Эти испытания, проводившиеся при более низких параметрах трения, чем рассмотренные выше, показали также высокую эффективность оксидирования, хромирования и никелирования сплавов марок ТС5 и ВТЗ-1 при трении со смазкой.

Адгезия хрома и никеля с титаном не гарантирует, однако, достаточно однородного качества сцепления покрытия, и поэтому эти процессы допустимо применять в основном для относительно невысоких нагрузок (до 100 кгс/см) и скорости трения до 1 м/с, при наличии достаточно качественной смазки.

Таким образом, наиболее универсальным, простым, надежным и эффективным из числа рассмотренных методов поверхностного упрочнения титановых сплавов следует считать термическое оксидирование, поэтому в дальнейшем работоспособность различных антифрикционных материалов оценивается, в оновном, при трении по оксидированному титану.

3. Технология оксидирования

Оксидирование титана и его сплавов на воздухе [6, 7, 35, 55, 88] осуществляется в обычных электрических печах при свободном доступе воздуха к поверхности металла в интервале температур от 700° С до температуры, близкой температуре а Р-превращения. Выбор указанного интервала температур обоснован тем, что при окислении титана при температуре ниже 700° С толщина окисленного слоя очень незначительна и практически мало зависит от времени; повышение температуры выше 900° С сопровождается сильной порчей структуры и значительным падением механических свойств сердцевины.

Окисленный слой титана, как показали многие исследователи, состоит практически из трех слоев. Верхний наружный слой представляет собой рутил TiOa, средний слой (внутренний по отношению к рутилу) - соединение типа TiO, под которым расположена зона твердого раствора кислорода в а-титане. До температуры 800° С и небольших выдержках при окислении окалина на титане имеет относительно плотное строение и прочно связана со слоем моноокиси титана и тем самым с сердцевиной металла. Повышение температуры выше 800° С и времени выдержки более двух-трех часов приводит к ослаблению связи окалины с основным металлом под влиянием сжимающих напряжений и к ее отслаиванию.

На строение, фазовый состав и прочность сцепления окалины с основным металлом значительное влияние оказывают легирующие элементы. По этой причине применительно к каждому сплаву подбираются оптимальные режимы оксидирования.

В настоящее время в промышленности применяются три различных вида оксидирования титана [7, 55, 88]:

оксидирование на воздухе в интервале температур 700-800° С, при выдержке 1-12 ч и медленном охлаждении с печью (табл. 56).

оксидирование на воздухе при температуре 850° С и выдержке 5-6 ч, с охлаждением в воде для удаления слоя окалины (табл. 56);

Таблица 56. Режимы оксидирования титановых промышленных сплавов на воздухе и характеристики диффузионного слоя

оксидирование в засыпке графитом или песком в интервале температур 700-850° С, выдержке 2-10 ч и охлаждении на воздухе в засылке (табл. 57) .

При выборе режима оксидирования следует руководствоваться данными результатов антифрикционных, испытаний, а также нужна учитывать то, что чем ниже температура и меньше время выдержки, тем меньше сказывается влияние диффузионного слоя на характеристики усталостной прочности сплава. Режимы оксидирования / (табл. 56) и А (табл. 57) следует применять для легких условий трения (невысокие нагрузки и небольшой ресурс работы),.

1 0СТ4. ГО. 054. 020 Альфирование деталей из титановых сплавов .

14 Б. Б. Чечулин и др.

Таблица 57. Режимы оксидирования титановых сплавов в засыпке и характеристики диффузионного слоя

а режим 10 (табл. 56) и режимы В я Г (табл. 57) - в основном для однородных пар трения при высоких нагрузках и кратковременной работе.

Технологический процесс оксидирования должен предусматривать предварительную тщательную очистку и обезжиривание деталей (органические растворители, химическая яли электрохимическая очистка), поскольку титан легко вступает в химическое взаимодействие со многими веществами, особенно при высоких температурах.

Особенностью всех указанных в табл. 56 и 57 режимов оксидирования является малая глубина упрочненных слоев. Диффузионные слои, кроме того, характеризуются резким падением твердости и антифрикционных свойств по глубине. По этим причинам доводочные операции на оксидированных деталях путем механической обработки резанием или шлифованием выполняться не могут. Поверхности деталей, оксидированные по всем режимам

табл. 56-57 кроме режима В (табл. 57), допускается лишь полировать пастами со съемом слоя не более 5 мкм. На деталях, оксидированных по режиму В, рекомендуется удаление слоя окалины шлифовальной шкуркой и доводка поверхности пастой.

В целях обеспечения точности деталей в пределах 2-3-го класса необходимо такое построение технологического процесса изготовления детали, при котором трущимся поверхностям геометрическая точность задается до оксидирования, причем для стабилизации точных размеров деталей осуществляется чередование предварительной и окончательной механической обработки с отжигами для удаления остаточных напряжений. В этом чередовании отжиг должен осуществляться при температуре приблизительно на 10-20° выше температуры оксидирования и назначаться при припусках, достаточных для устранения обработкой резанием деформаций, связанных со снятием остаточных напряжений. Окончательная механическая обработка перед оксидированием должна осуществляться с минимальным съемом металла, т. е. с минимальными сечениями стружки (0,1-0,3 мм).

