Прислать материал
Анодное электролитно-плазменное азотирование титанового сплава
Задачи научного исследования:
1. Исследовать поверхностный слой титанового сплава после электролитно-плазменного азотирования (PEN);
2. Выявить зависимость микротвердости поверхностного слоя от температуры обработки титанового сплава после электролитно-плазменного азотирования;
3. Установить закономерности изменения шероховатости поверхностного слоя от температуры обработки титанового сплава после электролитно-плазменного азотирования;
4. Определить закономерность изменения трибологических свойств титанового сплава в зависимости от температуры обработки после электролитно-плазменного азотирования;
5. Исследовать интенсивность изнашивания титанового сплава в зависимости от температуры обработки после электролитно-плазменного азотирования;
6. Определить коррозионную стойкость титанового сплава в зависимости от температуры обработки после электролитно-плазменного азотирования.
Непрерывный технический прогресс и развитие новых отраслей промышленности требуют новых высокопрочных и стойких материалов. За последние годы все большее распространение получила поверхностная термическая и химико-термическая обработка. Одним из современных способов плазменного азотирования, позволяющий сократить общее время обработки, а также повысить механические свойства конструкционных и инструментальных сталей, является электролитно- плазменное азотирование. При азотировании происходят изменения структурно-фазовых состояний и свойств материала в тонких поверхностных слоях. Развивающиеся при этом процессы позволяют получать модифицированный поверхностный слой с уникальным комплексом физико-механических свойств.
Электролитно-плазменное азотирование
Анодной электролитно-плазменной нитроцементации подвергались цилиндрические титановые образцы марки ВТ-22 высотой 15 мм и диаметром 10 мм. Для измерения температуры нагрева в образцах просверливали глухое осевое отверстие под хромель-алюмелевую термопару глубиной 2 мм.
Характеристика поверхности
Фазовый состав поверхностных слоев после электролитно-плазменного азотирования исследовался с помощью дифрактометра ARL X’tra излучением Cu Kα со скоростью сканирования 2°/мин.
Морфология образца была исследована методом сканирующей электронной микроскопии с помощью прибора Quanta 3D 200i в поперечном сечении с последующим элементным микроанализом после полировки и травления с использованием 5%-ного раствора плавиковой кислоты в глицерине в течение 1 мин.
Микротвердость поверхности образца слоя после PEN измеряли на приборе PMT-3M при нагрузке 50 г. Шероховатость поверхности до и после того, как PEN исследовали с использованием тестера шероховатости TR200.
Трибологические испытания образцов проводили со смазкой Литол-24 на машине трения по двум схемам: «палец по диску» и «шарик по диску».
Массовый износ определялся взвешиванием образцов до и после испытаний на аналитических весах с погрешностью ±0,0001 г.
Коррозионные свойства обработанных поверхностей оценивались при помощи потенциодинамических поляризационных тестов с использованием BioLogic SP-150 потенциостат / гальваностата .
Фазовый состав
В процессе PEN в водном электролите происходит окисление поверхности анода и образование оксидного слоя. По данным рентгеновского анализа на поверхности титанового сплава образуется рутил при всех температурах обработки.
Поперечная морфология и микротвердость образцов
В результате азотирования титанового сплава и его высокотемпературного окисления при 650–700 градусах поверхностный слой образца обогащается оксидом титана и азотом, образующим твердый раствор (Рис. 2). При температурах 750 и 800 градусов в результате азотирования и закалки в электролите в поверхностном слое структура поверхностного слоя изменяется, что соответствует неполному мартенситному превращению.
Морфология поверхности и шероховатость
Морфология поверхности азотированных образцов определяется влиянием процессов окисления, которое приводит к образованию оксидного слоя, и анодного растворения, которое способствует снижению шероховатости поверхности. При температурах 650 и 700 °С поверхность не отличается от необработанной (Рис. 4 а and b), что является следствием как ее незначительного окисления, так и анодного растворения.
Износ
Результаты трибологических испытаний показали снижение коэффициента трения после обработки при всех температурах независимо от методики испытаний. Увеличение скорости скольжения и нагрузки приводит к снижению коэффициента трения, но влияние температуры азотирования на полученные результаты выражено слабо. Минимальные значения коэффициента трения 0.12–0.14 достигаются при более низких температурах азотирования. Гораздо меньше уменьшается коэффициент трения при более низких значениях нагрузки и скорости скольжения. Здесь лучшие результаты (0.31–0.32) наблюдаются при более высоких температурах азотирования.
Устойчивость к коррозии
Результаты коррозионных испытаний в растворе Рингера показали смещение потенциала коррозии обработанных образцов в более положительную область, что указывает на некоторую тенденцию к повышению коррозионной стойкости. Сдвиг потенциала приблизительно соответствует повышению температуры азотирования, что свидетельствует о положительном влиянии оксидного слоя на стойкость к коррозии.
2. P.N. Belkin, S.A. Kusmanov, V.S. Belkin. Increase in Corrosion Resistance of Commercial Pure Titanium by Anode Plasma Electrolytic Nitriding // Materials Science Forum. 844 (2016) 125–132.
3.Белкин, П. Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов [Текст] / П. Н. Белкин. – М.: Мир, 2005. – 336 с.
4.S.A. Kusmanov, A.A. Smirnov, Yu.V. Kusmanova, P.N. Belkin. Anode plasma electrolytic nitrohardening of medium carbon steel // Surf. Coat. Technol. 269 (2015) 308–313.
5. P.N. Belkin, Anode electrochemical thermal modification of metals and alloys,Surf. Eng. Appl. Electrochem. 46(6) (2010) 558–569.