Влияние ультразвуковой поверхностной обработки на структуру и свойства титановых сплавов

УДК 621.787.6 В.Ю. Борозна

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Исследование закономерности пластической деформации поверхностного слоя титановых сплавов при ультразвуковой поверхностной обработке. Определены оптимальные параметры шероховатости поверхности перед ультразвуковой поверхностной обработкой, позволяющие формировать в поверхностном слое полноценную нанокристаллическую структуру.

Ключевые слова шероховатость поверхности, пластическая деформация, титановый сплав, упрочнение, нанокристаллическая структура.

качестве конструкционных материалов в авиа-, судо-,

X-# машино-, приборостроении и в производстве изделий медицинской техники все большее применение находят титановые сплавы. Это обусловлено важнейшими отличительными свойствами титана и его сплавов, такими как: сравнительно низкий модуль упругости и высокая удельная прочность. Для придания ряда функциональных свойств таким сплавам необходимы модификация существующих и разработка новых технологий обработки их поверхности для получения оксидных слоев или сглаживания микрорельефа с последующим нанесением защитных покрытий.

В последнее время бурное развитие получили технологии создания субмикро- и нанокристаллических материалов, поскольку материалы имеющие такое строение по эксплуатационным свойствам превосходят свои аналоги с крупнозернистым строением. Исследование свойств материалов, имеющих нано- и субмикрокри-сталлическое строение показали, что: циклическая прочность повышается как в области многоцикловой, так и в области малоцикловой усталости по сравнению с крупнозернистым материалом, в частности титаном, микротвердость в 2-7 раз выше, причем это не зависит от метода получения материала, износостойкость наноструктурных металлических материалов значительно выше износостойкости крупнозернистых сплавов [2-4].

Одним из наиболее перспективных научных направлений в области создания новых материалов с уникальными свойствами, в том числе и с улучшенными триботехническими характеристиками, является разработка специальных технологий получения ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов, имеющих субмикрок-ристаллическую (СМК) и нанокристаллическую (НК) структуру. Для формирования в материалах СМК и НК структуры используются различные методы: кристаллизация из расплава, газовая конденсация с последующим компактированием, шаровой размол с последующей консолидацией, электроосаждение и интенсивная пластическая деформация (ИПД).

В нашей работе для повышения степени дисперсности зерен-ной структуры поверхностного слоя использовалась интенсивная пластическая деформация по средствам ультразвуковой поверхностной обработки.

Вопросам исследования влияния ультразвуковой поверхностной обработки на структуру, механические и триботехнические свойства конструкционных материалов посвящено много работ известных российских ученых [5-7]. Однако практически не изученной остается зависимость формирования функциональных свойств поверхностного слоя и его дисперсности после ультразвуковой поверхностной обработки от исходной шероховатости.

Данная работа направлена на восполнение этого пробела и посвящена изучению влияния предварительной морфологии поверхности, на твердость и степень дисперсности структуры модифицированного слоя титанового сплава. Схема ультразвуковой поверхностной обработки представлена на рис. 1.

Индентор под действием статической и динамической силы, создаваемой колебательной системой, пластически деформирует поверхностный слой детали, предварительно обработанный резанием. Обработка поверхности детали производится твердосплавным индентором колеблющимся с ультразвуковой частотой. В зоне локального контакта индентора с обрабатываемой поверхностью возникает очаг пластической деформации, который перемещается вместе с индентором. После обработки ультразвуковым инструментом формируется поверхность с величиной шероховатости Rz 3,5 - 5,5 мкм.

342

Рис. 1. Схема ультразвуковой поверхностной обработки: P - динамическая сила; Pst - статическая сила, A - амплитуда смещения индентора, r - радиус сферы индентора, S - продольная подача, Sv - относительная подача за один период колебаний индентора, Ss - продольная подача за один оборот, V - окружная скорость детали, V1 - колебательная скорость индентора, D - диаметр обрабатываемой детали

При этом получение высокой чистоты поверхности достигается за счет локализации выглаживающегося воздействия индентора в тонком поверхностном слое, а именно на гребнях шероховатости, полученных после предварительной токарной обработки.

