Повышение износостойкости поверхности двухфазных титановых сплавов азотированием в тлеющем разряде с полым катодом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Золотов, Илья Владимирович

• Золотов, Илья Владимирович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Золотов, Илья Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Анализ методов повышения износостойкости титановых сплавов на основе поверхностного структурно-фазового модифицирования

1.1 Анализ методов повышения износостойкости поверхности титановых сплавов9

1.2 Механизм взаимодействия титана и азота

1.3 Газовое азотирование титана и титановых сплавов

1.4 Особенности ионного азотирования титана и титановых сплавов

2. Объект, методы и методики исследований

2.1 Объект исследований, область применения исследуемых материалов

2.2 Описание модернизированной установки ЭЛУ-5 для ионного азотирования в тлеющем разряде

2.3 Методика измерения микротвердости

2.4 Методика металлографического исследования азотированного слоя

2.5 Методика фрактографического исследования

2.6 Метод рентгеноструктурного анализа

2.7 Методика рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

2.8 Методика определения износостойкости обработанных образцов

2.9 Метод склерометрии

2.10 Метод зондовых измерений

3. Исследование параметров плазмы при ионном азотировании титановых сплавов в ТРПК

3.1 Обзор предложенных моделей с полым катодом

3.2 Компьютерное моделирование плазмы ТРПК

3.3 Результаты моделирования

3.4 Результаты зондовых измерений

4. Результаты исследований структурно-фазового состава и механических свойств поверхности титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 после ионного азотирования с в ТРПК

4.1 Влияние состава рабочего газа на микротвердость поверхности и толщину упрочненного слоя титанового сплава ВТ3-1 после ионного азотирования в ТРПК65

4.2 Исследование влияния азотирования в ТРПК на структуру и микротвердость поверхностного слоя сплавов ВТ6 и ВТ3-1

4.3 Исследование морфологии поверхности изломов образцов из титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1

4.4 Исследование влияния азотирования в ТРПК на фазовый состав поверхности титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1

4.5 Исследование влияния азотирования в ТРПК на износостойкость титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1

4.6 Исследование свойств поверхности образцов из титановых сплавов ВТ6 и

ВТ3-1, азотированных в ТРПК, методом склерометрии

5. Разработка технологии модификации поверхности деталей из титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1 в ТРПК

5.1 Выбор технологических режимов азотирования в ТРПК

5.2 Технология азотирования в ТРПК детали «рычаг скважинного профилометра»95

Основные выводы и результаты

Список литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение износостойкости поверхности двухфазных титановых сплавов азотированием в тлеющем разряде с полым катодом»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время титановые сплавы имеют широкое применение во многих областях машиностроения, таких как авиационная и космическая промышленность, автомобилестроение. Важное место титановых сплавов среди конструкционных материалов обусловлено уникальным сочетанием их физико -механических и технологических свойств: относительно низкая плотность, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, жаропрочность. Однако их применение лимитировано рядом недостатков, связанных со свойствами поверхности титана и его сплавов. Низкая твердость и, как следствие, износостойкость поверхности, склонность к налипанию, большие коэффициенты трения в паре с подавляющим количеством материалов ограничивают применение титановых сплавов для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного трения и износа поверхности.

Анализ современной литературы показал, что легированием и термической обработкой не удается существенно повысить антифрикционные свойства титановых сплавов. Были предприняты попытки устранить этот недостаток с помощью химико-термической обработки. Наибольшие успехи были достигнуты при азотировании, и этот процесс, хотя и ограниченно, но применяется в промышленном масштабе.

Существенным недостатком процесса газового азотирования титановых сплавов является большая длительность обработки - до нескольких десятков часов, поэтому наиболее перспективным методом является ионное азотирование, которое позволяет наряду с большой скоростью насыщения получать целенаправленно контролируемую структуру поверхностного слоя при сохранении механических свойств основы материала с учетом условий эксплуатации изделий.

Известно, что при ионном азотировании титановых сплавов, как и при других методах азотирования, на их поверхности формируется нитридная пленка, отрицательно влияющая на эффективность процесса, так как скорость диффузии азота в нитриде титана во много раз меньше, чем в а и Р-фазах.

Поэтому нахождение эффективного способа удаления нитридной пленки в течение процесса позволит получить расширенные технологические возможности, которые позволят более полно контролировать распределение свойств в поверхностных слоях титановых сплавов за счет управления параметрами технологического процесса.

В данной работе предложено использовать тлеющий разряд с полым катодом (ТРПК) для создания плазмы азота и аргона повышенной плотности, позволяющей производить эффективное ионное травление нитридной пленки, формирующейся на поверхности обрабатываемого титанового сплава, что в свою очередь ведет к интенсификации процесса ионного азотирования.

Цель работы: установление взаимосвязи структуры, фазового состава и механических свойств с износостойкостью поверхности двухфазных титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 при ионном азотировании в ТРПК.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать особенности ТРПК вблизи обрабатываемой поверхности при ионном азотировании.

2. Исследовать влияние ионного азотирования в ТРПК на структуру и фазовый состав поверхностного слоя двухфазных титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1.

3. Исследовать влияние ионного азотирования в ТРПК на микротвердость поверхностного слоя двухфазных титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1.

4. Исследовать влияние ионного азотирования в тлеющем разряде полым катодом на износостойкость двухфазных титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1.

5. Разработать способы и технологический процесс ионного азотирования деталей из титановых сплавов в ТРПК.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ азотирования титановых сплавов в вакууме, отличающийся тем, что азотирование проводят в вакуумной камере в газовой смеси 20% азота и 80% аргона при температуре 750-800°С путем вакуумного нагрева в плазме повышенной плотности ТРПК, причем плазму повышенной плотности

формируют между деталью и экраном, выполненным с отверстиями и изготовленным из титанового сплава.

