CC BY
129
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н.Э. ЬАУМЛНЛ
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл JVa ФС 77 - 48211. Государственная регистрация №(I4212Ü0025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Антифрикционые наплавки на титановые сплавы
# 05, май 2012
Б01: 10.7463/0512.0383721
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
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 а-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 ТЮ и окалина ТЮ2. 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 А1, Р, Т1, О. 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 ТЮ2 в модификации анатаз и содержат до 8 % (массовая доля) фосфора при оксидировании в фосфатном электролите и до 20 % алюминия при оксидировании в алюминатном электролите (КаА1О2). Фазовый состав при оксидировании в алюминатном электролите пленки А12ТЮ5.
При анализе фазового состава покрытий сформированных в электролитах, содержащих анионы (РО4, НРО4) в широком диапазоне концентраций был обнаружен анатаз; а в электролитах, содержащих анионы БО4 - 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 ^О2 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 Ка3РО4-12И2О в концентрации 10 г/л и КаА1О2 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 КаАЮ2 , затем в растворе №3Р04. 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 иф, В Время выдержки мин. Температура, С° Толщина слоя, мкм
Тринатрий фосфат, КаэР0412И20 ГОСТ 201-76 14 10,8 300 15 19 10
Алюминат натрия №АЮ2 15 11,8 300 14 19 10
Жидкое стекло, ^БЮз, 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 ИУ 5000 МПа, по качеству отвечающий требования ОСТ 5.9994-86.
3. Получение наплавкой оксидированной проволокой металла с твёрдостью ИУ 5000 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. Мигродуговое 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.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MSTÜ
SCIENCE and EDUCATION
EL JV® FS 77 - 4821 1. №0421200025. ISSN 1994-0408 electronic scientific and technical journal
Antifriction surfacing of titanium alloys
# 05, May 2012
DOI: 10.7463/0512.0383721
Shatalov V.K., Fatiev I.S., Mihailov V.I., Groshev A.L.
Russia, Bauman Moscow Technical University, Kaluga Branch Russia, FSUE CRISM "PROMETEY", Saint Petersburg
The authors consider a method of improving antifriction properties of surfacing of titanium alloy parts. Technological operations of thermal and micro-arc oxidation methods aimed at surfacing the wire with stable oxide layer development are compared.
Publications with keywords: properties, titan, hardness, surfacing, welding, wire, electrolytes, oxidation
Publications with words: properties, titan, hardness, surfacing, welding, wire, electrolytes, oxidation
References
1. Gordienko P.S., Gnedenkov S.V. Mikrodugovoe oksidirovanie titana i ego splavov [Microarc oxidation of titanium and its alloys]. Vladivostok, Dal'nauka, 1997. 179 p.
2. Lysenko L.V., Shcherbinin V.F., Shatalov V.K. Energotekhnologicheskie svoistva titana i ego splavov v bezvodnykh sredakh [Energotechnological properties of titanium and its alloys in waterless environments]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 1998.110 p.
3. Kozlov I.V., Mikhailov V.I., Semenov V.A., Khromushin K.D., Fatiev I.S. Issledovanie kachestva oksidirovannogo titanovogo splava PT-7M, naplavlennogo s primeneniem vysokotemperaturnoi prokatki [Study of the quality of oxidized titanium alloy PT-7M, deposited with the use of high-temperature rolling]. Voprosy materialovedeniia, 2007, no. 3(51), pp. 214217.
