Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
УДК 621.9.047 Химическая и электрохимическая обработка
Статья посвящена исследованию влияния режимных параметров электрохимической размерной обработки на микротвердость титановых сплавов, связь её с газонасыщением поверхностного слоя и изменение по глубине.
МИКРОТВЁРДОСТЬ, ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ГАЗОНАСЫЩЕНИЕ, ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
При производстве изделий авиационной и ракетно-космической техники широкое применение находит электрохимическая размерная обработка деталей, особенно изготовленных из труднообрабатываемых материалов и в частности из титановых сплавов. Из работ [1-3] известно, что проникновение кислорода в поверхностный слой деталей из титановых сплавов, как правило, сопровождается возникновением упрочнения (увеличением его микротвердости по сравнению с исходным состоянием сплава). В связи с этим создаются предпосылки для предположения, что оксидирование поверхностного слоя, сопутствующее электрохимической размерной обработке титановых сплавов [4-6], и приводит к повышению его микротвердости. Упрочнение же поверхностных слоев на финишных операциях технологического процесса изготовления титановых деталей ведет к повышению их эксплуатационных характеристик [7].
Задачами исследования являлось установление влияния режимных параметров электрохимической размерной обработки на микротвердость, связь ее с газонасыщением поверхностного слоя и изменение по глубине.
2 Материалы и методы
Исследование микротвердости поверхности после электрохимической обработки проводилось по следующей методике.
Цилиндрические образцы из титановых сплавов ВТ 9, ВТ 20 и ОТ 4-2 по ГОСТ 19807-91 диаметром 25-40 мм и высотой 15 мм обрабатывались в специальной электрохимической ячейке на станке мод. СЭХО-901. Согласно рекомендациям [8, 9] цилиндрический электрод-инструмент выполнялся из латуни ЛС 59-1 с высотой микронеровностей рабочей поверхности Ra = 0,63 мкм. В качестве источника тока использовался трехфазный однополупериодный выпрямитель ВАКГ-6/12 с системой, позволяющей поддерживать постоянными напряжение и плотность тока. Межэлектродный зазор для электрохимической обработки устанавливался посредством индикатора с ценой деления 0,01 мм.
Процентное содержание газов (водорода и кислорода) в поверхностном слое определялось спектральным методом [10] на спектрографе ИСП 67. Расшифровка полученного спектра проводилась на микроскопе МИР-12 с использованием спектральных таблиц. Величина газонасыщения определялась фотометрированием по интенсивности почернения пленки на микрофотометре МФ 4 с шириной щели 0,2-0,3 мм при использовании 4 эталонов для построения градуированного графика.
Для определения кислорода использовалась вакуум-камера с вакуум-насосом ВН 461М, которая позволяла проводить исследования при давлении 1,33 Па. Перед проведением экспериментов вакуум-камера продувалась аргоном.
Для определения газонасыщения и микротвердости по глубине на обрабатываемых образцах выполнялись двусторонние косые срезы. Для анализов и измерений на поверхности в центральной части образцов оставлялась полоса шириной 10 мм. Подготовка косых срезов осуществлялась в специальном приспособлении напильниками с бархатной насечкой, снимающими очень небольшой слой металла толщиной 0,025-0,05 мм и дающими высокую точность обработки в пределах 0,01-0,005 мм. Режим обработки образцов обеспечивал сохранение низкой температуры в зоне резания, не приводящей к изменениям в поверхностном слое.
Микротвердость определялась с помощью микротвердомера ПМТ-3М1 согласно инструкциям ГОСТа 9450-76 и рекомендациям [11].
Исходное состояние образцов:
– содержание водорода Н, % – 0,005;
– содержание кислорода О, % – 0,08;
– микротвердость поверхностного слоя НМ, Н/ мм2 – 2900.
Анодное растворение осуществлялось в водных растворах электролитов двух составов (состав I – при соотношении компонентов NaCl:NH4NO3 = 3:2, состав II – при соотношении компонентов NaCl:KBr = 1:1) при 5 %, 10 %, 15 %, 20 % и 25 % концентрации (К).
