RU2503741C1 - Method of titanium surface modification - Google Patents
Method of titanium surface modification Download PDFInfo
- Publication number
- RU2503741C1 RU2503741C1 RU2012152580/02A RU2012152580A RU2503741C1 RU 2503741 C1 RU2503741 C1 RU 2503741C1 RU 2012152580/02 A RU2012152580/02 A RU 2012152580/02A RU 2012152580 A RU2012152580 A RU 2012152580A RU 2503741 C1 RU2503741 C1 RU 2503741C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- samples
- heating
- friction
- oxidation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к механико-термической обработке металлов, и может быть использовано в машиностроительной, авиационной и других областях промышленности, а также в медицинской технике.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the mechanical-thermal processing of metals, and can be used in engineering, aviation and other industries, as well as in medical equipment.
Титан характеризуется весьма низкой износостойкостью и повышенным коэффициентом трения в паре со многими металлическими материалами, что сдерживает применение в узлах трения этого весьма ценного по комплексу механических, коррозионных и медико-биологических свойств конструкционного материала. Для повышения трибологических свойств титана применяют различные способы химико-термической обработки - азотирование, оксидирование, йодирование и другие.Titanium is characterized by very low wear resistance and an increased coefficient of friction paired with many metal materials, which hinders the use of this structural material, which is very valuable in terms of the complex of mechanical, corrosion, and biomedical properties, in friction units. To increase the tribological properties of titanium, various methods of chemical-thermal treatment are used - nitriding, oxidation, iodization, and others.
Наиболее распространенным и эффективным из данных способов является оксидирование.The most common and effective of these methods is oxidation.
Известны способы повышения износостойкости титана и его сплавов с помощью оксидирования: [1. Клабуков А.Г., Зуев A.M. Повышение износостойкости титановых сплавов оксидированием // Известия вузов. Машиностроение. 1974. №3. С.120-124. 2. D. Siva Rama Krishna, Y.L. Brama, Y. Sun. Thick mtile layer on titanium for tribological applications //Tribology International. 2007. V.40. P.329-334].Known methods for increasing the wear resistance of titanium and its alloys using oxidation: [1. Klabukov A.G., Zuev A.M. Improving the wear resistance of titanium alloys by oxidation // News of universities. Engineering. 1974. No. 3. S.120-124. 2. D. Siva Rama Krishna, Y.L. Brama, Y. Sun. Thick mtile layer on titanium for tribological applications // Tribology International. 2007. V.40. P.329-334].
Оксидирование осуществляется посредством нагрева изделий из титана и его сплавов в воздушной (кислородсодержащей) среде до температур 600-850°C, изотермической выдержки в течение 1-10 часов и последующего охлаждения до комнатной температуры. Формирующийся при этом диффузионный слой имеет толщину 10-50 мкм и обычно состоит из трех зон. Наружная зона представляет собой TiO2 - рутил, в средней зоне присутствует фаза типа TiO и далее расположена третья зона - твердый раствор кислорода в α-титане. [D. Siva Rama Krishna, Y.L. Brama, Y. Sun. Thick rutile layer on titanium for tribological applications //Tribology International. 2007. V.40. P.329-334]Oxidation is carried out by heating products from titanium and its alloys in air (oxygen-containing) medium to temperatures of 600-850 ° C, isothermal exposure for 1-10 hours and subsequent cooling to room temperature. The diffusion layer formed in this case has a thickness of 10-50 μm and usually consists of three zones. The outer zone is TiO 2 - rutile, in the middle zone there is a phase of the TiO type and then the third zone is located - a solid solution of oxygen in α-titanium. [D. Siva Rama Krishna, YL Brama, Y. Sun. Thick rutile layer on titanium for tribological applications // Tribology International. 2007. V.40. P.329-334]
Традиционное оксидирование имеет ряд существенных недостатков. Высокопрочная пленка окисла TiO2 (микротвердость около 10 ГПа) характеризуется значительной хрупкостью и склонностью к отслаиванию, что обусловливает снижение усталостной прочности оксидированных изделий. Повышенная хрупкость пленки рутила в общем случае объясняется наличием в ней высоких растягивающих напряжений вблизи границы раздела пленка - металл, которые существенно возрастают с увеличением толщины пленки. Возникновение данных напряжений связано с большим различием в удельных объемах, параметрах кристаллических решеток, коэффициентах термического расширения и прочностных свойствах окисла TiO2 и α-титана.Conventional oxidation has a number of significant disadvantages. A high-strength film of TiO 2 oxide (microhardness of about 10 GPa) is characterized by significant fragility and a tendency to peeling, which leads to a decrease in the fatigue strength of oxidized products. The increased brittleness of the rutile film in the general case is explained by the presence of high tensile stresses in it near the film – metal interface, which increase significantly with increasing film thickness. The occurrence of these stresses is associated with a large difference in specific volumes, crystal lattice parameters, thermal expansion coefficients, and strength properties of TiO 2 oxide and α-titanium.