2. Результаты исследования параметров плазмы ТРПК, образованным с помощью сетчатого экрана: распределения концентрации и средней энергии заряженных частиц, скорости ионизационных процессов, потенциала плазмы, полученные в результате компьютерного моделирования и зондовых измерений.

3. Совокупность экспериментальных данных о влиянии азотирования в ТРПК на структуру и фазовый состав поверхностного слоя титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1.

4. Зависимости изменения микротвердости и износа поверхностного слоя образцов из титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1, прошедших традиционное ионное азотирование и азотирование в ТРПК.

Научная новизна

1. Разработан и исследован способ ионного азотирования титановых сплавов в ТРПК, отличающийся тем, что азотирование проводят в вакуумной камере в газовой смеси 20% азота и 80% аргона при температуре 800°С путем вакуумного нагрева в плазме ТРПК, причем плазму повышенной плотности с максимумом концентрации ионов 3,5*1016 м-3 формируют в катодной полости, образованной поверхностями детали и технологического экрана с геометрической прозрачностью ~40%, изготовленного из титанового сплава.

2. Установлено, что азотирование в плазме тлеющего разряда с полым катодом приводит к образованию на поверхности титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 нитридов титана различного стехиометрического состава и к увеличению количества а-фазы. Светлый диффузионный слой образован а- и Р-фазами, насыщенными азотом, что обеспечивает повышение микротвердости поверхности до 1100 ИУ01 для сплава ВТ6 и до 970 ИУ01 для сплава ВТ3-1.

3. Установлено, что азотирование в ТРПК титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1 при температуре 800°С в течение 8 ч ведет к увеличению поверхностной микротвердости в 1,1-1,2 раза и образованию модифицированного слоя в 1,6-1,8 раза больше по сравнению с традиционным ионным азотированием за счет

повышения градиента концентрации насыщающего элемента вблизи обрабатываемой поверхности и интенсивного распыления нитридной пленки.

4. Установлено, что азотирование титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1 в ТРПК в течение 8 часов в газовой смеси 20% азота и 80% аргона при температуре 800°C позволяет повысить износостойкость в 1,2-1,4 раза по сравнению с традиционным ионным азотированием и в 8-9 раз по сравнению с исходным состоянием за счет формирования твердого модифицированного слоя.

Методы и объекты исследования

В работе использовались методы оптической металлографии (фотомикроскоп Zeiss Axiotech 25HD), измерения микротвердости (микротвердомер Struers Duramm-1), рентгеноструктурного анализа (дифрактомер ДРОН-4), склерометрии («CSM Instruments Scratch tester») контроля температуры (оптический пирометр «Термикс»), зондовых измерений параметров плазмы (одиночный цилиндрический зонд Ленгмюра), компьютерного моделирования (программный пакет «COMSOL Multiphysics»), растровой электронной микроскопии поверхности изломов, рентгеновского фотоэлектронного спектрального анализа (рентгеновский фотоэлектронный спектрометр Jeol JPS-9010MX).

Для экспериментов использовались образцы из титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1.

Практическая ценность работы

Распределение концентрации ионов и других параметров плазмы в катодной полости, кинетика роста упрочненного слоя на поверхности титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1 могут применяться при назначении режимов ионного азотирования в ТРПК.

Разработанные способы модификации поверхности титановых сплавов в ТРПК позволяют значительно интенсифицировать процесс роста упрочненного слоя при обработке, а также значительно сократить себестоимость обработки вследствие уменьшения расхода насыщающих газов, и энергозатрат.

Разработанный в рамках диссертационной работы технологический процесс ионного азотирования детали «рычаг скважинного профилемера» в ТРПК внедрен на предприятии ООО «НПО Геопром».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на региональных научно-технических конференциях (Уфа, 20122015); «Вакуумная наука и техника» (Сочи, 2014); всероссийской конференции с международным участием «Физика низкотемпературной плазмы» (Казань, 2014); международном конгрессе «Energy Fluxes and Radiation Effects» (Томск, 2014); международной конференции «Gas Discharge Plasmas and Their Applications» (Томск, 2015); международной конференции «Material and Manufacturing Technology» (Бали, 2015); международном научно-техническом семинаре "Моделирование производственных технологий" (Уфа, 2015); международной научно-технической школе-семинаре «Материаловедение и металлофизика легких сплавов» (Екатеринбург, 2015).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 научных статей, из них 4 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, а также 3 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений, изложена на 115 страницах, содержит 59 рисунков, 3 таблиц и списка литературы из 101 наименований.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ

1.1 Анализ методов повышения износостойкости поверхности титановых

сплавов

Титан и его сплавы отличаются относительно низкой износостойкостью и поверхностной твердостью, что затрудняет их применение для деталей, работающих в условиях фрикционного износа. Титан и его сплавы обладают высокой склонностью к контактному схватыванию при трении. Это свойство создает большие трудности при их обработке резанием и делает опасным их применение в трущихся узлах механизмов и машин, так как может произойти заклинивание деталей узла трения [48, 94, 95, 98].

Относительно тонкая естественная оксидная пленка на титане и его сплавах легко разрушается при трении за счет высоких удельных нагрузок в точке контакта, из-за значительно более высокой пластичности материала основы, нежели оксидной пленки, что приводит к схватыванию поверхностей деталей в узле трения [98]. Так же этому способствует ряд других свойств титана: повышенная упругая деформация из-за низкого (по сравнению со сталью) модуля упругости, более низкая теплопроводность и т.д. Разрушения материала, происходящие в результате фрикционного износа титана и его сплавов, носят глубинный характер со значительным наволакиваением и вырывами металла.

