Диссертация (Влияние химического состава и структуры на обрабатываемость резанием титановых сплавов ВСТ2К и ВТ6), страница 11

Управляятехнологическими параметрами процесса, такими как температура, давление газаи состав газовой смеси можно изменять состав, структуру, свойства ипротяжённость поверхностных слоев.В работах [99-101] было изучено влияние температуры, времени выдержкии состава газовой среды при вакуумном ионно-плазменном азотировании (ВИПА)на параметры азотированного слоя. Исследования проводили на титановыхсплавах разных классов (ВТ1-0, ВТ20, ВТ6 и др.). Параметрами оценки служили  ‐ 78  качество поверхности образцов, глубина диффузионной зоны, твёрдость ифазовый состав поверхностных слоев.В работе [98, 100] исследовалось влияние температуры на процесс ионновакуумного азотирования на образцах из сплава ВТ20.

Ионное азотированиепроводилось при температурах 550С, 600С; 700С в течении 30 минут. Составгазовой среды был: 84% аргон и 16% азота.Из данных исследований (табл. 1.13) видно, что на поверхности всехобразцов формируется плёнка, состоящая из нитридов титана. С повышениемтемпературы с 550С до 700С при одинаковом времени выдержки происходитвозрастание глубины модифицированного слоя с 10 до 200 мкм и упрочнениеповерхности.

В тоже время, при температурах выше 600С наблюдаетсязначительноеухудшениекачестваповерхностипоявляютсяпорыиувеличивается ее шероховатость. Данные факты могут привести к её локальномупродавливанию и ухудшению износостойкости при работе азотированныхдеталей в условиях трения. Таким образом, оптимальной температурой ионновакуумного азотирования была принята температура 550С [98, 100].В работе [100, 101] проводится оценка влияния продолжительностивакуумного ионно-плазменного азотирования при оптимальной температуре(550C) на формирование модифицированной поверхности.

Установлено, что наповерхностиобразцовобразуетсяплотнаябеспористаяпленка,причемувеличение времени выдержки с 30 до 60 минут не приводит к заметномуухудшению состояния поверхности (табл. 1.14).Показано, что время азотирования оказывает существенное влияние натолщину диффузионного слоя. Авторы работы [101] отмечают, что дальнейшееувеличение времени обработки до 90 минут не вызывает роста азотированногослоя, но приводит к возрастанию микротвердости вследствие увеличенияколичества нитридов на поверхности. Так же на поверхности нитридной пленкеприсутствуют отдельных мелких пор. ‐ 799 ТТаблица 1.13  Влияние теммпературы вакууммного ионнно-плазмменногоазотиррования в течении 30 минутт на парамметры повверхностии образцоов из ВТ20[15]ИсходноеИВИИПАВИППАВИПАсоостояниепри 550Спри 6000Сприп 700СС++Ti2N+TiN+Ti2N++TiN+Ti 2N+TiiN0,02-0,0300,022-0,030,02-00,030,07-0,011105012034046046400700ПооверхностьФазовыййсоставШерроховатость,(Ra), мкммГлубинадифффузионннойззоны, мкммHV0,05 ‐ 800 ТТаблица 1.14  Влияние вреемени выыдержки вакуумногвго ионно--плазменнногоазотиррования прип 550СС на парамметры повверхностии образцоов из сплаава ВТ20ВИПААВИППАВИПАВв течение 455 минв течениее 60 минв теченние 90 миин(()Ti2N++(TiN)Ti 2N+TTiN+(TiN))Ti2N+TiN0,02-0,0030,02--0,030,002-0,032026264905220580ПооверхностьФазовыййсоставШеероховатоость, (Ra), мкммГлубинадифффузионннойззоны, мкммHV0,05ТТаким оббразом, пооказано, ччто оптиммальным временемм выдержжки при 55500Сявляеттся 60 минут,мтакткак оно привводит к росту дидиффузионнной зонны иувеличчению миикротверддости без заметногго ухудшеения качеества повеерхности.В работе [100, 1001] проведдены иссследованиия по влииянию состава газзовойсмеси,, состоящщей из арргона и аззота, на эффективэвность наасыщенияя поверхнностититаноового спллава ВТ200 азотом при обрааботке по оптималльному реежиму: 55500С,60 миннут.

Резулльтаты иссследованний предсставлены в таблицее 1.15. ‐ 81  Таблица 1.15  Влияние состава газовой смеси на характеристикимодифицированного слоя в процессе вакуумного ионно-плазменногоазотирования при 550С в течение 30 минутГлубинаСоставФазовый составгазовой смесиповерхностных слоев10%N2+90%Ar+Ti2N1843016%N2+84%ArTi2N+TiN5064025%N2+75%ArTi2N+TiN40780диффузионнойHV0,05зоны, мкмДанные работы свидетельствуют о том, что при азотировании в смесигазов, состоящей из 10% N2 и 90% Ar градиент активного газа (азота)сравнительно небольшой, что приводит к низкой интенсивности насыщения имповерхности.Повышениесодержанияазотадо16%ускоряетпроцессформирования диффузионной зоны.