Повышенные температуры нагрева, используемые при традиционном оксидировании, обусловливают снижение прочности титана отрицательно сказывается на его технологических свойствах - увеличивают возможность коробления изделий из данного материала, способствуют увеличению количества образующейся окалины. Повышение качества оксидированного слоя, включая его прочность и износостойкость, может быть достигнуто за счет снижения температуры оксидирования, однако при этом возрастает длительность оксидирования, уменьшается толщина упрочненного слоя.The elevated heating temperatures used in traditional oxidation cause a decrease in the strength of titanium adversely affects its technological properties - increase the possibility of warpage of products from this material, contribute to an increase in the amount of scale formed. Improving the quality of the oxidized layer, including its strength and wear resistance, can be achieved by lowering the temperature of oxidation, however, this increases the duration of oxidation, decreases the thickness of the hardened layer.
Известен также способ низкотемпературного (400°C, длительность - 50 часов) оксидирования обеспечивающий повышение износостойкости никелида титана [Yang H., Qian L., Zhou Z., Ju X. and Dong H. Effect of surface treatment by ceramic conversion on the fretting behavior of NiTi shape memory alloy // Tribology Letters. 2007. Vol.25. No. 3. P.215-224]. Способ включает нагрев образцов никелида титана в кислородосодержащей газовой среде до 400°C, выдержку в течение 50 часов и охлаждение с печью до комнатной температуры.There is also known a method of low temperature (400 ° C, duration - 50 hours) oxidation providing increased wear resistance of titanium nickelide [Yang H., Qian L., Zhou Z., Ju X. and Dong H. Effect of surface treatment by ceramic conversion on the fretting behavior of NiTi shape memory alloy // Tribology Letters. 2007. Vol.25. No. 3. P.215-224]. The method includes heating samples of titanium nickelide in an oxygen-containing gas medium to 400 ° C, holding for 50 hours and cooling with an oven to room temperature.
Данный способ обеспечивает получение на поверхности никелида титана сплошной пленки окисла TiO2 (рутила) толщиной 0,5 мкм. Ввиду столь малой толщины формирующейся окисной пленки рассматриваемая пленка обеспечивает повышение сопротивления никелида титана изнашиванию лишь в условиях относительно мягкого вида изнашивания - фреттинга (фреттинг-коррозии). В условиях более жесткого, чем фреттинг, адгезионного вида изнашивания, реализующегося при сухом трении скольжения, рассматриваемая тонкая окисная пленка обладает малой несущей способностью и, не может обеспечить повышения износостойкости титана и его сплавов.This method provides for the production on the surface of titanium nickelide a continuous film of TiO 2 oxide (rutile) with a thickness of 0.5 μm. Due to such a small thickness of the forming oxide film, the considered film provides an increase in the resistance of titanium nickelide to wear only under conditions of a relatively soft type of wear - fretting (fretting corrosion). Under conditions of a stricter adhesion type of wear than fretting, which is realized during dry sliding friction, the thin oxide film under consideration has a low bearing capacity and cannot provide increased wear resistance of titanium and its alloys.
Существенным недостатком рассматриваемого аналога является также большая длительность (более 50 часов) процесса оксидирования, что делает данный способ менее технологичным и более затратным в энергетическом отношении по сравнению с заявляемым.A significant disadvantage of the considered analogue is also the long duration (more than 50 hours) of the oxidation process, which makes this method less technological and more expensive in energy terms compared with the claimed one.
