства. Применение смазочных материалов, традиционных для машиностроения, малоэффективно из-за наличия на поверхности окисной пленки. Следовательно, становится невозможным использование титана в реальных узлах трения без поверхностно-упрочняющей обработки.

В настоящее время существуют и разрабатываются новые методы защиты титановых сплавов и материалов, работающих в паре с титаном, от коррозионно-механического воздействия [1, 2]. Одним из успешно применяемых методов является микродуговое оксидирование (МДО).

Для деталей из титановых сплавов МДО в фосфатсодержащих электролитах применяется для формирования окисной пленки (толщиной 4-6 мкм) в целях снижения токов контактной гальванокоррозии примыкающих к титановой поверхности деталей из стали, меди и сплавов на медной основе в морской воде. Такой обработке подвергаются детали в судостроении и судоремонте. Используют МДО и для получения противозадирных покрытий [3]. Длительность процесса МДО составляет не более 10-15 мин. Незначительная толщина оксидного слоя, формируемого в электролите с концентрацией тринатрийфосфата при МДО в разных режимах, указанных в [3], не позволяет использовать его в качестве работоспособного износостойкого антифрикционного покрытия.

В настоящей работе представлены результаты оценки триботехнических свойств покрытий повышенной толщины на сплаве ЗМ, полученных методом МДО, при испытании в паре с графитобаббитовым материалом марки АММТ.

Материалы и методы исследований

Образцы для исследований изготовлены из сплава титана ЗМ. Формирование покрытий проводили на установке для МДО с гальванической ванной из титанового сплава (катод) в водном растворе тринатрийфосфата

(концентрация — 13-30 г/л) с источником поляризующего напряжения типа ТП-4-500-4В (Саранск). При формировании покрытий напряжение изменяли в пределах 240-400 В, продолжительность процесса оксидирования при заданном напряжении составляла до 40 мин. Образцы выполнены в виде колец 0 52/37 х 17 мм. Для сравнения триботехнических свойств образцов с покрытиями, созданными в результате МДО, и с оксидными слоями, полученными при термическом оксидировании, часть образцов нагревали до 800 °С и выдерживали при этой температуре в течение 1 ч. Толщину покрытия в результате МДО и толщину оксидного слоя после термического оксидирования определяли толщиномером «Константа-К5» (ЗАО «Константа», Санкт-Петербург) и преобразователем ПД1; для измерения удельного привеса образцов после оксидирования использовали аналитические весы ВЛА-200, твердость измеряли на сканирующем нанотвердомере «НаноСкан-Компакт» (Троицкий филиал Челябинского государственного университета, Троицк). Фазовый состав определяли по рентгенограммам, снятым на автоматическом дифрактометре D8 Advance (Германия) с использованием программ поиска EVA и банка порошковых данных PDF-2. Поверхность исследовалась при помощи сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения Hitachi S5500 с приставкой для энер-го-дисперсионного анализа Thermo Scientific.

Триботехнические испытания проводили на машине торцевого трения конструкции Ленинградского политехнического института, реализуемая схема испытаний — трение кольца по шайбе. Верхний образец пары трения (кольцо) изготавливали из графитобаб-битового материала АММТ (нижний образец (шайба) — исследуемый образец).

Условия испытаний:

• скорость скольжения — 12 м/с;

• нормальная удельная нагрузка — 2,5 МПа;

• суммарный путь трения — 2000 км;

• среда — проточная водопроводная вода.

На начальной стадии испытаний производили приработку трущихся поверхностей при ступенчато повышавшейся нагрузке для обеспечения контакта на всей площади касания.

электрофизические и электрохимические методы обработки

Начальная нагрузка — 0,4 МПа, конечная — 2,5 МПа (рабочая), промежуточные нагрузки — 0,8; 1,2; 1,6; 2,0 МПа, продолжительность испытания на каждой ступени — 1 ч. Линейный износ образцов после приработки и через каждые 500-1000 км пути трения определяли по изменению высоты образцов, которую измеряли на компараторе марки ИЗВ-2 (ЗАО «ТочПрибор», Иваново) с ценой деления 1 мкм.

Результаты исследований

По результатам оксидирования методом МДО построены зависимости изменения удельного привеса и толщины покрытия от продолжительности процесса Тф (рис. 1) и от напряжения формирования Цф (рис. 2).

Зависимости удельного привеса Аш, г/см2, (рис. 1, а) и толщины слоя 1, мкм (рис. 1, б) от времени формирования покрытия носят затухающий характер, могут быть описаны уравнением прямой Аш и удовлетворительно укладываются в логарифмическую зависимость 1 = = Д1п т). При напряжении 280 В и с увеличением времени формирования покрытия с 5 до 41 мин в электролите с концентрацией №зР04 23 г/л толщина покрытия увеличивается в 7,5 раз с 4 до 30 мкм по сравнению с покрытием, формируемым методом МДО, на сплавах титана в режиме для получения повышения антифрикционных свойств (240 В, 5 мин) [3].