В качестве обрабатываемого материала был выбран технически чистый титан марки ВТ1-0 в состоянии поставки с пластинчатой а - фазой (состав, % масс.: 99,58 Ti; 0,12 О; 0,18 Fe; 0,07 С; 0,04 N; 0,01Н). Обработке подвергали заготовки в форме цилиндра диаметром 40 мм. Обработку проводили на токарном станке модели 1К62 резцами, оснащенными пластинами из быстрорежущей стали марки Р6М5.

Варьируемыми параметрами при токарной обработке были продольная подача суппорта S, задающая расстояние между отдельными гребнями формирующегося микрорельефа поверхности и глубина резания t, задающая высоту неровностей. Также изменяли угол заострения резца, с целью изменения угла наклона боковых поверхностей гребней.

S, мм/об

Рис. 2. Схема ультразвуковой поверхностной обработки: 1 - обрабатываемая деталь, 2 - шарик из твердого сплава, 3 - магнитострикционный преобразователь, 4 -ультразвуковой генератор

В результате такой обработки формировался регулярный микрорельеф поверхности.

Следующим этапом проведения эксперимента была ультразвуковая поверхностная обработка полученных образцов с различным микрорельефом. Для этого в резцедержатель станка устанавливали специальный ультразвуковой ударный инструмент (рис. 2).

Технические характеристики ультразвукового оборудования: напряжение питания 220 В; мощность 0,25 кВт; ультразвуковой преобразователь - магнитострикционный; рабочая частота 22 кГц; охлаждение преобразователя - воздушное; расход охлаждающего воздуха 30 м3 при давлении, не менее 0,3 МПа; регулировка мощности генератора - ступенчатая; количество ступеней мощности 20.

Для исследования морфологии и шероховатости поверхности титанового сплава после механической токарной обработки применялся профилометрический комплекс «MICRO MEASURE 3D station». Шероховатость на данном комплексе измеряется бесконтактным способом с помощью лазерного луча, сканирующего поверхность. При построчном сканировании прибор позволяет получать изображение (морфологию) измеряемой области поверхности, с высокой степенью точности задаваемой дискретностью переме-

щения лазерного луча по поверхности измеряемого образца. Шероховатость образцов измерялась в соответствии с ГОСТ 2789-73 на базовой длине 2,5 мм.

Упрочнение поверхности оценивалось по приросту значений микротвердости при помощи микротвердомера ПМТ-3 с приложением нагрузки на пирамидку микротвердомера равной 0,5Н. Исследование степени дисперсности полученного модифицированного поверхностного слоя проводили методом электронной микроскопии по средствам аналитического электронного микроскопа JEM-2000FX.

Результат измерения поверхностной микротвердости образцов после ультразвуковой обработки показал значительный разброс ее средней величины в интервале от 3200 МПа до 4000 МПа в зависимости от формы и размеров гребней шероховатости. При этом среднее значение поверхностной микротвердости образцов до ультразвуковой обработки составляло 2400 МПа.

Номе р образца

Исходный 1 2 3 4 5 6

Микротвер-дость, МПа 2400± 120 3300± 100 3500± 200 3800± 250 3200± 200 3800± 250 4000± 200

Результаты измерения параметров шероховатости образцов, полученных при обработке резанием и имеющих регулярный микропрофиль представлены на рис. 3. Регулярность профиля имеет большое значение при формировании упрочненных поверхностей, поскольку она обеспечивает постоянство свойств обработанной поверхности по всей площади контакта.

Увеличение значений микротвердости в обработанных ультразвуком слоях свидетельствует как об измельчении зёрен, повышении дефектности зёренной структуры, так и формировании напряжений сжатия в поверхностных слоях.

Об увеличении степени дисперсности зеренной структуры с повышением микротвердости также свидетельствуют результаты электронно-микроскопического исследования, представленные на рис. 4, 5.