Наиболее близким к заявляемому является способ модификации поверхности титана, направленный на повышение трибологических свойств изделий из титана посредством оксидирования их поверхности [Патент US 6210807 оп. 03.04.2001 г.], включающий нагрев деталей в воздушной среде до температур 500-725°C, изотермическую выдержку при данных температурах в течение 0,5-100,0 часов и охлаждение до комнатной температуры. При этом температура и время оксидирования выбираются такими, чтобы получить в поверхностном слое толщиной 0,2-2,0 мкм смешанную структуру, содержащую не менее 50% по массе оксида титана, со структурой рутила, а ниже данного слоя - упрочненную диффузионную зону толщиной от 5 до 50 мкм, представляющую собой твердый раствор кислорода в титане.Closest to the claimed is a method of modifying the surface of titanium, aimed at improving the tribological properties of titanium products by oxidizing their surface [Patent US 6210807 op. 04/03/2001], including heating parts in air to temperatures of 500-725 ° C, isothermal exposure at these temperatures for 0.5-100.0 hours and cooling to room temperature. In this case, the temperature and time of oxidation are chosen so as to obtain a mixed structure in the surface layer with a thickness of 0.2-2.0 μm containing at least 50% by weight of titanium oxide with a rutile structure, and below this layer, a hardened diffusion zone with a thickness of 5 to 50 μm, which is a solid solution of oxygen in titanium.
Недостатком этого способа является невысокая износостойкость обрабатываемого материала после оксидирования, что в общем случае обусловлено высокой хрупкостью, низким сопротивлением усталостному разрушению и малой толщиной оксидного слоя TiO2 (рутила).The disadvantage of this method is the low wear resistance of the processed material after oxidation, which is generally due to high brittleness, low fatigue resistance and a small thickness of the oxide layer of TiO 2 (rutile).
В основу изобретения положена задача повышения износостойкости титана за счет создания в его поверхностном слое нанокристаллической двухфазной (α-титан+TiO2) структуры.The basis of the invention is the task of increasing the wear resistance of titanium by creating a nanocrystalline two-phase (α-titanium + TiO 2 ) structure in its surface layer.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе модификации поверхности титана оксидированием, включающем нагрев в воздушной среде, изотермическую выдержку и последующее охлаждение образцов на воздухе до комнатной температуры, согласно изобретению перед нагревом осуществляют деформирование поверхности образцов титана в условиях сухого трения скольжения, с использованием цилиндрического индентора, а последующий нагрев деформированных образцов в воздушной среде осуществляют до температуры 450-650°C.The problem is solved in that in the proposed method for modifying the surface of titanium by oxidation, including heating in air, isothermal exposure and subsequent cooling of the samples in air to room temperature, according to the invention, before heating, the surface of titanium samples is deformed under conditions of dry sliding friction using a cylindrical indenter, and subsequent heating of the deformed samples in air is carried out to a temperature of 450-650 ° C.
При этом:Wherein:
- изотермическую выдержку при температуре 450-650°С, проводят в течение 1 часа:- isothermal exposure at a temperature of 450-650 ° C, carried out for 1 hour:
- деформирование поверхности образцов осуществляют индентором из кубического нитрида бора или твердого сплава ВК-8.- deformation of the surface of the samples is carried out by an indenter of cubic boron nitride or carbide VK-8.
В наших исследованиях было впервые показано, что воздействие сухого трения скольжения может приводить к формированию в тонком до (~10 мкм) поверхностном слое практически любых металлов и сплавов нанокристаллического состояния. Это объясняется спецификой напряженного состояния, возникающего в зоне фрикционного контакта твердых тел, а именно, наличием в данной зоне высоких сжимающих и сдвиговых напряжений.In our studies, it was first shown that the effect of dry sliding friction can lead to the formation of almost any metal and alloys of the nanocrystalline state in a thin to (~ 10 μm) surface layer. This is due to the specifics of the stress state arising in the zone of frictional contact of solids, namely, the presence in this zone of high compressive and shear stresses.
Интенсивная пластическая деформация, осуществляемая в условиях сухого трения скольжения, обеспечивает формирование в приповерхностном слое титана нанокристаллической структуры α-фазы с размером кристаллов ≤100 нм (фиг.1-3). Данная структура обладает высокой степенью дефектности, характеризующейся большой протяженностью границ зерен, в которых сосредоточены многочисленные дислокации и дисклинации.Intensive plastic deformation carried out under conditions of dry sliding friction, provides the formation in the surface layer of titanium nanocrystalline structure of the α-phase with a crystal size of ≤100 nm (Fig.1-3). This structure has a high degree of imperfection, characterized by a large extent of grain boundaries, in which numerous dislocations and disclinations are concentrated.
Нагрев образцов титана до относительно невысоких для традиционного оксидирования температур 450-650°С и малой выдержке (1 час) приводит к образованию в нанокристаллическом слое α-фазы кристаллов TiO2 (рутила) размером 10-40 нм в количестве десятков объемных процентов (фиг.4-8). Активное образование нано частиц окисла в данном случае является результатом ускоренной диффузии атомов кислорода вглубь металла го дефектным границам нанокристаллов α-фазы.Heating of titanium samples to relatively low temperatures of 450–650 ° C for traditional oxidation and a short exposure time (1 hour) leads to the formation of 10–40 nm TiO 2 (rutile) crystals in the nanocrystalline layer of the α phase in the amount of tens to 40 nm (Fig. 4-8). The active formation of oxide nanoparticles in this case is the result of accelerated diffusion of oxygen atoms deep into the metal at the defective boundaries of α phase nanocrystals.