При этом легирование различными а- и Р-стабилизаторами, термообратока а + в- и в-сплавов мало влияют на сопротивление титановых сплавов фрикционному износу [95, 98].

Поэтому в настоящее время предпринимаются попытки устранить этот недостаток с помощью применения различных методов поверхностного упрочнения [6, 26, 71, 72, 73, 77], в основном с помощью методов поверхностного диффузионного насыщения: оксидирование [77, 98], цементация [29],

борирование, печное [1 ,6, 59, 60, 63] и ионное [5, 16, 20, 22, 23, 64, 76, 91] азотирование.

Также предпринимаются попытки повышения износостойкости титановых сплавов путем нанесения на их поверхность покрытий различными способами -плазменным, детонационным, ионно-плазменным, лазерной порошковой наплавкой и др. Но данные методы поверхностного упрочнения существенно уступают диффузионным из-за невысокой адгезии покрытий, существенного влияния на геометрические размеры детали, поэтому предпочтение отдается поверхностному упрочнению диффузионными методами.

Большими недостатками оксидирования, цементации и печного азотирования является большое время выдержки и малая толщина получаемых упрочненных слоев и высокая рабочая температура процессов. К примеру, оксидирование проводят при температуре в интервале от 700°С до температуры, близкой к точке а ^ в превращения. Выбор указанного интервала температур обоснован тем, что при более низких рабочих температурах толщина оксидированного слоя очень незначительна (< 1 мкм) и мало зависит от времени выдержки [98]. При более высоких же рабочих температурах происходит сильное изменение структуры основного материала и значительное падение его механических свойств [48, 98].

Лазерные методы поверхностной обработки [71, 72, 73, 75], такие как поверхностная лазерная модификация или лазерная порошковая наплавка, также обладают рядом недостатков. Недостаточная изученность вопроса о механизмах упрочнения титана при высоких скоростях нагрева и охлаждения приводит к малой распространенности применения данного метода для титана и титановых сплавов. Покрытия, получаемые лазерной порошковой наплавкой, обладают высокой пористостью, и, как было упомянуто ранее, приводят к изменению геометрических размеров детали, что вынуждает проводить последующую механическую обработку.

В связи с выше изложенным, большой интерес в наши дни уделяется технологии азотирования [1]. Однако использование данной технологии

применительно к титану и его сплавам связано с рядом вопросов. Рассмотрим их более подробно.

1.2 Механизм взаимодействия титана и азота

Диаграмма состояния системы титан - азот представлена на рисунке 1.1. Данная диаграмма позволяет определить фазовый состав в зависимости от концентрации азота и температуры.

АтЛЫ

^С 8 5 Ю 15 20 ?5 30 35 Ш) 45 _§0.

Ш 1725

т

' Т 1 Жидкость • \-г ■ ¡____ <

а+жис \ КА- г (Г ТШ

/

и/

/З/аю я О г$

- ]

у 'IV ы

О 4 8 1? 16 го гн

Л Вес. ХЫ

Рисунок 1.1. Диаграмма состояния системы титан - азот [19, 70]

Кристаллические решетки фаз, образующихся при взаимодействии титана с азотом, приведены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2. Кристаллические решетки а-Т (а), Р-Т1 (б) и нитридных фаз 5 (в), £ (г), £2 (д) и £3 (е): а—а = 0,2951 нм, с = 0,4648 нм; б — а = Ь = 0,3282 нм; в — а = Ь = с = 0,4215 нм; г — а = Ь = 0,414 нм, с = 0,8805 нм; д — а = Ь = 0,4945 нм, с =

0,3034 нм; е — а = Ь - 0,492 нм, с = 0,516 нм

Возможно формирование следующих фаз: а-фаза - твердый раствор азота в а -Т с ГПУ решеткой; Р-фаза - твердый раствор азота в р -Т с ОЦК решеткой; 5-фаза - мононитрид Т1К с ГЦК решеткой;

£-фаза - промежуточный нитрид Т12-3К, представленный в виде трех модификаций (£1, £2, £з).

Модификации промежуточного нитрида можно представить как сверхструктуры упорядоченного твердого раствора, для которых существуют определенные условия превращения одной в другую в соответствии с законом структурного и размерного соответствия [20]. Известно семь сверхструктур упорядоченного твердого раствора внедрения типа Мв„Хп с различным атомно-кристаллическим строением. Согласно Гольдшмидту [40], стехиометрия нитридов металлов IV и V групп изменяется в пределах области гомогенности этих фаз. Следовательно, образование различных модификаций £-фазы, отличающихся пространственным расположением атомов титана и азота, вполне вероятно.

Азот значительно повышает температуру полиморфного превращения а +Р -титан, расширяя тем самым область существования а -фазы [70].

Азот, аналогично кислороду, хорошо растворяется в а-титане. Растворимость азота максимальна при перитектоидной температуре 1050°С (7,4%) и резко падает при температурах ниже перитектоидной (рисунок 1.1) [70].

Растворимость азота в а-фазе значительно меньше и при перитектической температуре 2020°С составляет всего 1,9% [70].

В разработанном участке диаграммы состояния существуют два химических соединения: £ и 5 (Т1К). £-фаза образуется в результате перитектоидной реакции а+Р=5, при содержании 6,8-8.8% (26 атомн. %) азота и температуре 1000—1100°С [70].

