Вплив азотування під час комбінованої обробки на зносотривкість титанового сплаву ВТ22 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 80 Погрелюк І.М., Лаврись С.М. Фізико - механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, Україна E-mail: pohrelyuk@ipm.lviv.ua ВПЛИВ АЗОТУВАННЯ ПІД ЧАС КОМБІНОВАНОЇ ОБРОБКИ НА ЗНОСОТРИВКІСТЬ ТИТАНОВОГО СПЛАВУ ВТ22 УДК 669.295:621.785 Досліджено зносотривкість титанового сплаву ВТ22 після комбінованої обробки. Комбінована обробка включала попередню холодну поверхневу пластичну деформацію (ХППД) та наступне термодифузійне азотування (ТДА), суміщене зі штатною термічною обробкою сплаву. Встановлено, що насичення азотом за температури 750 °С впродовж 3 год на другому ступені штатної термічної обробки сплаву призводить до зменшення твердості та підви- щення якості поверхневого зміцненого шару, що забезпечує вищі триботехнічні характеристики в парі з бронзою БрАЖН 10-4-4 порівняно з насиченням за 820 °С, 1 год + 750 °С, 3 год на першому та другому ступенях штатної те- рмічної обробки. Ключові слова: титановий сплав ВТ22, поверхнева пластична деформація, азотування, поверхневе зміц- нення, зношування, коефіцієнт тертя. Вступ Титан та його сплави з кожним роком розширюють область свого застосування як у машинобу- дуванні, так і в авіаційній промисловості, що пояснюється відмінним поєднанням його властивостей, та- ких як: висока питома міцність, корозійна тривкість та низький поріг холодноламкості. Титанові сплави мають і ряд недоліків: висока вартість, низька поверхнева твердість і зносотривкість. Останні два факто- ри обмежують застосування титанових сплавів для роботи в умовах контактних навантажень і тертя. Ан- тифрикційні властивості титанових сплавів можна підвищити за рахунок поверхневого зміцнення дета- лей шляхом удосконалення відомих та розроблення нових зміцнюючих технологій [1 - 4]. У цьому аспе- кті великого значення набуває розробка комбінованих методів, які б, зберігаючи переваги відомих мето- дів зміцнюючої обробки, одночасно усували їх недоліки. Одна із перспективних технологій комбінованої зміцнюючої обробки є поєднання попереднього холодного поверхневого пластичного деформування (ХППД) з наступним термодифузійним насиченням поверхні азотом (ТДА) [5, 6]. Проте за високих тем- ператур азотування (> 950 °С) та тривалих (> 30 год) витримок спостерігається ріст зерна β-фази, що призводить до погіршення механічних властивостей титанового сплаву. Мета і постановка задачі Мета даної роботи - розробити режим азотування під час комбінованої обробки, яка окрім тер- модифузійного насичення азотом включає попередню холодну пластичну деформацію, для забезпечення високих триботехнічних характеристик поверхні двофазного титанового сплаву ВТ22. Результати та їх обговорення Оскільки титанові сплави мають підвищену схильність до схоплювання з більшістю інструмен- тальних матеріалів під час ХППД, то був вибраний метод обкочування алмазною кулькою, через більш низький ступінь тертя ковзання і, як наслідок, меншу ймовірність утворення дефектів. Режими деформа- ційного зміцнення наступні: навантаження 200 Н у 7 проходів зі швидкістю 200 об/хв, діаметр кулі 5 мм2 [7]. Позитивний вплив попереднього ХППД підтверджується якістю поверхні титанового сплаву ВТ22. Квалітет чистоти поверхні після обкочування збільшується в порівнянні з вихідним на 7 класів. При цьому рівень поверхневого зміцнення підвищується і встановлюється на рівні 4,8 ГПа (табл. 1). Оче- видно, що