Технический результат в предлагаемом способе достигается тем, что в результате интенсивной пластической деформации трением в поверхностном слое толщиной ≤10 мкм образцов титана формируется нанокристаллическая структура α-фазы. Наличие данной структуры активизирует образование окисла TiO2 (рутил) при последующем оксидировании образцов. Интенсивное образование нано частиц окисла при относительно низких температурах и времени выдержки обусловлено ускоренной диффузией атомов кислорода по дефектным границам нанокристаллической α-фазы. В результате этого в поверхностном слое образцов возникает двухфазная (α+TiO2) нанокристаллическая структура, Количество TiO2 в рассматриваемой структуре составляет десятки объемных процентов, размер кристаллов матрицы и окисла TiO2 не превышает 100 нм. Для создания нанокристаллической (α+TiO2) структуры деформирование образцов в условиях трения должно осуществляться при температурах ниже температуры рекристаллизации титана. Микротвердость сформированной (α+TiO2) нанокристаллической структуры лежит в пределах 3000-3500 МПа.The technical result in the proposed method is achieved by the fact that as a result of intense plastic deformation by friction in the surface layer with a thickness of ≤10 μm of titanium samples, a nanocrystalline structure of the α phase is formed. The presence of this structure activates the formation of TiO 2 oxide (rutile) during subsequent oxidation of the samples. The intense formation of oxide nanoparticles at relatively low temperatures and holding times is due to accelerated diffusion of oxygen atoms along the defective boundaries of the nanocrystalline α-phase. This results in a two-phase (α + TiO 2) nanocrystalline structure, number of TiO 2 in the considered structure is tens of percent by volume, the crystal size of the matrix and the oxide TiO 2 is not more than 100 nm in the surface layer of the specimens. To create a nanocrystalline (α + TiO 2 ) structure, the deformation of the samples under friction should be carried out at temperatures below the temperature of titanium recrystallization. The microhardness of the formed (α + TiO 2 ) nanocrystalline structure lies in the range of 3000-3500 MPa.
Наличие данной структуры в поверхностном слое толщиной до 10 мкм титана обеспечивает рост в 2,2-6,5 раза его сопротивления адгезионному и усталостному видам изнашивания при трении в паре со сталью. Это обусловлено повышенной прочностью (микротвердостью) рассматриваемого нанокристаллического слоя, а также его положительным влиянием в качестве переходного слоя на снижение уровня высоких внутренних напряжений, существующих вблизи границы раздела окисел-металл и существенно снижающих сопротивление пленки TiO2 хрупкому разрушению при изнашивании.The presence of this structure in the surface layer with a thickness of up to 10 μm of titanium provides an increase in 2.2-6.5 times its resistance to adhesive and fatigue types of wear during friction paired with steel. This is due to the increased strength (microhardness) of the nanocrystalline layer under consideration, as well as its positive effect as a transition layer on the reduction of high internal stresses existing near the oxide-metal interface and significantly reducing the resistance of the TiO 2 film to brittle fracture upon wear.