Уменьшение концентрации электролита с 23 до 13 г/л почти в три раза снижает удельный привес в интервале напряжений формирования 260-300 В (рис. 2, а). Зависимость толщины покрытия от напряжения формирования Тф, равная 15 мин, при разных концентрациях электролита представлена на рис. 2, б. При концентрации ^3Р04 13 г/л толщина слоя увеличивается незначительно, с 9 до 11 мкм, в интервале Пф = 240...320 В, затем резко возрастает и достигает максимума 23 мкм при Цф = 380 В и далее, при Пф = 400 В, несколько снижается. При концентрации электролита 23 г/л толщина покрытия пропорционально увеличивается с 12 мкм при Пф = 240 В до 21 мкм при Цф = 300 В, а при дальнейшем увеличении Пф повышается вероятность разрушения не только сформированных оксидных слоев, но и поверхности металла поляризуемого образца. Твердость покрытия, полученного методом МДО, сопоставима с твердостью оксидного слоя, созданного при термическом оксидировании данного сплава (табл. 1).

В зависимости от режима МДО происходят изменения структуры покрытия. В случае оксидирования по стандартному режиму для получения противозадирных свойств (режим

а)

%301

|

>25-

1^15 Н а

& 10 -]

'3

л

50

10 20 30

Время формирования íф, мин

40

50

б))

35 -,

30-

£ ¡3 25-

£ 20-

к

15-

ани ^ 10-

!5 5-

ь-

0-

-----------

10 20 30

Время формирования мин

40

50

Рис. 1. Зависимость удельного привеса образцов (а) и толщины покрытия (б) от времени формирования покрытия Тф в электролите с концентрацией Ма3Р04 23 г/л при напряжении 240 (2) и 280 В (1)

а)

20

Ч 18

.о

>16

^ 14

0 14

^ 12 %10

вир8

I?

■а 6

1 4 3 2

е

£ 0

—I-1-1-1-1-1-1-1-1-1

220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420

щ, В

б)

м 25

8

20 -

15 -

р

о е 10 -

а

н и 5 -

*

К

£ 0 -

-1-1-1-1-1-1-1-1-1

220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420

Цф, В

Рис. 2. Зависимость удельного привеса образцов (а) и толщины покрытия (б) от напряжения формирования покрытия Цф в электролите с концентрацией Ма3Р04 13 (2) и 23 г/л (1), время формирования — 15 мин

2

0

2

0

1

2

ME

[АПШ

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Таблица 1

Твердость покрытий, полученных МДО при термическом оксидировании

Способ и режим формирования покрытия Толщина покрытия d, мкм Твердость, ГПа

МДО, 23 г/л, 280 В, 15 мин 18 8,58

МДО, 13 г/л, 380 В, 15 мин 23 7,49

Термическое оксидирование 30 7,51

при 800 °С, 1 ч

240 В, 5 мин) внешний вид покрытия практически не отличается от термически оксидированной поверхности (рис. 3, а). С увеличением величины напряжения и продолжительности процесса вид поверхности существенно меняется (рис. 3, б, в): рельеф поверхности становится более развитым, появляются микропоры.

Для покрытий, полученных в электролите с концентрацией 13 г/л, характерны сферические образования темного цвета на светлом фоне (рис. 4). С ростом напряжения число этих образований увеличивается. С повышением напряжения формирования рентгенофазо-вым анализом в составе покрытия установлено наличие кристаллических форм диоксида титана рутильной модификации. При анализе поверхности на сканирующем электронном микроскопе (рис. 3, г, 4, г) на покрытиях, сформированных при более высоком напряжении, различимы ярко выраженные пробойные каналы. По данным элементного анализа, в покрытиях присутствует до 15 % ат. фосфора. Скорее всего, его следует отнести к фазе КаТ^РО^, которая обнаруживается в покрытиях, сформированных в фосфатных электролитах [3].

' ...; '■■"■■ • . ••...'. -. . •••. . . ■ • .—%: ■ ■ ■.-./;• ■ ,

' , " V .. . о. . .

' .■ -

; V.

•■•.•• . i . ■ • V

Рис. 4. Поверхность слоев, оксидированных микродуговым методом, при концентрации 13 г/л и продолжительности выдержки 15 мин: а — 320 В; б — 340 В; в, г — 380 В; а-в — х70

Антифрикционным испытаниям подвергали три модельных образца с покрытием, полученным МДО в электролитах с различной концентрацией Na3PO4 и при различных параметрах процесса. Режимы нанесения антифрикционных покрытий представлены в табл. 2. Для сравнения было проведено испытание образца и МО-4 из сплава ЗМ после термического оксидирования при 800 °С в течение 1 ч. Основные триботехни-ческие характеристики, полученные при испытании образцов с антифрикционными покрытиями, созданными МДО, в паре с графитобаб-битом, представлены в табл. 3.