Оптимальные режимы электрохимической размерной обработки выбирались в соответствии с рекомендациями работ [8, 9, 12-14].
3 Результаты исследований
Для определения влияния состава и концентрации электролита при анодном растворении титановых сплавов на микротвердость поверхностей был выполнен комплекс экспериментальных исследований Зависимости микротвердости поверхности Нм от концентрации электролита на двух исследуемых составах представлены на рис. 1.
Из графиков видно, что при повышении концентрации электролита наблюдается тенденция к снижению микротвердости поверхности, что вполне согласуется с данными по газонасыщению. Микротвердость обработанной поверхности при обработке в электролите состава I явно выше, чем в электролите состава II. Полученные результаты подтверждают, что при применении электролита состава I происходит большее проникновение кислорода в поверхностный слой.
Совместные исследования влияния плотности тока на микротвердость и газонасыщение позволили установить связь характеристик поверхностного слоя (рис. 2). Анализ графических зависимостей показывает, что с возрастанием плотности тока уменьшается микротвердость, наводораживание и оксидирование. Кривые микротвердости и оксидирования практически эквидистантны, а кривая наводораживания проходит значительно круче.
1. Sieniawski J. Titanium Alloys Advances in Properties Control / J. Sieniawski, W. Ziaja. Intech. 2013. 155 p.
2. Производство и применение редких и редкоземельных металлов / Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 24-2020. М.: Бюро НДТ, 2020. С. 99-108.
3. Froes F. Titanium for Consumer Application: Real-World Use of Titanium / F. Froes, M. Qian, M. Niinomi. Elsevier, 2019. 356 p.
4. Qu Ningsong. Wire electrochemical machining with axial electrolyte flushing for titanium alloys / Ningsong Qu, Xiaolong Fang, Wei Li, Yongbin Zeng, Di Shu // Chinese Journal of Aero-nautics. 2013. Volume 26. Issue 1. P. 224-229.
5. Давыдов А.Д. Электрохимическая размерная обработка титана / А.Д. Давыдов, Т.Б. Кабанова, В.М. Волгин // Электрохимия, 2017, № 9, с. 1056-1082.
6. Смоленцев Е.В. Электрохимическая обработка титановых сплавов проволокой с осевой подачей электролита // Е.В. Смоленцев, В.Г. Грицюк, О.Г. Шипилова, Д.Е. Крохин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. № 6. С. 146-151.
7. Безъязычный В.Ф. Обеспечение показателей качества поверхностного слоя деталей ГТД на эксплуатационные свойства / В.Ф. Безъязычный. Рыбинск: ОАО «НПО «Сатурн»», 2004. 314 с.
8. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 2 / В.Н. Андреев, А.Н. Афонин, В.Ф. Безъязычный и др.: под ред. А.С. Васильева, А.А. Кутина. М.: Инновационное машиностро-ение. 2018. 818 с.
9. Справочник технолога / А.Г. Суслов, В.Ф. Безъязычный, Б.М. Базров и др.: под общ. ред. А.Г. Суслова. М.: Инновационное машиностроение. 2019. 800 с.
10. Борисова О.М. Химические, физико-химические и физические методы анализа / О.М. Борисова, В.Д. Сальников. М.: Металлургия, 1991. 268 с.
11. Теплоухов А.А., Измерение микротвердости поверхностных слоев материалов / А.А. Теплоухов. Омск: Изд-во ОмГТУ. 2017. 35 с.
12. El-Taweel T.A. Performance analysis of wire electrochemical turning process - RSM ap-proach / T.A. El-Taweel, S.A. Glouda // Int. J/ Adv. Manuf. Technol. 2011. P. 181-190.
13. Dikova T. Surface morphologie of pure titanium after anodization / T. Dikova // Ma-chines, technologies, materials. 2014. №12. P. 3-7.
14. Park H. Characterization of highly ordered TiO2 nanotube arrays obtained by anodic oxi-dation / Н. Park, H.-G. Kim, W.-Y. Choi // Transactions on electrical and electronical materials. 2010. Volume 11. № 3. P. 112-115.