На фиг.1 приведена электронная фотография (светлопольное изображение) структуры титана ВТ1-0;Figure 1 shows an electronic photograph (bright field image) of the titanium structure VT1-0;
на фиг.2 - электронная фотография (светлопольное изображение) структуры титана ВТ1-0 после фрикционной обработки (поверхностный слой толщиной 1-5 мкм);figure 2 is an electronic photograph (bright field image) of the titanium structure VT1-0 after friction processing (surface layer with a thickness of 1-5 μm);
на фиг.3 приведено темнопольное изображение в рефлексе (10.0)α структуры титана ВТ1-0 после фрикционной обработки (поверхностный слой толщиной 1-5 мкм);figure 3 shows a dark-field image in the reflection (10.0) of the α structure of titanium VT1-0 after friction treatment (surface layer 1-5 μm thick);
на фиг.4 представлена электронная микрофотография (светлопольное изображение) нанокристаллической структуры поверхностного слоя толщиной 5-10 мкм титана ВТ1-0, подвергнутого, фрикционной обработке и часовому нагреву при 450°C;figure 4 presents an electron micrograph (bright field image) of the nanocrystalline structure of the surface layer with a thickness of 5-10 μm VT1-0 titanium, subjected to friction treatment and clockwise heating at 450 ° C;
на фиг.5 приведены микроэлектронограмма к фиг.1 и схема ее расшифровки;figure 5 shows the microelectron diffraction pattern of figure 1 and a diagram of its interpretation;
на фиг.6 приведено электронно-микроскопическое темнопольное (в рефлексе (111) окисла TiO2) изображение структуры нанокристаллического поверхностного слоя толщиной 5-10 мкм титана ВТ1-0, подвергнутого фрикционной обработке и часовому нагреву при 450°C;Fig.6 shows an electron microscopic dark-field (in the (111) reflection of TiO 2 oxide) image of the structure of a nanocrystalline surface layer with a thickness of 5-10 μm VT1-0 titanium subjected to friction treatment and hourly heating at 450 ° C;
на фиг.7 представлено электронно-микроскопическое светлопольное изображение структуры поверхностного слоя толщиной 5-10 мкм титана ВТ1-0, подвергнутого фрикционной обработке и часовому нагреву при 650°С;figure 7 presents the electron microscopic bright-field image of the structure of the surface layer with a thickness of 5-10 μm titanium VT1-0, subjected to friction processing and hourly heating at 650 ° C;
на фиг.8. представлено электронно-микроскопическое темнопольное (в рефлексе (111) окисла TiO2) изображение структуры поверхностного слоя толщиной 5-10 мкм титана ВТ1-0, подвергнутого фрикционной обработке и часовому нагреву при 650°С.on Fig. An electron microscopic dark-field (in the (111) reflection of TiO 2 oxide) image of the structure of the surface layer with a thickness of 5-10 μm of VT1-0 titanium subjected to friction processing and hourly heating at 650 ° C is presented.
Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.
В качестве материала, оксидированного по предлагаемому способу использовали промышленный титан марки ВТ1-0 в виде листа толщиной 2 мм, находящегося в состоянии поставки и имеющего структуру полиэдрической альфа-фазы (фиг.1). Исследуемые образцы представляли собой пластинки размером 7×7×2 мм. Рабочую поверхность образцов (7×7 мм) подвергали механическому шлифованию до получения 8 класса шероховатости (Ra=0,5 мкм). Часть образцов подвергали деформированию в условиях трения скольжения (возвратно-поступательное движение) в режиме однократного сканирования поверхности образца скользящим цилиндрическим индентором диаметром 7 мм и длиной 5 мм из кубического нитрида бора (или твердого сплава ВК-8). Фрикционное деформирование образцов выполняли без смазки на воздухе при комнатной температуре. Длина рабочего хода индентора составляла 7 мм, нормальная нагрузка - 98 Н, скорость скольжения индентора - 0,014 м/с, поперечное смещение образца за один двойной ход нагружения - 0,12 мм. Общее число двойных ходов (циклов) нагружения образца - 90. Образцы, находящиеся в недеформированном состоянии, и образцы, подвергнутые фрикционному деформированию, нагревали до различных температур в интервале 450-650°С в воздушной среде и после часовой выдержки охлаждали на воздухе. Испытания на износостойкость титановых образцов, оксидированных по известному и предлагаемому способу, выполняли по схеме плоский образец - пластина при возвратно-поступательном движении образца. Испытания проводили на воздухе при комнатной температуре без смазки в условиях реализации адгезионного (в случае нагрева до температур 450-550°C) и усталостного (нагрев при 600 и 650°C) механизмов изнашивания. Образец, совершая возвратно-поступательное движение, скользил своей плоской частью (7×7 мм) по поверхности контртела - пластины из стали 40×13, подвергнутой закалке от 1050°C в масле и отпуску при 200°C - 2 часа (HRC=53). Скорость скольжения составляла 0,07 м/с, нагрузка - 15,7 Н, длина рабочего хода образца - 4 см, путь трения - 8000 см. Температура в поверхностном слое толщиной 0,5 мм не превышала 50°C. Интенсивность изнашивания образца Ih рассчитывали по формуле:As the material oxidized by the proposed method used industrial titanium grade VT1-0 in the form of a sheet with a thickness of 2 mm, which is in the delivery state and having the structure of a polyhedral alpha phase (Fig. 1). The studied samples were plates 7 × 7 × 2 mm in size. The working surface of the samples (7 × 7 mm) was subjected to mechanical grinding to obtain the roughness class 8 (Ra = 0.5 μm). Some of the samples were subjected to deformation under sliding friction (reciprocating motion) in the mode of a single scanning of the surface of the sample with a sliding cylindrical indenter with a diameter of 7 mm and a length of 5 mm made of cubic boron nitride (or VK-8 carbide). Friction deformation of the samples was performed without lubrication in air at room temperature. The length of the indenter