1-я перитектическая реакция: ж+а=Р, протекает при температуре 2020±25° С между расплавом, содержащим 1,2% (4 атомн. %) азота, и а-фазой (4,1% или 12,5 атомн. % азота) с образованием р-фазы, содержащей 1,9% (6,5 атомн. %) азота.

2-я перитектическая реакция: ж+5=а происходит при температуре 2350 ±25°С между расплавом, содержащим 5,1% 15,5 атомн. %) азота, и 5-фазой (9,5% или 27 атомн. % азота) с образованием а-фазы (7,1% или 20,5 атомн. % азота).

Нитрид титана ТК содержит 22,6% азота и имеет, как и карбид титана, высокую температуру плавления 2950±50°С. Область гомогенности нитрида титана распространяется от 10 до 24% (27—50 атомн. %). Нитрид титана обладает высокой твердостью (8—9 ед. по шкале Мосса). Микротвердость его равна 2160

2 3

кГ/мм . Плотность для стехиометрического состава — 5,213 г/сж . Нитрид титана характеризуется высокой электропроводностью.

Было установлено [20], что азот очень незначительно влияет на величину параметра а гексагональной фазы а-титана по сравнению с параметром с.

Существующая линейная зависимость между величиной периода решетки с и содержанием азота в пределах до 0,5% позволяет производить количественный анализ содержания азота в титане рентгеновским методом [70].

1.3 Газовое азотирование титана и титановых сплавов

В отличие от сталей, азотирование которых проводят как в газовых, так и в жидких средах, титановые сплавы следует азотировать только в азотосодержащих газах. Большинство первых исследований по азотированию титана по аналогии со сталями проводили в атмосфере аммиака, что весьма нежелательно, так как происходит одновременное насыщение поверхности водородом, а это неизбежно ведет к дополнительному охрупчиванию азотированных изделий [20].

На рисунке 1.3 приведена типичная микроструктура азотированного слоя, полученного на разных сплавах при разной температуре.

На поверхности титана и его сплавов в результате изотермической выдержки в атмосфере азота при температурах выше 800 °С образуется плотная, хорошо сцепленная с матрицей нитридная пленка, что придает азотируемому материалу золотистый цвет. Данная пленка представляет собой нетравящийся хрупкий нитридный слой толщиной в несколько микрон, как показал рентгеноструктурный анализ, состоящий преимущественно из мононитрида ТК с ГЦК решеткой. Микротвердость этой корочки составляет обычно Иц 1200 - 1600, а толщина ее колеблется в пределах 4-20 мкм [85].

а) б)

Рисунок 1.3. Микроструктура титана, азотированного в течение 16 ч при 950°С (а), и литого сплава, азотированного в течение 4 ч при 1050°С (б) (*400). [68]

Нитридная пленка формируется при температурах до 1000°С и повторяет контуры металлической матрицы, а в случае большого времени выдержки и при температурах 1000°С и выше около кромок образцов наблюдаются наросты пленки. Волнистые неровности, образующие сетку на поверхности, которая, наиболее вероятно, повторяет сетку границ зерен матрицы азотированного материала, наиболее заметны и достигают больших размеров при температурах азотирования выше температуры полиморфного превращения соответствующих сплавов. Фазовое а ^ Р-превращение в процессе нагрева и охлаждения образцов сопровождается объемными изменениями с образованием поверхностного рельефа. Возникновение значительных напряжений сжатия при формировании нитридной пленки вызывает пластическую деформацию и способствует образованию большого количества неровностей. Однако такая характерная топография поверхности, хотя и менее выраженная, наблюдается и после азотирования при температурах ниже температуры полиморфного превращения, и присуща каждой азотированной поверхности с пленкой. С повышением температуры азотирования наблюдается рост фрагментов поверхностной сетки аналогично росту зерна титановой матрицы. Возможно, формированию поверхностной сетки способствует более активное нитридообразование по границам зерен, а процессы, сопровождающие а ^ Р-превращение, лишь усиливают поверхностный рельеф. Легирование, сохраняя топографию азотированной поверхности, ослабляет образование поверхностного рельефа вследствие повышения температуры полиморфного превращения сплавов.

Как было сказано ранее, газовое азотирование, как и другие методы диффузионного насыщения, явлыяется весьма длительным процессом (до 30 ч), осуществляемым при высоких температурах (950... 1470 оС), что может привести к снижению конструкционной прочности рассматриваемых материалов из-за укрупнения структурных составляющих. Одним из путей интенсификации процесса газового азотирования является проведение его в тлеющем разряде, то есть ионное азотирование [20].

1.4 Особенности ионного азотирования титана и титановых сплавов

Технология ионного азотирования широко применяется в современном машиностроительном производстве [1, 11]. Данный метод поверхностного упрочнения имеет ряд преимуществ перед печным азотированием: возможность управления структурой и составом упрочненного слоя, возможность проведения низкотемпературного насыщения, сокращение времени нагрева и охлаждения деталей, депассивация поверхности при обработке за счет ионного травления, сокращение расхода рабочих газов. Также ионное азотирование является более экологичным процессом и требует меньших энергетических затрат [20, 34, 88].

В связи с возможностью управления строением упрочненного слоя, возможно поступление на операцию ионного азотирования как деталей, имеющих окончательные размеры, так и деталей, имеющих припуск на дальнейшую механическую обработку, например, для удаления нитридного слоя [20].

Последовательность фазовых превращений в поверхностном слое титановых сплавов в процессе насыщения поверхности азотом определяется изотермой на диаграмме состояния ^ — N соответствующей рабочей температуре процесса [70]. Вследствие формирования градиента концентрации азота в материале, после ионного азотирования титановых сплавов на их поверхности формируется модифицированный слой, который состоит двух зон: нитридной зоны и расположенной ниже диффузионной зоны.

