Регистрация / Вход
Прислать материал

Анодное электролитно-плазменное азотирование титанового сплава

Сведения об участнике
ФИО
Мамченкова Светлана Игоревна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Костромской государственный технологический университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Химия и химические технологии
Раздел области наук
Физическая химия. Электрохимия. Физические методы исследования химических соединений
Тема
Анодное электролитно-плазменное азотирование титанового сплава
Резюме
В данном проекте изучено изменение поверхностных слоев титанового сплава и его свойств после электролитно-плазменного азотирования в растворе электролита, состоящего из хлорида аммония и аммиака при температурах обработки от 650 до 900 градусов Цельсия и времени обработки 5 мин. Выявлена зависимость микротвердости, шероховатости поверхностного слоя, трибологических свойств, интенсивность изнашивания и коррозионная стойкость титанового сплава в зависимости от температуры обработки после электролитно-плазменного азотирования.
Ключевые слова
электрохимия, электролитно-плазменное азотирование, модификация, титановый сплав.
Цели и задачи
Целью работы является исследование влияния режимов обработки на свойства титановых сплавов после электролитно-плазменного азотирования (PEN) на его физические свойства.
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.
Введение

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.

Методы и материалы

 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 . 

Описание и обсуждение результатов

 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.

 

Используемые источники
1. S.A. Kusmanov, I.G. Dyakov, P.N. Belkin, L.A. Gracheva, and V.S. Belkin, Plasma Electrolytic Modification of the VT1–0 Titanium Alloy Surface, J. Surf. Inv. X-ray Synchr. Neutr. Tech.9(1) (2015) 98–104.
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.

Information about the project
Surname Name
Mamchenkova Svetlana Igorevna
Project title
The anode electrolytic-plasma nitriding of titanium alloy
Summary of the project
In this work we study a surface modification of titanium alloy and its physical properties after electrolytic-plasma nitriding in solution of ammonia and ammonium chloride at temperature from 650 to 900 Celsius and time treatment 5 min. The paper presents dependence of micro-hardness and roughness of the surface layer; tribological properties, wear rate and corrosion resistance of titanium alloy, depending on the treatment temperature after the electrolytic-plasma nitriding.
Keywords
Electrochemistry, electrolytic-plasma nitriding, modification, titanium alloy.