stroke was 7 mm, the normal load was 98 N, the indenter sliding speed was 0.014 m / s, and the transverse displacement of the sample in one double loading stroke was 0.12 mm. The total number of double strokes (cycles) of loading the sample is 90. Samples that are in an undeformed state and samples subjected to frictional deformation were heated to various temperatures in the range of 450-650 ° C in air and cooled after exposure to air for one hour. Tests for wear resistance of titanium samples oxidized by the known and proposed method were performed according to the planar sample-plate scheme with reciprocating movement of the sample. The tests were carried out in air at room temperature without lubrication under conditions of the implementation of adhesive (in the case of heating to temperatures of 450-550 ° C) and fatigue (heating at 600 and 650 ° C) wear mechanisms. The sample, making a reciprocating motion, slid its flat part (7 × 7 mm) along the surface of the counterbody — a 40 × 13 steel plate, quenched from 1050 ° C in oil and tempered at 200 ° C for 2 hours (HRC = 53 ) The sliding speed was 0.07 m / s, the load was 15.7 N, the working stroke of the sample was 4 cm, the friction path was 8000 cm. The temperature in the surface layer with a thickness of 0.5 mm did not exceed 50 ° C. The wear rate of the sample Ih was calculated by the formula:
- ΔМ - потери массы образца, г;- ΔM - sample mass loss, g;
- ρ - плотность материала образца, г/см3;- ρ is the density of the sample material, g / cm 3 ;
- S - путь трения, см;- S is the friction path, cm;
q - геометрическая площадь контакта, см2.q is the geometric contact area, cm 2 .
В процессе испытания измеряли силу трения. Коэффициент трения определяли как отношение интегральной силы трения к нормальной нагрузке. Структуру образцов титана исследовали рентгеновским, металлографическим и электронно-микроскопическим (сканирующая и просвечивающая микроскопия) методами анализа. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,2 Н. Микротвердость поверхности изнашивания образцов Нп определяли как среднее арифметическое из 10 параллельных измерений, обеспечивающих получение геометрически правильных отпечатков. Результаты трибологических испытаний образцов титана ВТ1-0 приведены в таблице 1, отражающей влияние режима обработки на интенсивность изнашивания Ih, коэффициент трения f и микротвердость поверхности изнашивания Нп титана ВТ1-0 при трении в паре со сталью 40×13.During the test, the friction force was measured. The friction coefficient was determined as the ratio of the integrated friction force to normal load. The structure of titanium samples was studied by X-ray, metallographic, and electron microscopy (scanning and transmission microscopy) analysis methods. The microhardness was measured on a PMT-3 instrument with a load of 0.2 N. The microhardness of the wear surface of the Нп samples was determined as the arithmetic average of 10 parallel measurements, providing geometrically correct prints. The results of tribological testing of VT1-0 titanium samples are shown in Table 1, which reflects the influence of the treatment regime on the wear rate Ih, the friction coefficient f, and the microhardness of the wear surface Нп of titanium VT1-0 during friction with steel 40 × 13.
Из таблицы 1 следует, что применение интенсивной пластической деформации трением перед оксидированием, осуществляемым при температурах 550 и 600°C в течение 1 часа (3 и 4 режимы обработки - заявляемый способ), обеспечивает существенное снижение интенсивности изнашивания титана по сравнению с известным способом оксидирования (1 и 2 режимы обработки). В условиях развития адгезионного механизма изнашивания, реализующегося у образцов, оксидированных при 550°C (когда толщина пленки TiO2 и, соответственно, ее защитные свойства весьма малы), деформирование трением снижает интенсивность изнашивания титана в 2,2 раза. В случае действия усталостного механизма изнашивания, имеющего место у оксидированных при 600°C образцов, деформирование трением снижает интенсивность изнашивания титана в 6,5 раз. Как следует из таблицы, пластическая деформация приводит к заметному повышению микротвердости поверхности изнашивания титана и практически не оказывает влияния на коэффициент трения пары титан-сталь, значения которого лежат в интервале f=0,45-0,50. Испытания показали, что положительный эффект влияния интенсивной пластической деформации трением на износостойкость титана ВТ1-0 реализуется в интервале температур оксидирования 450-650°C и времени выдержки 1 час.From table 1 it follows that the use of intense plastic deformation by friction before oxidation, carried out at temperatures of 550 and 600 ° C for 1 hour (3 and 4 treatment modes - the claimed method), provides a significant reduction in the wear rate of titanium compared with the known method of oxidation ( 1 and 2 processing modes). Under the conditions of the development of the adhesive wear mechanism, which is realized in samples oxidized at 550 ° C (when the thickness of the TiO 2 film and, accordingly, its protective properties are very small), friction deformation reduces the wear rate of titanium by 2.2 times. In the case of the fatigue wear mechanism that occurs in samples oxidized at 600 ° C, friction deformation reduces the wear rate of titanium by a factor of 6.5. As follows from the table, plastic deformation leads to a noticeable increase in the microhardness of the titanium wear surface and practically does not affect the friction coefficient of the titanium-steel pair, the values of which lie in the range f = 0.45-0.50. Tests have shown that the positive effect of the influence of intense plastic deformation by friction on the wear resistance of VT1-0 titanium is realized in the range of oxidation temperatures of 450-650 ° C and a holding time of 1 hour.