Нитридная зона имеет золотистый цвет и высокую микротвердость (до 1000...2000 HV0,1), что свидетельствует о том, что он состоит преимущественно из 5-фазы (мононитрида титана Данная зона металлографически выявляется в виде светлого слоя толщиной до 10 мкм на поверхности сплава. Под внешним нитридным слоем находится более темная зона толщиной 1...3 мкм, представленная преимущественно е-фазой (промежуточный нитрид титана ^Ы). Данная зона, образуется в процессе охлаждения из нитрида 5-фазы [20]. С повышением температуры азотирования относительная толщина нитридного слоя уменьшается, а подслоя - увеличивается.

По данным рентгеноструктурного анализа [19], после ионного азотирования при 900°С интенсивность линий от кристаллографических плоскостей s-фазы больше, а от плоскостей 5-фазы меньше, чем после обработки при 800 °С. Это объясняется более интенсивным катодным распылением при повышенных рабочих температурах, а также , распадом мононитрида TiN при. По мере удаления от поверхности сплава концентрации азота в нем уменьшается, что приводит к плавному уменьшению твердости диффузионной зоны до значений, соответствующим твердости основы (рисунок 1.4). Поэтому по изменению микротвердости от поверхности вглубь образца оценивается толщина диффузионного слоя.

По форме а-фазы структура (а+Р)-сплавов может быть двух типов: пластинчатой или глабулярной. Пластинчатая структура титановых сплавов характеризуется наличием сравнительно крупных исходных Р-зерен расчленен а-пластины параллельны и имеют одинаковую кристаллографическую ориентировку. Пластины а-фазы разделены прослойками Р-фазы, имеющими кристаллографическую ориентировку, общую в пределах всего исходного Р-зерна. Такую пластинчатую структуру часто называют игольчатой перекристаллизованной или видмаштеттовой [19].

HVQ,01 2500 2 U 00 1500 1000 500

0 W 20 30 40 50 60 70х,мкм

Рисунок 1.4. Распределение микротвердости (1) и относительный концентрации азота (2) по толщине диффузионной зоны после ионного азотирования титана [20]

На рисунке 1.5 показана микроструктура нелегированного титана марки ВТ1-0 и сплава ВТ6 после ионного азотирования выше температуры полиморфного превращения.

Авторы [79] установили, что после азотирования титана и сплава ВТ6 температуре 800оС в поверхностном слое под тонким нитридным слоем (~2 мкм) наблюдается зона большой толщины, микротвердость которой изменяется от 900.. .1000 HV0,05 до твердости основы. Резкой границы между азотированным слоем и основой не наблюдается. После ионного азотирования при 950-1000оС (выше температуры полиморфного превращения) под внешним нитридным слоем формируется плохо травящаяся зона с микротвердостью 1000.1200 HV, что соответствует твердому раствору азота в а-Т (рисунок 1.5, а).

а б

Рисунок 1.5. Микроструктура титана (а) и сплава ВТ6 (б) после ионного азотирования при 9500С (а) и 1000 0С (б) в течение 3 ч. при увеличении х312,5 [79]

Толщина альфированной зоны увеличивается при повышении температуры и времени азотирования. Растворимость азота в а-Т при температурах насыщения

высокая и может достигать, согласно диаграмме состояния [70], более 20% ат. Это и является одной из причин значительного упрочнения за счет а-фазы.

После азотирования при 950-1000оС наблюдается структурная граница между зоной а-твердого раствора, не претерпевшего превращения (альфированной зоной) и зоной а-твердого раствора, образовавшегося при охлаждении из Р-твердого раствора. Следовательно, фазовая граница, появляющаяся при высокой температуре диффузионного насыщения, фиксируется при нормальной температуре. Обусловлено это тем, что структура а -фазы, образовавшейся в результате распада Р-фазы, и структура а-фазы, не претерпевающей фазового превращения, различаются [19].

Под слоем а-твердого раствора расположен материал основы, структура и твердость которого могут изменяться только в результате превращений при нагреве и охлаждении во время процесса. Так, мелкокристаллическую структуру, незначительно отличающуюся от исходной, сохраняет титан, азотированный при температуре ниже 900оС. При температуре азотирования выше 900оС наблюдается значительный рост кристаллов как диффузионной зоны, так и основного металла (рисунок 1.5).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Золотов, Илья Владимирович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Andrea Szilgyin Biry. Trends of nitriding processes // Production Processes and Systems. -2013. - vol. 6. №1. - pp. 57-66.

2. Axinte Mihai, Nejneru Carmen, Perju Manuela Cristina, Cimpoe§u Nicanor, Hopulele Ion, Research on hollow cathode effect and edge effect avoidance in plasma nitriding treatment, Tehnomus New Technologies and Products in Machine Manufacturing Technologies, no.18, Suceava, 2011, pg. 181-184.

3. Edenhofer B, Bewley T.J. Heat Treatment. 1976, Metal Soc., London, 1978, р. 203.

4. Janosi, S.; Kolozsvary, Z.; Kis, A. Controlled Hollow Cathode Effect New Possibilities for Heating Low-Pressure Furnaces//Metal science and heat treatment №46, 2004, p. 310-316.

5. Kwon S.C., Lee G.H., Yoo M.C. A comparative study between pulsed and D.C. ion nitriding behavior in specimens with blind holes. Proceedings of a International Conference of Ion Nitriding, 1986: Cleveland, Ohio. -301-305p.