Рис. 3. Профилограммы поверхности после токарной обработки

Средний размер элементов субзеренной структуры образца, имеющего поверхностную микротвердость 3200 МПа составляет 200 нм, а средний размер элементов субзеренной структуры образца, имеющего поверхностную микротвердость

Рис. 4. Светлопольное изображение и картина микродифракции образца с микротвердостью 3200 МПа

Рис. 5 Светлопольное изображение и картина микродифракции образца с микротвердостью 4000 МПа

4000 МПа составляет 100 нм. Границы зерен являются несо: шенными, поскольку большинство из них не имеет полосчаг контраста. На картине микродифракции наблюдается боль количество рефлексов, расположенных по концентрическим окружностям. Наличие азимутального размытия рефлексов свидетельствует о больших внутренних напряжениях.

В результате проведенных исследований показано, что ультразвуковая обработка титана марки ВТ1-0 приводит к модифицированию поверхностного слоя с формированием субзерен-ной структуры и повышением поверхностной твердости до 4000 МПа. Степень дисперсности структуры и повышение поверхностной твердости существенно зависит от параметров шероховатости предварительной обработки.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильин А. А., Скворцова С. В., Мамонов А. М. и др. Применение титана и его сплавов в медицине // Перспективные технологии легких и специальных сплавов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. С. 399-408.

2. Шаркеев Ю. П., Братчиков А. Д., Колобов Ю. Р., Ерошенко А. Ю., Ле-гостаева Е. В. Наноструктурный титан биомедицинского назначения // Физ. мезомех. - 2004. - Т.7. - Спец. выпуск. - С. 107-110.

3. Valiev R. Z., // Nanostructuring of Metals by Severe Plastic Deformation for Advanced Properties, Nature Materials, Vol.3, рр. 511 (2004).

4. Валиев Р. З., Александров И. В. Наноструктурные материалы, полученные методом интенсивной пластической деформации. - М.: Логос, 2000. - 272 с.

5. Клименов В. А., Нехорошков О. Н., Уваркин П. В., Иванов Ю. Ф. Ультразвуковая финишная обработка как метод получения нанокристаллических структур //Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем. Материалы VI Всероссийской (международной) конференции. М.: МИФИ.- 2002 - С 168.

6. Панин А. В., Клименов В. А., Почивалов Ю. И. и др. Влияние состояния поверхностного слоя на механизм пластического течения и сопротивление деформации малоуглеродистой стали // Физическая мезомеханика. - 2001. - Т. 4. - № 4. - С. 85-92.

7. Клименов В. А., Ковалевска Ж. Г., Уваркин П. В. и др. Ультразвуковое модифицирование поверхности и его влияние на свойства покрытий. // Физическая мезомеханика. 2004. -Т. 7. Специальный выпуск, ч. 2. - С. 157-160.

8. Северденко В. П., Клубович В. В., Степаненко А. В. Обработка металлов давлением с ультразвуком. Минск: Наука и техника, 1973, с. 288.

9. Лотков А. И., Батурин А. А., Гришков В. Н., Кузнецов П. В., Клименов

В. А., Панин В. Е. Дефекты структуры и мезорельеф поверхности никелида ти-

тана после интенсивной пластической деформации ультразвуковым методом. Физическая мезомеханика. Том 8. Спец. выпуск 2005. 109 - 112с.

10. Клименов В. А., Нехорошков О. Н., Уваркин П. В., Иванов Ю. Ф. Формирование нанокристаллической структуры на поверхности бандажей железнодорожных колесных пар локомотивов с помощью ультразвуковой обработки // Опыт инновационных предприятий по коммерциализации нанотехнологий. Материалы Всероссийской (международной) конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано ) систем» 19-23 августа 2002 г., Изд. ТПУ. -2002. - С 57- 61.

11. Панин В. Е., Панин Л. Е. Масштабные уровни гомеостаза в деформируемом твердом теле // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 7. - № 4. - С. 523.

12. Панин А. В., Панин В. Е., Почивалов Ю. И. и др. Особенности локализации деформации и механического поведения титана ВТ1-0 в различных структурных состояниях // Физическая мезомеханика. - 2002. - Т. 5. - № 4. -

С. 73-84. \£Ш

— Коротко об авторе -------------------------------------------------

Борозна В.Ю. - ассистент, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета,

E-mail: Borozna2@rambler.ru