Таким образом, используемая в предлагаемом способе интенсивная пластическая деформация в условиях трения скольжения, приводящая к наноструктурированию поверхностного слоя титана ВТ1-0, обеспечивает при его последующем оксидировании формирование в поверхностном слое (толщиной 1-10 нм) титана износостойкой нанокристаллической двухфазной (α+TiO2) структуры. Положительное влияние рассматриваемой структуры на износостойкость титана объясняется повышенной прочностью (микротвердостью) данной струкутуры, а также ее способностью в качестве относительно пластичного переходного слоя снижать внутренние напряжения на границе раздела пленки TiO2, с основным металлом, что приводит к росту сопротивления хрупкому разрушению данной пленки в условиях изнашивания.Thus, the intensive plastic deformation used in the proposed method under sliding friction conditions, leading to nanostructuring of the VT1-0 titanium surface layer, ensures, upon subsequent oxidation, the formation of a wear-resistant nanocrystalline two-phase (α + TiO 2 ) in the surface layer (1-10 nm thick) of titanium ) structure. The positive influence of the structure under consideration titanium durability explained increased strength (microhardness) given strukutury, as well as its ability to be a relatively ductile transition layer to reduce internal stresses at the boundary of TiO film section 2, with the base metal, which leads to growth resistance to brittle fracture of the film wear conditions.
В связи с тем, что окисел TiO2 образуется при нагреве в широком круге сплавов на основе титана, предлагаемый способ модификации поверхности может быть использован для повышения прочности и износостойкости данных сплавов.Due to the fact that TiO 2 oxide is formed during heating in a wide range of titanium-based alloys, the proposed surface modification method can be used to increase the strength and wear resistance of these alloys.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012152580/02A RU2503741C1 (en) | 2012-12-06 | 2012-12-06 | Method of titanium surface modification |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012152580/02A RU2503741C1 (en) | 2012-12-06 | 2012-12-06 | Method of titanium surface modification |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2503741C1 true RU2503741C1 (en) | 2014-01-10 |
Family
ID=49884707
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012152580/02A RU2503741C1 (en) | 2012-12-06 | 2012-12-06 | Method of titanium surface modification |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2503741C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2611617C1 (en) * | 2015-10-08 | 2017-02-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method of oxide coatings forming on products made from titanium alloys |
| RU2662518C2 (en) * | 2017-01-09 | 2018-07-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Macro-nonuniform structure creation method on the materials surface |
| RU2716926C1 (en) * | 2019-10-28 | 2020-03-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Method for complex strengthening treatment of article from titanium alloy ti-6al-4v produced by additive production method |
| RU2717124C1 (en) * | 2019-11-14 | 2020-03-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Intensification method of low-temperature ion nitriding of items from titanium alloys |
| RU2738307C1 (en) * | 2020-05-12 | 2020-12-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | Method for producing thromboresistant medical products |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU396449A1 (en) * | 1971-06-02 | 1973-08-29 | METHOD OF CHEMICAL-TERM TREATMENT OF PRODUCTS FROM TITANIUM ALLOYS | |
| US5844225A (en) * | 1990-09-27 | 1998-12-01 | Monsanto Company | Abrasion wear resistant coated substrate product |
| US6210807B1 (en) * | 1996-07-17 | 2001-04-03 | The University Of Birmingham | Surface oxidation of a titanium or titanium alloy article |
| RU2346080C2 (en) * | 2007-01-25 | 2009-02-10 | Открытое Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" | Modification method of products surface made of titanium alloy |
-
2012
- 2012-12-06 RU RU2012152580/02A patent/RU2503741C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU396449A1 (en) * | 1971-06-02 | 1973-08-29 | METHOD OF CHEMICAL-TERM TREATMENT OF PRODUCTS FROM TITANIUM ALLOYS | |
| US5844225A (en) * | 1990-09-27 | 1998-12-01 | Monsanto Company | Abrasion wear resistant coated substrate product |