6. Lee DB, Pohrelyuk I, Yaskiv O, Lee JC. Gas nitriding and subsequent oxidation of Ti-6Al-4V alloys // Nanoscale Research Letters. 2012;7(1):21. doi: 10.1186/1556-276X-7-21.

7. N. Baguer, A. Bogaerts, and R. Gijbels. Hollow cathode glow discharge in He: Monte Carlo-Fluid model combined with a transport model for the metastable atoms.// Journal of applied physics, 2003, с. 47-55.

8. Yongqing Fu, Hejun Du, and Yanwei Gu. Improvement of Erosion Resistance of Titanium with Different Surface Treatments // Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 9(5) October 2000, 571-580.

9. Z. Donko. Hybrid model of a plane-parallel hollow-cathode discharge. // IOPSience, 2000.

10. Zhecheva A., Malinov S., Sha W. Studying and modeling surface gas nitriding for titanium alloys // The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, 2007, Volume 59, Issue 6, pp 38-40

11. Zhecheva A., Malinov S., Sha W. Titanium alloys after surface gas nitriding // Surface and Coatings Technology, vol. 201, 2006, pp. 2467-2474.

12. Агзамов Р.Д. Ионное модифицирование поверхности материалов в вакууме на основе несамостоятельного сильноточного диффузионного разряда // Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов: Сб. тр. / Научн.-тех. конф. -Уфа, 2001. -С. 281-287.

13. Агзамов Р.Д. Повышение производительности и качества поверхностного слоя деталей путем дополнительной ионизации газа при ионно-плазменной обработке. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Уфа, 2004. 135 с.

14. Агзамов Р.Д. Структура и твердость азотированного слоя при ионно-плазменных методах азотирования. // Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане: сб. тр. /Научн.-тех. конф. -Уфа: Гилем, 2003. С. 234-241.

15. Агзамов Р.Д., Будилов В.В. Ионное азотирование в тлеющем разряде с эффектом полого катода. // ОТТОМ-4: сб. докладов / Международная конференция. -Харьков, 2003.-С.262-265.

16. Алешина Л. А., Логинов Д. В., Глазкова С. В., Фофанов А. Д. Результаты рентгенографического исследования азотирования образцов сталей и титана в плазме // Вестник ВГТУ . 2012. №7-1, с 79-83.

17. Андрияхин В.М., Васильев В.А., Седунов В.К., Чеканова Н.Т. Влияние схемы упрочнения гильз цилиндров лазерным излучением на износостойкость//МиТОМ. 1982, №9, с.41-43

18. Аношкин Н.Ф. и др. Металлография титановых сплавов. М.: Металлургия, 1980. - 232 с.

19. Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах. М.:Машиностроение, 1979.

20. Арзамасов Б.Н., Братухин А.Г., Елисеев Ю.С., Панайоти Т.А. Ионная химико-термическая обработка сплавов. М.: Изд-во МВТУ им Баумана, 1999, 400 с.

21. Ахмадеев Ю.Х., Гончаренко И.М., Иванов Ю.Ф. и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2006. №8. с. 63-69.

22. Ахмадеев Ю.Х. Несамостоятельный ТРПК для азотирования титана. Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук. Томск, 2007.

23. Ахмадеев Ю.Х., Иванов Ю.Ф., Коваль Н.Н. и др. Азотирование титана ВТ1 -0 в несамостоятельном тлеющем разряде низкого давления в различных газовых средах // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. №2. с.108-112.

24. Бабад-Захряпин А.А., Кузнецов Г.Д. Химико-термическая обработка в тлеющем разряде. -М.: Атомиздат, 1975. 175 с.

25. Багмутов В. П., Захаров И. Н., Горунов А. И., Захарова Е. Б., Денисевич Д. С., Косогоров А. В. Комбинированное поверхностное упрочнение стальных и титановых сплавов на основе электромеханической и ультразвуковой обработок // Известия ВолгГТУ . 2013. №6 (109), с. 68-71.

26. Бекренев А.Н., Филина Е.А. Влияние лазерного легирования на изменение физико-механических свойств поверхностных слоёв титана// ФХОМ. -1991. - № 4. - С . 116-121.

27. Белюк С.И., Осипов И.В., Ремпе Н.Г. Промышленное применение электронных источников с плазменным эмиттером // Известия вузов. Физика. 2001. - т. 44. - № 9. - с. 77-85.

28. Бишутин С.Г. Износостойкость деталей машин и механизмов: учеб. Пособие / С.Г. Бишутин, А.О. Горленко, В.П. Матлахов; под ред. С.Г. Бишутина.-Брянск: БГТУ, 2010.-112 с.

29. Болховитинов Н.Ф. Металловедение и термическая обработка. Изд. 6. М. - Машиностроение, 1965.

30. Борисова Е.А., Бочвар Г.А., Брун М.Я., Глазунов С.Г., Коалчев Б.А., Коробов О.С., Мальков А.В., Моисеев В.Н., Ноткин А.Б., Перцовский Н.З., Полькин И.С., Семенова Н.М., Солонина О.П., Шаханова Г.В. Титановые сплавы. Металлография титановых сплавов. М., «Металлургия», 1980. 464 с.

31. Братушка С.Н., Соколов С.В., Влияние плазменной обработки и ионной имплантации на свойства и структурно-фазовые изменения в титановых сплавах //Физическая инженерия поверхности 2012, т. 10, № 2.

32. Будилов В.В., Агзамов Р.Д., Рамазанов К.Н. Способ азотирования изделий в тлеющем разряде с эффектом полого катода. Патент РФ №2276201, МПК С23С, опубл. 10.05.2006.

