Способ оксидирования титанового сплава для антифрикционной наплавки

Изобретение относится к сварочным материалам для специальных наплавок при изготовлении изделий из титановых сплавов. Способ включает микродуговое оксидирование МДО в электролите под напряжением, при этом в качестве электролита используют раствор фосфатов или силикатов, а процесс МДО ведут в два этапа, при этом на первом этапе МДО ведут при напряжении от 200 до 250 В в течение 15-20 мин, на втором этапе в электролит добавляют высокодисперсный порошок TiO₂ размером гранул 1,0-3,0 мкм до концентрации 250-300 г/л и МДО ведут при напряжении 400-450 В в течение 15-20 мин. Техническим результатом изобретения является разработка способа МДО титанового сплава для антифрикционных наплавок, позволяющего получать окисную пленку на поверхности титановой проволоки толщиной 200-250 мкм и обеспечить необходимую твердость наплавленного металла. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к оксидированию материалов методом электрохимической обработки и может быть применено для оксидирования сварочной проволоки из титанового сплава, применяемой при изготовлении изделий судовой арматуры и механизмов, изделий химического машиностроения и др.

Известна сварочная проволока из титанового сплава марки ПТ-7М по ГОСТ 27265-87. которая применяется как наплавочный материал для упрочнения трущихся поверхностей после предварительного термического оксидирования в открытой воздушной среде при температуре 750-800°С. Такая обработка приводит к образованию на поверхности проволоки окисной пленки, кислород которой является легирующим элементом при наплавке, повышая тем самым сопротивление износу поверхности изделия.

Однако операция оксидирования в воздушной среде приводит одновременно к совершенно нежелательному наводороживанию сварочной проволоки.

Содержание водорода в проволоке возрастает с 0,002% до 0,015-0,020%, что совершенно недопустимо при наплавочных работах на поверхности титановых сплавов.

В связи с этим после оксидирования проволока подвергается дегазации для удаления водорода в вакуумных печах при температуре 750-900°С в течение 5-10 час. Необходимо отметить, что по этой технологии в настоящее время приготавливается практически весь наплавочный материал.

Недостатки указанного метода приготовления сварочной проволоки для наплавки не ограничены только отмеченными технологическими особенностями, приводящими к большой трудоемкости подготовки проволоки. Большим недостатком наплавок, выполненных термически оксидированной сварочной проволокой, является разброс по твердости наплавленного слоя, что связано с неравномерным распределением кислорода. Значения твердости по объему наплавленного слоя колеблются в пределах 270-500 кгс/мм² (оптимальный диапазон 350-430 кгс/мм²). Такие колебания твердости, а следовательно, нестабильность показателей антифрикционных свойств наплавленного слоя приводят к вынужденному ограничению ресурсных характеристик изделий, работающих в условиях циклических нагрузок (арматура, судовые механизмы).

В связи с отмеченным в настоящем изобретении предлагается заменить термическое оксидирование сварочной проволоки для наплавки на метод микродугового оксидирования, который в большой степени свободен от указанных выше недостатков термического оксидирования. Температурный режим этого вида оксидирования находится в пределах 25-40°С.

Наиболее близким техническим решением и принятым нами за прототип является «Метод микродугового оксидирования (МДО) титановых сплавов с целью коррозионной защиты других материалов при контакте с титаном в морской воде, включающий электролитический процесс, протекающий при напряжении 315-330 В в растворе тринатрийфосфата с концентрацией 11,5-14,0 г/л при температуре раствора 25-30°С в течение 7-15 мин, предложенный Дальневосточным отделением АН СССР (авторское свидетельство №1156410 от 05.11.83 г.).

Недостатком данного метода является то, что применение метода МДО как средства коррозионной защиты предусматривает нанесение на титан сравнительно тонких окисных пленок - 5-10 мкм.

Для сварочной проволоки, как материала для антифрикционных наплавок, требуется существенно большая толщина окисной пленки, как носителя кислорода (200-250 мкм), обеспечивающая твердость наплавленного металла HV на уровне 350-430 кгс/см².