під час обкочування відбувається пластична деформація поверхневих шарів, яка збільшує гус- тину дислокацій, за рахунок чого твердість поверхневого шару зростає. Таблиця 1 Параметр шорсткості та мікротвердість поверхні сплаву ВТ22 після комбінованої обробки Ra, мкм H0,49, ГПа Режим ТДА вихідна ХППД ХППД + ТДА вихідна ХППД ХППД + ТДА Режим 1 0,19 0,39 4,8 7,1 Режим 2 4,00 0,19 0,25 3,2 4,8 6,1 mailto:pohrelyuk@ipm.lviv.ua Вплив азотування під час комбінованої обробки на зносотривкість титанового сплаву ВТ22 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 81 Для збереження об’ємного зміцнення, яке задає термічна обробка, і формування поверхневого зміцнення термодифузійним насиченням поверхневих шарів азотом, попередньо обкочений сплав ВТ22 обробляли за режимами I і II (рис. 1), суміщаючи термічну і хіміко - термічну обробки в одному техноло- гічному циклі [8 - 10]. Режим I передбачав насичення азотом на першому і другому ступені термічної об- робки (рис. 1, а), режим II – лише на другому ступені (рис. 1, б). Азотували на установці, яка дозволяє ві- дтворювати технологічний регламент термічної обробки сплаву та забезпечувати температурно-часовий та газодинамічний режими азотування в одному технологічному циклі. Використовували газоподібний азот технічної чистоти (ГОСТ 9293-74), який перед подачею в реакційний простір печі висушували та звільняли від кисню, пропускаючи через капсулу з силікагелем і нагріту на ~50 °С вище температури на- сичення титанову стружку. а б Рис. 1 – Схема термодифузійного насичення азотом титанового сплаву ВТ22: а – режим I; б – режим II Після наступної ХТО, яка поєднує штатну термічну обробку і азотування (рис. 1, режими I і II), поверхня зразків сплаву ВТ22 гладка, блискуча, світло-золотиста. Насичення азотом на першому та дру- гому ступені термічної обробки (режим I) чи лише на другому ступені (режим II) не впливає на фазовий склад поверхневих шарів сплаву. Незалежно від режиму азотування на поверхні ВТ22 формується плівка нижчого нітриду титану Ti2N, про що свідчать результати рентгенівського фазового аналізу, фіксуючи присутність рефлексів цієї фази у дифрак- ційному спектрі (рис. 2). Зменшення інте- нсивності ліній нітридної фази у поверх- невому дифракційному спектрі свідчить про гальмування нітридоутворення на по- верхні під час переходу від режиму I до режиму II. Про поверхневе зміцнення сплаву після азотування свідчить підвищення по- верхневої мікротвердості зразків (табл. 1). Встановлено, що під час переходу від ре- жиму I до режиму II (перехід за термоди- фузійного насиченні азотом від вищої те- мператури (середня на першому і другому ступені 785 °С) та тривалішої витримки (4 год) до нижчої температури (750 °С) та коротшої витримки (3 год) поверхнева твердість сплаву зменшується від 5,6 до 4,9 ГПа. Проте якість поверхні зразків пі- сля азотування погіршується на клас в по- рівнянні з якістю поверхні після обкочування і відповідає девʹятому квалітету чистоти поверхні згідно ГОСТу 2789-73. Таким чином, суміщене з термічною обробкою сплаву ВТ 22 азотування за режимом I забезпечує вищий рівень приповерхневого зміцнення, ніж азотування за режимом II. Активніше нітридоутворення на поверхні за реалізації режиму I негативніше впливає на якість поверхні порівняно з режимом II. Зносотривкість азотованого сплаву оцінювали за зміною маси під час тертя відповідно до ГОСТ 23.224-86. Випробовували на машині для зношування металів СМЦ-2 за схемою спряження “ диск – колодка ” на