33. Будилов В.В., Шехтман С.Р., Киреев P.M. Использование разряда с полым катодом для обработки поверхности конструкционных материалов // Физика и химия обработки материалов. -2001. -№2. -С.31-35.

34. Будилов, В.В., Агзамов Р.Д., Рамазанов К.Н. Технология ионного азотирования в ТРПК // «Металловедение и термическая обработка металлов» №7. С. 25 - 29.

35. Вершинин Д.С., Смолякова М.Ю. Влияние структурно фазового состава на свойства титановых сплавов при низкотемпературном азотировании в смеси газов. // Материалы 9-ой международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом», Минск, 2011

36. Гаврилов Н.В., Романов С.Е., Влияние состояния поверхности катода на характеристики ТРПК// ЖТФ , том 69, вып. 5, 1999 г. С. 20-24.

37. Галанский В.Л., Груздев В.А., Осипов И.В., Ремпе Н.Г. Источники электронов с плазменным эмиттером на основе отражательного разряда с полым катодом. // Известия ВУЗов. Физика. 1992. - т. 35. - № 5. -с. 5-23.

38. Герасимов С.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г. Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012.-518 с.

39. Герасимов С.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Елисеев Э.А. Стуктура и износостойкость азотированных сталей / учебное пособие. - М: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.- 48 с.

40. Гольдшмидт Дж. Сплавы внедрения: Пер. с англ. М.: Мир, 1971. Т. 1.424 с.

41. Горячева И. Г., Добычин М.Н. Изнашивание упрочненных поверхностей//Трение и износ, 1986. Т.7. №6. С.985-992.

42. ГОСТ 19807-91. Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки. Введен в действие 30.06.1992, взамен ГОСТ 19807-74, Москва; Изд-во стандартов, 1991, - 6 с.

43. ГОСТ 30480-97. Обеспечение износостойкости изделий. Методы испытаний на износостойкость. Общие требования. Введен в действие 30.06.1998, Москва: Изд-во стандартов, 1998, - 15 с.

44. ГОСТ Р 52727-2007. Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика. Общие требования. Введен в действие 30.09.2007, Москва: Изд-во стандартов, 2008, - 16 с.

45. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. Под ред. Сена Л.А. и Голанта В.Е. // Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1971. - 490 с.

46. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. Том III. М.: Наука, 1977, 704 с.

47. Дроздов Ю.Н., Тескер Е.И., Гурьев В.А. Модификация и упрочнение поверхностей трения лазерной обработкой// Вестник машиностроения. 1988, №6, с. 3-5

48. Еременко В.Н. Титан и его сплавы / Киев: Издательство АН Украинской ССР, 1960. — 499 с.

49. Ершов А.П. Метод электрических зондов Ленгмюра. Описание задачи спецпрактикума. М.: Физический факультет МГУ. 2007. 26 с.

50. Каган Ю. М., Перель В. И. Зондовые методы исследования плазмы // Успехи физических наук. 1963. Т. 81. № 3. а 411-450.

51. Каплун В.Г. Особенности формирования диффузионного слоя при ионном азотировании в безводородных средах// Физическая инженерия поверхности. - 2. - Т.1. - Харьков. - 2003. - С. 141-146

52. Каплун В.Г., Машовець Н.С., До^дження властиврстей поверхш титанового сплаву ВТ8 шсля низькотемпературного азотування в плазмi тлшчого розряду// Вестник двигателестроения №2/2008. С.190-193.

53. Кашаев Н., Шток Х. Р., Майр П. Азотирование сплава Ti-6% Al-4% V в плазме интенсифицированного тлеющего разряда // МиТОМ. 2004. № 7., С. 2832.

54. Ключарев А.Н., Мишаков В.Г., Тимофеев Н.А. Введение в физику низкотемпературной плазмы / СПб.: Изд-во СПбГУ, 2008. - 224 c.

55. Коган Я.Д., Колачев Б.А., Левинский Ю.В. и др. Константы взаимодействия металлов с газами // Справ. изд. - М.: Металлургия, 1987. 368 с.

56. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. -М.: Атомиздат, 1969. 283

с.

57. Колобов В.И., Цендин Л.Д. Аналитическая модель эффекта полого катода. // Plasma sources Scl. 4, 1995

58. Крейндель Ю.Е., Осипов И.В., Ремпе. Н.Г. Параметры плазмы в отрицательном разряде с полым катодом // ЖТФ.-1992. -Т 62. -Вып.10. - С. 165169.

59. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Металлургия,1983, 360 с.

60. Лахтин Ю. М., Арзамасов Б. Н. Химико-термическая обработка металлов: Учеб. пособие для вузов по спец. "Металловедение, оборуд. и технология терм. обраб. металлов. -М.: Металлургия, 1985, 256 с.

61. Лахтин Ю.М. Физические основы процесса азотирования. М: Машгиз, 1948.-144 с.

62. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Шпис Г-Й., Бемер 3. Теория и технология азотирования. М.: Металлургия, 1991, 320 с.

63. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М. - Металлургия, 1976.

64. Лопатин И.В., Ахмадеев Ю.Х. Азотирование образцов титановых сплавов в плазме ТРПК // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Математика. Физика, № 5, т. 22, 2011.

65. Лохте-Хольтгревен В. Методы исследования плазмы. Спектроскопия, лазеры, зонды. - М.: Мир. 1971. 552 с.

66. Лукина Е.А. Закономерности формирования структуры при ионно-вакуумном азотировании титановых сплавов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2007, - 168 с.