Дальнейший рост концентрации азота внасыщающей смеси приводит к снижению протяженности азотированного слоя иформированию большого количества нитридов на поверхности (табл. 1.15). Этоговорит о том, что при таком составе газовой смеси скорость подвода азота кповерхности превышает скорость его диффузии вглубь металла [100]. Врезультате азот скапливается в приповерхностных слоях и образует нитриды,скорость диффузии в которых ниже, чем в - и -фазах титана [101].Поэтому,оптимальнымсоставомгазовойсмесидляполученияпротяженного модифицированного слоя следует считать 16%N2+84%Ar [100]. ‐ 82  1.5 Заключение по литературному обзору и постановка задач исследований Анализ литературных данных показал, что благодаря уникальномусочетанию физико-механических и технологических свойств титановый сплавВТ6 (Ti-6Al-4V) является одним из наиболее часто используемых материалов дляизготовленияизделийответственноговысоконагруженных медицинскихназначения,вчастности,имплантатов.

Преимуществом титановыхсплавов перед другими металлическими материалами, применяемыми дляизготовления компонентов эндопротезов крупных суставов – нержавеющимисталями и кобальт-хромовыми сплавами, является лучшая биологическаясовместимость, более высокая удельная прочность и коррозионная стойкость вбиологической среде. Однако производство изделий из титана от выплавкислитков и получения деформированных полуфабрикатов до готовой продукцииявляется энергозатратным и дорогостоящим процессом.

Поэтому, несмотря напреимущества титана по биологической совместимости, удельной прочности икоррозионной стойкости в биологической среде, зачастую использованиенержавеющей стали для изготовления имплантируемых медицинских изделийэкономически предпочтительнее.Перспективным способом снижения стоимости титановой продукцииявляется вовлечение в производство вторичных отходов, что позволяет удешевитьвторичные сплавы на 30% и более при сохранении основных конструкционныхсвойств, присущих титановым сплавам.

Такой сплав, впоследствии названныйВСТ2К, был создан в ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА (патент РФ№2425164).Однако, вследствие непредсказуемого сочетания отходов, имеющихся вналичии на момент плавки, трудно получить составы слитков с точнорегламентированными структурой и свойствами. Это может приводить кбольшому разбросу механических и технологических свойств полуфабрикатов,изготовленных из разных плавок. Поэтому разработка технологии обработки ‐ 83  полуфабрикатов из сплава ВСТ2К, полученных из слитков с разным химическимсоставом,обеспечивающейформированиеоднотипнойструктурыи,соответственно, стабильного уровня свойств, является актуальной задачей.Известно, что титановые сплавы трудно обрабатываются резанием.Применение фасонного литья для изготовления деталей из титановых сплавовзачастуюнеприемлемовследствиеформированиякрупнопластинчатойструктуры, в несколько раз снижающей ресурс их работы при знакопеременныхнагрузках.

А применение изотермической штамповки целесообразно только примассовом производстве.Существуюттриосновныхнаправленияснижениятрудоемкостимеханической обработки титановых сплавов. Металлургическое направлениесостоит в получении металлургическими способами заготовок, требующихминимальной механической обработки. Механическое направление заключается вразработкеоптимальныхрежимоврезания,применениирациональныхтехнологических сред, усовершенствовании геометрии заточки инструментов,создании новых инструментальных материалов и нового металлорежущегооборудования и т.п.

Металловедческое направление включает в себя разработкуновых титановых сплавов с улучшенной обрабатываемостью резанием, получениефазового состава, типа и параметров структуры, обеспечивающих лучшиеусловия резания, обратимое легирование водородом и пр.Создание специальных сплавов с улучшенной обрабатываемостью резаниемне позволяет полностью решить проблему, т.к. эти сплавы не всегда могутобеспечить требуемый комплекс свойств.На обрабатываемость резанием влияют не только режимы обработки иматериал режущего инструмента, но и химический состав сплава и егоструктурное состояние.Однако данный аспект проблемы практически не изучен. Поэтомуисследование влияния химического состава и структуры (α+β)-сплавов на‐ 84  термосиловые параметры резания и качество обрабатываемой поверхностиявляется актуальной задачей.Цель настоящей работы состояла в установлении влияния химическогосостава и структуры сплавов ВСТ2К и ВТ6 на комплекс механических свойств итермосиловые параметры резания и разработке на этой основе технологий ихобработки, обеспечивающих регламентированной уровень физико-механическихсвойств.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:1.

Установить влияние химического состава, температуры нагрева искорости охлаждения на формирование структуры и свойства горячекатаных плитиз сплава ВСТ2К.2.Разработатьрежимытермическойобработки,обеспечивающиеформирование регламентированной структуры и уровень свойств в горячекатаныхполуфабрикатах из сплава ВСТ2К.3. Провести сравнительную оценку коррозионной стойкости сплавовВСТ2К, ВТ6, медицинской стали и кобальт-хром-молибденового сплава.4.