базі 1000 м за питомого навантаження 0,6 MПа і швидкості ковзання 0,6 м/с. Як контртіло використовували колодки з деформівної бронзи БрАЖН 10-4-4. Змащували шляхом занурення тіла пари тертя в контейнер з гідрорідиною АМГ-10. Рис. 2 – Дифрактограми, зняті з поверхні зразків титанового сплаву ВТ 22 після азотування за режимом I (а) та режимом II (б) а б Вплив азотування під час комбінованої обробки на зносотривкість титанового сплаву ВТ22 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 82 Після проведених триботехнічних випробувань досліджувані диски практично не змінили своєї маси після тертя (± 0,0002 г), що свідчить про хороші антифрикційні властивості їх поверхні. При цьому контртіло, котре працювало в парі з титановим диском, зміцненим за режимом I, має більшу величину зносу порівняно з контртілом, яке працювало з диском, зміцненим за режимом II (0,0127 г проти 0,0035 г відповідно). Таким чином, зменшення температурно - часових параметрів азотування титанового диску (пе- рехід від режиму I до режиму II) призводить до зменшення інтенсивності зношування контртіл у трибо- парі в 3,5 рази. Це обумовлено тим, що під час азотування на поверхні титанових сплавів формується характерний поверхневий рельєф, який супроводжується збільшенням як висотних, так і крокових пара- метрів шорсткості поверхні. За фрикційної взаємодії трибопари плямами фактичного контактування ви- ступають мікровиступи нітридів, які схоже до абразиву проорюють більш м’яку поверхню контртіла, за- лишаючи борозни, що підтверджує мікроструктура поверхонь тертя бронзових колодок (рис. 3). В обох досліджуваних трибопарах під час тертя переважає абразивний механізм зношування з формуванням ха- рактерного для нього борознистого рельєфу поверхонь тертя. При цьому поверхня контртіла, котра пра- цювала з диском, азотованим за режимом II, має меншу кількість борозен, ніж та, котра працювала з дис- ком, азотованим за режимом I, де і самі борозни глибші, і їхня глибина більша, і на клас нижчий квалітет чистоти поверхні тертя (рис. 3). а б Рис. 3 – Мікроструктура поверхонь тертя контртіл, котрі працювали у парі з сплавом ВТ22 після азотування за режимами I (а) та режимом II (б) Якість поверхні зміцнених титанових дисків та контртіл після фрикційної взаємодії покращуєть- ся порівняно з вихідним. Проте квалітет чистоти дисків вищий, ніж квалітет поверхонь тертя відповідних бронзових колодок. Слід зазначити, що якість поверхні бронзової колодки після тертя котра працювала з диском, попередньо зміцненим за режимом I, має на клас вищий параметр шорсткості Ra, ніж контртіло, котре працювало з диском, зміцненим за режимом II. Це пояснюється тим, що зі збільшенням температу- рно-часових параметрів азотування посилюється поверхневий рельєф та збільшується твердість нітрид- ного шару, а отже, збільшується і кількість плям фактичного контактування, і зростає їх абразивний ефект у даних трибопарах (рис. 4). а б Рис. 4 – Зміна параметра шорсткості Ra трибоспряжень до (а) та після (б) тертя: I і II – режими ХТО; d і k – диск і колодка, відповідно В процесі триботехнічних випробувань фіксували кінетику зміни коефіцієнта тертя та темпера- тури в околі зони тертя. Найнижчим коефіцієнтом тертя характеризується трибопара, диск якої азотували за режимом II. При збільшенні температурно-часових параметрів азотування (режим I) коефіцієнт тертя у трибопарі зростає на порядок (рис. 5). Вплив азотування під час комбінованої обробки на зносотривкість титанового сплаву