На поверхностях, на которых оксидированный слой нежелателен (например, из-за понижения усталостной прочности), оставляется припуск. Последний удаляется резанием после оксидирования. При изготовлении деталей высокой точности (2-3 класс) необходимо также учитывать, что при оксидировании на воздухе и в засыпке (все режимы, кроме режимов 10 и В) происходит наращивание тела (увеличение наружных размеров и уменьшение внутренних) детали на 0,004-0,007 мм на сторону, а при охлаждении деталей в воду (режим/0) убыль тела детали на 0,012-0,014 мм на сторону. Для режима В изменение размеров деталей зависит от толщины снятой окалины. Исходная шероховатость поверхности после оксидирования сохраняется. При оксидировании детали следует размещать в печи, контейнере или в приспособлении (из титановых сплавов или нержавеющей стали) так, чтобы избежать деформаций (поводок) от собственной массы детали. Длинные детали и детали ажурной конфигурации следует подвешивать на специальных приспособлениях. При оксидировании и засыпке детали располагаются на расстоянии 20-30 мм друг от друга и от стенок контейнера (ящика) из нержавеющей стали. Верхний слой засыпки над деталью должен быть не менее 80 мм. Песок или графит перед оксидированием необходимо прокаливать при температуре 850° в течение 6-8 ч; зола, образующаяся при прокаливании графита, должна удаляться. После оксидирования деталей с охлаждением в воде рекомендуется дополнительная очистка поверхности металлическими щетками для удаления частиц неотставшей окалины. При обнаружении после оксидирования по режиму 10 недопустимых остаточных деформаций из-за термических напряжений, возникших при охлаждении в воде, детали могут подвергаться дополнительному отжигу при температуре 800° и выдержке 1 ч. Для получения глубоких диффузионных слоев, подвергающихся шли-

фованию, может быть рекомендовано применение режимов высокотемпературного оксидирования (режимы Б, В, Г) с последующим рассасыванием окалины в вакууме или в аргоне при температурах 900-1000° С и выдержках до 10 ч.

Для местного оксидирования трущихся поверхностей (шейки валов и т. п.) могут быть использованы нагревы т. в. ч. и ацети-лено-кислородным окислительным пламенем с помощью специальных горелок. Этими же способами может производиться вторичное оксидирование при ремонте механизмов.

4. Работоспособность различных антифрикционных материалов по оксидированному титану

Сводные результаты проведенных исследований приведены в табл. 58.

Бронза, латунь, стеллит. Литая бронза марки БрОН12-3 и поддающиеся обработке давлением бронзы марок БрОФ6,5-0,15 и БрОФ7-0,2 обладают повышенной по сравнению с БрОФ10-1 плотностью и прочностью, что весьма важно для применения в различных гидравлических устройствах. Их антифрикционные свойства при трении по оксидированному титану аналогичны свойствам рассмотренных ранее литых оловянных бронз. Износостойкость бронзы марки БрОФ6,5-0,15 примерно в 1,5 раза -выше, чем у бронз марок БрОФ10-1 и ОЦ10-2.

Сурьмянистоникелевая бронза марки БрСуН7-2 и кремнисто-фосфористая бронза марки БрКФ4-0,4обладают при трении по стали высокими антифрикционными свойствами. При трении по оксидированному сплаву марки ВТ5 в воде бронза марки БрСуН7-2 обнаруживает высокую износостойкость (в - 3-4 раза более высокую, чем у бронзы марки БрОФ10-1), хорошую прирабатывае-мость и относительно низкие значения коэффициента трения (табл. 58).

Антифрикционные свойства бронзы марки БрКФ4-0,4 характеризуются высокой износостойкостью при нагрузках до 200 кгс/см, после достижения которой интенсивность износа, а также среднее значение коэффициента трения катастрофически возрастают с нагрузкой. Это объясняется возрастанием переноса бронзы на оксидированную поверхность и выкрашиванием пленки низших окислов. При нагрузках 300 кгс/см и выше значения коэффициента трения колеблются в пределах от 0,12 до 0,42, что объясняется явлением схватывания-проскальзывания . Авторы предложили более технологичную и более прочную, чем БрСуН7-2, антифрикционную бронзу марки БрКСуНФ3-6-3-0,5 легированную дополнительно кремнием и фосфором. Ее длительные антифрикционные испытания (табл. 58) при скорости трения 1,1 м/с показали износостойкость в 2-Зраза более высокую, чем у высокооловянных бронз.

1 Авт. свид. № 398667.

а о

8£ хва

Э° 5

3 с a Ю

та Я s

Эй .

s g =

&

2 в aj S Й

>-Э 2 s s 2

Д ij S Д m

aa tn Ё E IS и

CM .-CMCM

oo * s * **

0)CD CM -

о о Tf lO

cm о о oo

- -< CM 00

cm cm

8SS8

-. -.

1Л Ю -

o> о

- CM

S i ° §

a. РЭ

* Ю

CO CO

о to

X CD

о a,

- ti

о о о о

о о о о - со

о to

ю см

СП -

см to о о о

см CD

см о

см to

CD со ->

оо о tc

о - см

I I I

со ю

.co cd о

goo 2со

о to

о о о о см

о* о о о - со

см о

>*

со о о

о со

88*-

2 о о

ю а-

S а:

!