Как показано табл. 3, наилучшие триботехни-ческие характеристики были получены на паре трения «образец МО-1 — графитобаббит». Скорость изнашивания графитобаббита в паре с образцом МО-1 в 2,5 раза ниже, чем при испытании в паре с термически оксидированной поверхностью (образец МО-4). Микродуговое покрытие в период приработки износилось на 2 мкм и в ходе испытаний далее не изнашивалось.

После испытания покрытие, полученное МДО, имело отражающую свет поверхность, отсутствовали царапины, задиры, намазывания частиц контртела (графитобаббита) не наблюдались.

Таблица 2

Режимы нанесения покрытий методом МДО

Рис. 3. Поверхность оксидированных слоев МДО при концентрации 23 г/л: а — 240 В, 5 мин; б — 240 В, 34 мин; в, г — 280 В, 41 мин; а-в — увеличение х70

Параметр Маркировка образца

МО-1 МО-2 МО-3

Концентрация Ма3Р04, г/л 30 21 13

Напряжение, В 295 280 380

Продолжительность оксиди- 25 45 30

рования, мин

Толщина покрытия, мкм 16 19 16

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Таблица 3

Триботехнические характеристики пар трения «покрытия МДО — графитобаббит»

Параметр Маркировка образца

МО-1 МО-2 МО-3 МО-4*

Средняя скорость изнашивания контртела (графитобаббита), мкм/ч 0,087 0,34 7,13 0,22

Коэффициент трения после приработки 0,037-0,039 0,043-0,052 0,123-0,129 0,039-0,043

* Термическое оксидирование.

МЕТ^^БРДБОТКА

При увеличении х70 (рис. 5, б) в порах покрытия видны следы продуктов износа контртела.

Поверхность дорожки трения на графито-баббите АММТ заполирована до блеска, образования трещин, выкрашивания или выплавления баббита не наблюдались (рис. 5, в). Полученные данные свидетельствуют о том, что трение протекало в нормальном режиме.

Пара трения «МО-2 — графитобаббит» показала несколько худшие триботехнические характеристики по сравнению с парой трения «МО-1 — графитобаббит». Дорожка трения на образце МО-2 незначительно отличается от дорожки трения на образце МО-1, после испытания покрытие имело светоотражающую поверхность, отсутствовали царапины, задиры и прочие дефекты. В целом пара трения с образцом МО-2 показала себя вполне работоспособной несмотря на пониженные по сравнению с МО-1 триботехнические характеристики.

Испытания пары трения «образец МО-3 — графитобаббит» проведены только до 1000 км пути трения из-за низкой износостойкости

а) б) в)

Рис. 5. Дорожка трения образца МО-1 (а, б) и поверхность граффито-баббитового кольца после наработки 1500 км (в): а — х10; б — х70; в — х8

а) б)_________

1 1 Рис. 6. Дорожка трения образца МО-3 после испытания, х35: а — со следами намазывания частиц баббита: 1 — частица баббита;

б — со следами графита: 1 — полоса графита

графитобаббита (средняя скорость изнашивания составила 7,13 мкм/ч, коэффициент трения более чем в 4 раза выше, чем для образца МО-1).

Дорожка трения образца МО-3 темная от продуктов износа кольца, в некоторых местах отмечено намазывание частиц баббита (рис. 6, а) и полосы графита (рис. 6, б). Полученные данные свидетельствуют о том, что при испытании происходило схватывание поверхностей пары трения.

Причиной неудовлетворительных результатов триботехнических испытаний пары трения образца МО-3, полученного в электролите с концентрацией 13 г/л, является характер структуры покрытия, имеющей твердые сферические образования, вероятно рутила. В процессе испытания данные образования, занимающие примерно 20-40 % площади покрытия, создают задиры на поверхности гра-фитобаббита и тем самым существенно повышают скорость изнашивания контртела.

Выводы

Увеличение концентрации Ка3Р04 • 12Н2О до 20-30 г/л и напряжения формирования покрытия до 400 В при МДО образцов из титанового сплава ЗМ позволяет получать износостойкие слои толщиной до 20-25 мкм. Триботехнические характеристики покрытия, созданного с помощью МДО в паре трения с графитобаббитом, находятся на уровне покрытия, полученного термическим оксидированием.

Литература

1. Горынин И. В., Ушков С. С., Хатунцев А. Н. и др. Титановые сплавы для морской техники. СПб.: Политехника, 2007. 387 с.: ил.

2. Гордиенко П. С., Достовалов В. А., Жевтун И. Г. и др. Формирование карбидных фаз на катодно-по-ляризованной поверхности титана // Коррозия: материалы, защита. 2009. № 7. С. 1-5.

3. Гордиенко П. С., Гнеденков С. В. Микродуговое оксидирование титана и его сплавов. Владивосток: Дальнаука, 1997. 185 с.