ВТ22 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 83 Рис. 5 – Кінетика зміни коефіцієнта тертя трибопари титановий сплав ВТ 22 - бронза БрАЖН 10-4-4: 1 – азотування за режимом I; 2 – за режимом II Максимальне підвищення температури в околі зони тертя відбувається в період припрацювання трибоспряжень та не перевищує 35 °С. На ділянці стабільного зношування ця температура встановлю- ється на рівні 29 °С та 21 °С відповідно до комбінованої обробки, де азотування деформаційно зміцнених поверхонь сплаву ВТ22 проводили за режимом I та режимом II. Висновки Азотування деформаційно зміцненого титанового сплаву ВТ22, суміщене зі штатною термічною обробкою, забезпечує підвищення твердості поверхневого шару матеріалу та погіршення якості обробле- ної поверхні. Під час тертя за питомого навантаження 0,6 МПа у парі з БрАЖН 10-4-4 у гідрорідині АМГ-10, насичення азотом на другому ступені штатної термічної обробки сплаву ВТ22 (режим II) в 3,5 рази зме- ншує інтенсивність зношування порівняно з насиченням азотом на першому ступені (режим I), забезпе- чуючи на етапі стабільного зношування нижчі коефіцієнти тертя (0,03 проти 0,94) та температуру в зоні тертя (21 °С проти 29 °С). Література 1. Духота О.І. Проблемні питання використання титанових сплавів у вузлах тертя авіаційної тех- ніки / О.І. Духота, М.В. Кіндрачук, В.Ф. Лабунець // Проблеми тертя та зношування: наук.-техн. зб. – К.: НАУ, 2008. – Вип.49. – С. 14-26. 2. Механіка руйнування і міцності матеріалів: Довідн. Посібник / Під заг. ред. В.В. Панасюка. Т. 9: Міцність і довговічність авіаційних матеріалів та елементів конструкцій / О.П. Осташ, В.М. Федір- ко, В.М. Учанін, С.А. Бичков, О.Г. Моляр, О.І. Семенець, В.С. Кравець, В.Я. Дереча. Під. ред. О.П. Ос- таша, В.М. Федірка. – Львів: Вид-во “Сполом”, 2007. – 1068 с. 3. Горынин И.В., Чечулин Б.Б. Титан в машиностроении. – М.: Машиностроение, 1990. – 400 с. 4. Ванжула Т.В., Замков В.Н., Прилуцький В.П. Повышение износостойкости деталей их титано- вых сплавов. Обзор // Автоматическая сварка. – 2003. – № 8. – С. 31 - 35. 5. Посвятенко Е.К. Холодне пластичне деформування як метод прискорення азотування / Е. К. Посвятенко, В. В. Алєксєєв // Управління проектами, системний аналіз і логістика. Технічна серія. – 2012. – Вип. 9. – С. 157-161. 6. Хорев А.И., Хорев М.А. Титановые сплавы: применение и перспективы развития // Титан. – 2005. – №1. – С. 40 - 53. 7. Шейкін С.Є., Єфросинін Д.В., Ростоцький І.Ю. Зміна стану поверхневого шару під час накату- вання сплавів ВТ1-0 і ВТ22 інструментом з алмазного композиційного термостійкого матеріалу // Физика и техника высоких давлений. – Том 21, № 1. – К.: ІНМ НАН України. – 2011. – С. 134-139 8. Остапчук В.В., Семишов Н.И. Влияние режимов упрочняющей термической обработки на структуру и свойства титанового сплава ВТ22 // Питання проектування та виробництва конструкцій літальних апаратів. Зб. наук. праць. – 2010. – №2. – С. 38 - 43. 9. Chemico-thermal treatment of titanium alloys – Nitriding / I. Pohrelyuk, V, Fedirko // Titanium Al- loys – Towards Achieving Enhanced Properties for Diversified Applications (Chapter 7), Book edited by Prof. Dr. Akm Nurul Amin. – InTech, 2012. – P. 141-174. 10. Пат. 9692 України. Спосіб обробки титанового сплаву. / В.М. Федірко, І.М. Погрелюк, В.А. Трофімов, О.Г. Моляр, Т.М. Кравчишин. – №u200502148; Заявл. 09.03.2005; Опубл. 