Техническим результатом изобретения является разработка способа микродугового оксидирования титанового сплава для антифрикционных наплавок, позволяющего получать окисную пленку на поверхности титановой проволоки толщиной 200-250 мкм и обеспечить необходимую твердость наплавленного металла.

Технический результат достигается за счет того, что обработку проволоки при микродуговом оксидировании проводят в два этапа.

Первый - для формирования тонкого слоя (5 мкм) хорошо связанного с металлической поверхностью проволоки, выполняют в ваннах растворов фосфатов или силикатов при концентрации электролита 11-13 г/л при напряжении от 200 до 250 В в течение 15-20 мин.

Второй - для формирования основного кислородонесущего слоя (200-250 мкм) не осыпающегося с проволоки до самого момента ее плавления при наплавке. Выполняют в ваннах растворов фосфатов или силикатов, содержащих до 300 г/л высокодисперсного порошка ТiO₂ размером гранул 1,0-3,0 мкм, при напряжении 400-450 В, в течение 15-20 мин, что позволяет повысить толщину окисной пленки и содержание кислорода в ней до требуемых значений.

Проведение первого этапа МДО необходимо для создания первого слоя окисной пленки, который выполняет роль переходного слоя от поверхности титановой проволоки к основному (кислородонесущему) слою. Первый слой толщиной 5-10 мкм обладает хорошим сцеплением с поверхностью титановой проволоки и позволяет основному кислородонесущему слою не осыпаться с поверхности титановой проволоки до ее плавления в процессе наплавки.

Добавление в электролит высокодисперсного порошка ТiO₂ на втором этапе необходимо для повышения содержания кислорода в наплавочном материале (проволоке) до 0,8-1,0%, чтобы обеспечить твердость наплавленного металла на уровне 370-430 кг/см².

Пример конкретного выполнения.

В лабораторных условиях была взята сварочная проволока из титанового сплава ПТ-7М по ГОСТ 27265-87 (Ti - основа, Al - 2%, Zr - 2,5%) и приготовлены электролиты с концентрацией фосфатов и силикатов 11 и 13 г/л. После чего был проведен 1 этап нанесения покрытий при напряжении 200 и 250 В в течение 15 и 20 мин, при этом получена толщина окисной пленки 5 и 10 мкм соответственно.

Затем в электролит добавили высокодисперсный порошок ТiO₂ с размером гранул 1,0 - 3,0 мкм до концентрации 300 г/л и был проведен 2 этап нанесения покрытий при напряжении 400 и 450 В в течение 15 и 20 мин, при этом получена толщина окисной пленки 200 и 250 мкм соответственно.

В таблице 1 приведены параметры предлагаемого и известного способов.

Важным фактором, что было отмечено при исследовании наплавки, выполненной проволокой с МДО, явилось практически полное отсутствие пор в наплавке. Это очень важно, так как пористость в наплавке крайне отрицательно влияет на работоспособность наплавки и ее устранение требует очень трудоемких ремонтных работ (что характерно для наплавочных материалов, полученных путем термического окисления титановой проволоки).

Режимы МДО оценивались замерами твердости наплавленного металла. Приведенный режим обеспечивает стабильный диапазон

распределения твердости в наплавке в пределах 350-430 кгс/мм². Содержание водорода в наплавке находится в норме и не превышает 0,003% (что очень важно, так как не требует выполнения дегазации проволоки перед наплавкой как при термическом окислении).

1. Способ оксидирования титанового сплава для антифрикционной наплавки, включающий микродуговое оксидирование (МДО) в электролите под напряжением, отличающийся тем, что в качестве электролита используют раствор фосфатов или силикатов, а процесс МДО ведут в два этапа, при этом на первом этапе МДО ведут при напряжении от 200 до 250 В в течение 15-20 мин, на втором этапе в электролит добавляют высокодисперсный порошок ТiO₂ размером гранул 1,0-3,0 мкм до концентрации 250-300 г/л и МДО ведут при напряжении 400-450 В в течение 15-20 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что МДО выполняют в растворе электролита с концентрацией 11-13 г/л.