67. Малинов Л.С., Зечева А., В. Ша Связь микроструктуры и свойств промышленных титановых сплавов с параметрами процесса азотирования из газовой фазы // МиТОМ. №7. 2004 г. С. 21-28

68. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. М.: Изд-во «Машиностроение» (Москва) - 1965. 491с.

69. Михеев Анатолий Егорович, Гирн Алексей Васильевич, Ивасев Сергей Сергеевич, Кудымов Владимир Иванович Электродуговое упрочнение титановых сплавов // Вестник СибГАУ . 2011. №5, с 139-141.

70. Молчанова Е.К. Атлас диаграмм состояния титановых сплавов 1964.

392 с.

71. Морозова Е. А., Муратов В. С. Лазерная термическая обработка титана // Успехи современного естествознания . 2010. №3, с. 129-130.

72. Морозова Е. А., Муратов В. С. Лазерное легирование поверхности титана медью // Успехи современного естествознания . 2009. №11, с. 71.

73. Морозова Е. А., Муратов В. С. Особенности лазерной термической обработки титана // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований . 2011. №3, с. 160.

74. Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. -М.: «Энергия», 1969. 184 с.

75. Муратов В. С., Морозова Е. А. Лазерное легирование поверхности титана никелем и марганцем // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2009. №7, с. 36-37.

76. Мухин В.С., Рамазанов К.Н., Ишмухаметов Д.З. Упрочнение поверхности сталей и титановых сплавов путем создания макронеоднородной структуры при азотировании в тлеющем разряде // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010, №10, с. 32-35.

77. Нечаев Г.Г. Микродуговое оксидирование титановых сплавов в щелочных электролитах // Конденсированные среды и межфазные границы, 2012, том 14, № 4, с. 453-455.

78. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, термообработка и рентгенография. -М.:МИСИС, 1944, 480 с.

79. Панайоти Т.А., Соловьев Г.В. Структура, фазовый состав и твердость азотированного титан // Металловедение и термическая обработка металлов. 1992. №9. С.34 - 38.

80. Параметры плазмы в эмиссионном канале плазменного эмиттера. В.Л. Галанский, В.А. Груздев и др. // ЖТФ, 1990

81. Пастух И.М. Теория и практика безводородного азотирования в тлеющем разряде. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2006, 364с.

82. Пастух И.М. Факторы управляемости вакуумно-диффузионными газоразрядными технологиями модификации поверхности металлов // Проблемы трибологии. Хмельницкий: 2001, №2; С. 93-96.

83. Пастух И.М., Здыбель О.С. Проблемы моделирования процесса азотирования в тлеющем разряде // Вестник ТУП. Хмельницкий, 2005, №1, С. 711.

84. Петровская Т. С. Комплексная обработка поверхности титана // Известия ВолгГТУ . 2009. №3, с. 71-73.

85. Погрелюк И.Н. Азотирование титановых сплавов // Международная конференция ОТТОМ-4 2003 г. С. 182 - 198 , А.Н. Минкевич - Химико-

термическая обработка металлов и сплавов. М.: Изд-во «Машиностроение» (Москва) - 1965. 491с.

86. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Изд. 2-е, доп. и перераб. - М.: Наука, 1992. - 536 с.

87. Райцес В.Б. Технология химико-термической обработки на машиностро-ительных заводах. - М.: «Машиностроение», 1965, 294 с.

88. Рамазанов К.Н. Высокотемпературное ионное азотирование конструкционных и инструментальных сталей в ТРПК. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Уфа, 2009. 152 с.

89. Рамазанов К.Н. Ионное азотирование деталей ГТД в ТРПК // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. №9. С. 47-51.

90. Рамазанов К.Н., Ишмухаметов Д.З., Садкова Н.С. Ионное азотирование в неоднородной плазме тлеющего разряда // Вестник УГАТУ, 2011, №3(43). с.67-71.

91. Рамазанов К.Н., Рамазанов И.С. Ионное азотирование титанового сплава ВТ6 в тлеющем разряде с эффектом полого катода // Вестник УГАТУ,т. 18, №2 (63), 2014, с. 41-46.

92. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла.

- М.: Машиностроение, 1982. - 212 с.

93. Смолякова М.Ю., Вершинин Д.С. Исследование влияния состава газовой смеси при низкотемпературном азотировании на структуру и свойства титана // Перспективные материалы, №1, 20011, с. 478-482.

94. Фетисов Г.П. и др. Материаловедение и технология металлов. - М., Высшая школа, 2001.

95. Цвиккер У. Титан и его сплавы. Пер. с нем. — М.: Металлургия, 1979.

— 512 е.: ил.

96. Чан П., Тэлбот Л., Турян К. Электрические зонды в неподвижной и дви-жущейся плазме. М.: Мир. 1978. 203 с.

97. Чен Ф. Введение в физику плазмы: Пер. с англ. — М.: Мир, 1987. — 398 с, ил.

98. Чечулин Б.Б. и др. Титановые сплавы в машиностроении. - Л., Машиностроение, 1977, 248 с.

99. Шехтман С.Р. Использование эффекта полого катода для подготовки поверхности под напыление // Сб. Тезисы докладов региональной конференции молодых ученых Урала и Поволжья, посвященная 250 летию оренбургской губернии и 60 летию образования оренбургской области. -Оренбург, 1994 г. -С. 230-231

100. Юргенсон А.А. Развитие процесса азотирования // Металловедение и термическая обработка металлов. 1967, №7, с.2-10.

101. Яноши С., Колошвари З., Киш А. Контролируемый эффект полого катода: новые возможности для нагрева печей низкого давления // МиТОМ / №7, 2004 г. С. 45-51.