» » Химико-термическая обработка титановых сплавов
20.01.2015

Титан и его сплавы обладают низкой износостойкостью, высокой склонностью к налипанию, большим коэффициентом трения в паре практически со всеми материалами. Эти недостатки титановых сплавов ограничивают их применение для изготовления детален, работающих на трение. Так, например, если болт и гайку сделать из какого-либо титанового сплава, то болтовое соединение оказывается неразъемным. При попытке снять гайку с болта происходит их разрушение по резьбовому соединению. Поэтому в настоящее время болт делают титановым, а гайку изготавливают из нержавеющей стали.
Легированием и термической обработкой не удастся существенно повысить антифрикционные свойства титановых сплавов Были предприняты попытки устранить этот недостаток титановых сплавов химико-термической обработкой. Наибольшие успехи были достигнуты при азотировании и оксидировании, и эти процессы, хотя и ограниченно, но применяются в промышленном масштабе. Есть надежда, что будут найдены практически приемлемые способы науглероживания и борирования.
Для химико-термической обработки титана и его сплавов неприемлемы те среды, которые обычно используют при обработке сталей, особенно водородсодержащие газы и их смеси, из-за значительного наводороживания металла до уровня достаточного для развития водородной хрупкости. Так, в частности азотирование проводят не в аммиаке, а в чистом азоте тщательно очищенном от кислорода и влаги.
Химико-термическая обработка титановых сплавов

В соответствии с диаграммой состояния Ti-N (рис. 90) в процессе азотирования титана при температурах ниже 882 С на поверхности образуется тонкий слой нитрида титана, а ниже его обогащенный N слой (рис. 92) α-твердого раствора. Нитридный слой вологистого цвета, его толщина составляет 4—20 мкм, a микротвердость равна (12-16)*10в3 МПа. Обогащенный азотом слой - белого цвета, его микротвердость плавно уменьшается по мере удаления от поверхности в глубь металла, пока не достигается микротвердость, характерная для основного металла (рис. 91). За глубину азотирования принимают толщину слоя с повышенной микротвердостью. В ряде случаев между нитридным слоем и металлом наблюдается темная полоса, структура которой представлена фазами α+ε и ε+δ. Эта прослойка образуется при охлаждении титана после азотирования из-за распада α- и δ-растворов предельных составов, соответствующих температуре азотирования.
Химико-термическая обработка титановых сплавов

При азотировании α+β-сплавов под нитридным слоем находится альфированный слой, который сменяется структурой, представленной α- и β-фазами (рис. 92). По мере удаления от альфированного слоя количество α-фазы уменьшается от 100% до значений, типичных для данного сплава. Эти структурные изменения обусловлены α-стабнлпзнругощнм действием азота.
Химико-термическая обработка титановых сплавов

Если азотирование титана проводят при температурах выше 882° С, то образуются три характерных слоя (см. рис. 90): а) нитридный; б) слой, соответствующий α-фазе при температуре азотирования; концентрация азота резко уменьшается по мере удаления от поверхности металла; при охлаждении после азотирования этот слой не испытывает полиморфного превращения; в) слой, соответствующий β-фазе при температуре азотирования; концентрация азота невелика и медленно снижается по мере удаления от поверхности; при охлаждении после азотирования этот слой, как и сердцевина образца, испытывает β→α-превращение.
Образование тонкий нитридной пленки на поверхности титана и его сплавов при азотировании нежелательно, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, нитридная пленка замедляет диффузию азота в титан, так как коэффициент диффузии азота в нитриде титана во много раз меньше, чем в α и β-фазах. Во-вторых, нитридный слои обладает высокой хрупкостью. Кроме того, сам слой и примыкающая к ней тонкая зона альфированного слоя имеют недостаточно плотное строение, в связи с чем при доводке поверхности азотированных деталей не удается получить чистоту обработки высокого класса.
Толщину нитридного слоя можно уменьшить азотированием титана и его сплавов в азоте при пониженном давлении или в смеси азота с аргоном. Еще одни способ устранения хрупкого нитридного слоя — вакуумный отжиг после азотирования или отжиг в аргоне.
Азотирование в десятки раз повышает износостойкость и жаростойкость титановых изделий. Вместе с тем существенно в несколько раз снижаются такие характеристики пластичности как относительное удлинение и особенно поперечное сужение; предел выносливости на базе 10в7 циклов уменьшается на 10-25 %. К тому же азотированный слой тонок и поэтому доводка азотированных деталей до нужных размеров встречает существенные затруднении. В связи с этим азотирование титана и его сплавов хотя и является наиболее распространенным видом химико-термической обработки, применяется в ограниченных масштабах.
Поверхностного упрочнения титана и его сплавов достигают также оксидированием Природа газонасыщенных слоев образующихся на поверхности полуфабрикатов и изделий из титана и его сплавов при нагреве в кислороде и на воздухе, была рассмотрена выше. Как уже отмечалось окисные слои большой толщины, образующиеся в результате окисления при температурах выше 850—900° С, отрицательно влияют на механические и с тяжебные свойства титана и его сплавов Однако при небольшой толщине оксидированного слоя образовавшегося при нe слишком высокой температуре окисления удается повысить износостойкость деталей из титановых сплавов без существенного снижения механических и служебных свойств титана и его сплавов.
В настоящее время в промышленности применяют три технологические схемы оксидирования
а) на воздухе при 700—800°C с последующим медленным охлаждением с печью;
б) на воздухе при 850°С с последующим охлаждением в воде для удаления слоя окалины;
в) в засыпке графитом или песком при 700—850°С с последующим охлаждением вместе с засыпкой на воздухе.
При выборе режимов оксидирования для того или иного конкретного применения учитывают, что с понижением температуры уменьшается вредное влияние диффузионного слоя на циклическую прочность сплава, но вместе с тем уменьшается толщина оксидированного слоя.
Перед химико-термической обработкой детали тщательно очищают и обезжиривают, для чего применяют органические растворители, химическую и электрохимическую очистку. Поскольку толщина газонасыщенных слоев невелика и их твердость резко снижается по мере удаления от поверхности, доводочные операции на оксидированных деталях путем механической обработки резанием или шлифованием не допускаются возможно лишь полирование пастами со съемам слоя толщиной не более 5 мкм.