| US6210807B1 (en) * | 1996-07-17 | 2001-04-03 | The University Of Birmingham | Surface oxidation of a titanium or titanium alloy article |
| RU2346080C2 (en) * | 2007-01-25 | 2009-02-10 | Открытое Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" | Modification method of products surface made of titanium alloy |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2611617C1 (en) * | 2015-10-08 | 2017-02-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method of oxide coatings forming on products made from titanium alloys |
| RU2662518C2 (en) * | 2017-01-09 | 2018-07-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Macro-nonuniform structure creation method on the materials surface |
| RU2716926C1 (en) * | 2019-10-28 | 2020-03-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Method for complex strengthening treatment of article from titanium alloy ti-6al-4v produced by additive production method |
| RU2717124C1 (en) * | 2019-11-14 | 2020-03-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Intensification method of low-temperature ion nitriding of items from titanium alloys |
| RU2738307C1 (en) * | 2020-05-12 | 2020-12-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | Method for producing thromboresistant medical products |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2503741C1 (en) | Method of titanium surface modification | |
| Yan et al. | Fatigue strength improvement of selective laser melted Ti6Al4V using ultrasonic surface mechanical attrition | |
| Santhosh et al. | Studies on single and duplex aging of metastable beta titanium alloy Ti–15V–3Cr–3Al–3Sn | |
| Rai et al. | Effect of ultrasonic shot peening on microstructure and mechanical properties of high-nitrogen austenitic stainless steel | |
| Deng et al. | Effect of high pressure torsion process on the microhardness, microstructure and tribological property of Ti6Al4V alloy | |
| Wen et al. | Tribological behaviour of pure Ti with a nanocrystalline surface layer under different loads | |
| Ye et al. | Effect of electropulsing-assisted ultrasonic nanocrystalline surface modification on the surface mechanical properties and microstructure of Ti-6Al-4V alloy | |
| Ebrahimi et al. | Effect of thermal oxidation process on fatigue behavior of Ti-4Al-2V alloy | |
| Padap et al. | Mechanical and dry sliding wear behavior of ultrafine-grained AISI 1024 steel processed using multiaxial forging | |
| Korshunov et al. | Effect of severe plastic deformation on the microstructure and tribological properties of a babbit B83 | |
| Kikuchi et al. | Combined effects of low temperature nitriding and cold rolling on fatigue properties of commercially pure titanium | |
| Zhilyaev et al. | Effect of annealing on wear resistance and electroconductivity of copper processed by high-pressure torsion | |
| Wang et al. | Effect of surface nanocrystallization on fatigue behavior of pure titanium | |
| Jafarlou et al. | Evaluation of the mechanical properties of AA 6063 processed by severe plastic deformation | |
| Akita et al. | Fatigue behavior of bulk β-type titanium alloy Ti–15Mo–5Zr–3Al annealed in high temperature nitrogen gas | |
| Mobarakeh et al. | Nanocomposite AlCoCrFeNi2. 1 high-entropy alloy produced by FSP | |
| Lindemann et al. | Influence of mechanical surface treatments on the HCF performance of the Ni-superalloy Udimet 720 LI | |
| Omidbakhsh et al. | Effect of oxygen boost diffusion treatment on fatigue behavior of Ti–4Al–2V alloy | |
| Jeong et al. | Effect of stabilization annealing on SCC susceptibility of β-annealed Ti-6Al-4V alloy in 0.6 M NaCl solution | |
| Dong et al. | Effect of Ti addition on high-temperature properties of AlCoCrFeNi2. 1 coating prepared on Ti-6Al-4V alloy | |
| Topolski et al. | High-strength ultrafine-grained titanium 99.99 manufactured by large strain plastic working | |
| Sadeler et al. | The fretting fatigue of commercial hard anodized aluminum alloy | |
| Zhao et al. | Effect of gradient nanostructures on tribological properties of 316L stainless steel with high energy ion implantation tungsten carbide | |
| Mao et al. | Effect of annealing temperature on surface gradient fine microstructure and wear resistance of low-carbon steel | |
| Esgin et al. | An investigation of wear behaviors of different Monel alloys produced by powder metallurgy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151207 |