17.10.2005, Бюл. №10. Поступила в редакцію 14.03.2016 Вплив азотування під час комбінованої обробки на зносотривкість титанового сплаву ВТ22 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 84 I.M. Pohrelyuk, S.M. Lavrys. The influence nitriding during the combined treatment on the wear resistance of titanium alloy VT22. It was investigated wear resistance of titanium alloy VT22 after combined treatment. The method of combination treatment consisted in previous cold surface plastic deformation (CSPD) and next thermodiffusion nitrogen saturation (TDN) surface, combined with the standard thermal treatment of the alloy. Established that saturation with nitrogen at a temperature 750 °C for 3 h in the second stage standard thermal treatment of alloy causes to a reduction in hardness and improving the quality surface strengthened layer that provides higher tribotechnical characteristics paired with a bronze BrAZhN 10-4-4 compared to saturation for 820 °C 1 h + 750 °C 3 h on the first and second stages of standard thermal treatment of alloy. Dur- ing friction, nitrogen saturation in the second degree of the standard heat treatment alloy VT22 (regime II) in 2 times the in- tensity reduces wear compared to nitrogen saturation of first degree (regime I). Keywords: titanium alloy VT 22, surface plastic deformation, nitriding, surface hardening, wear, friction, coefficient of friction. References 1. Duhota O.I. Problemni pytannja vykorystannja tytanovyh splaviv u vuzlah tertja aviacijnoi' tehniky. O.I. Duhota, M.V. Kindrachuk, V.F. Labunec'. Problemy tertja ta znoshuvannja: nauk.-tehn. zb. K.: NAU, 2008. Vyp.49. s. 14–26. 2. Mehanika rujnuvannja i micnosti materialiv: Dovidn. Posibnyk. Pid zag. red. V.V. Panasjuka. T. 9: Micnist' i dovgovichnist' aviacijnyh materialiv ta elementiv konstrukcij. O.P. Ostash, V.M. Fedirko, V.M. Uchanin, S.A. Bychkov, O.G. Moljar, O.I. Semenec', V.S. Kravec', V.Ja. Derecha. Pid. red. O.P. Ostasha, V.M. Fedirka. L'viv: Vyd-vo “Spolom”, 2007. 1068 s. 3. Gorynin I.V., Chechulin B.B. Titan v mashinostroenii. M.: Mashinostroenie, 1990. 400 s. 4. Vanzhula T.V., Zamkov V.N., Priluc'kij V.P. Povyshenie iznosostojkosti detalej ih titanovyh splavov. Obzor. Avtomaticheskaja svarka. 2003. №8. S. 31 – 35. 5. Posvjatenko E.K. Holodne plastychne deformuvannja jak metod pryskorennja azotuvannja. E. K. Posvjatenko, V. V. Aljeksjejev. Upravlinnja proektamy, systemnyj analiz i logistyka. Tehnichna serija. 2012. Vyp. 9. S. 157-161. 6. Horev A.I., Horev M.A. Titanovye splavy: primenenie i perspektivy razvitija. Titan. 2005. №1. S. 40 – 53. 7. Shejkin S.Je., Jefrosynin D.V., Rostoc'kyj I.Ju. Zmina stanu poverhnevogo sharu pid chas nakatuvan- nja splaviv VT1-0 i VT22 instrumentom z almaznogo kompozycijnogo termostijkogo materialu. Fyzyka y tehnyka vыsokyh davlenyj. Tom 21, № 1. Kyi'v: INM NAN Ukrai'ny. 2011. S. 134 –139. 8. Ostapchuk V.V., Semishov N.I. Vlijanie rezhimov uprochnjajushhej termicheskoj obrabotki na struk- turu i svojstva titanovogo splava VT22. Pitannja proektuvannja ta virobnictva konstrukcіj lіtal'nih aparatіv. Zb. nauk. prac'. 2010. №2. S. 38 – 43. 9. Chemico-thermal treatment of titanium alloys – Nitriding. I. Pohrelyuk, V, Fedirko. Titanium Alloys – Towards Achieving Enhanced Properties for Diversified Applications (Chapter 7), Book edited by Prof. Dr. Akm Nurul Amin. InTech, 2012. P. 141-174. 10. Pat. 9692 Ukrai'ny. Sposib obrobky tytanovogo splavu. V.M. Fedirko, I.M. Pogreljuk, V.A. Trofi- mov, O.G. Moljar, T.M. Kravchyshyn. №u200502148; Zajavl. 09.03.2005; Opubl. 17.10.2005, Bjul. №10.