Способы удаления газонасыщенных слоев

Удалить окалину и газонасыщенный слой довольно сложно, так как окалина прочно сцеплена с основным металлом и устой­чива во многих химически активных средах. Диоксид титана — тугоплавок, нерастворим в воде, в разбавленных растворах кис­лот и щелочей. Он реагирует лишь с плавиковой кислотой и медленно растворяется в концентрированной серной.

Для очистки поверхности титановых полуфабрикатов от оксидов и газонасыщенного слоя применяют механические, хими­ческие и электрохимические методы.  

Вакуумный отжиг титана и его сплавов

Основная цель вакуумного отжига титановых сплавов — снижение содержания в них водорода до безопасных концентраций, при которых развитие водородной хрупкости исключено. При этом решается и ряд дополнительных задач: а) снижается газонасыщение поверхностных слоев и часто в связи с этим отпа­дает необходимость травления титановых сплавов после тер­мической обработки; б) снимаются остаточные напряжения, что приводит к уменьшению коробления полуфабрикатов и поводок при последующих технологических операциях (сварке, механической обработке и т. п.); в) обеспечивается уровень ме­ханических свойств, соответствующий требованиям технических условий. 

На основе оценок, аналогичных приведенным выше, ВИАМ рекомендовал для полуфабрикатов, деталей и элементов конструкций тонкого сечения (<6 мм) следующие температуры вакуумного отжига: для титана ВТ-0 и ВТ1-00 - 550±10 ⁰С; для сплавов ПТВ3, ОТ4-1, ОТ4,ВТ5, ВТ5Л, ВТ16-660±10 ⁰С; для сплавов ВТ6, ВТ6Л, ВТ20, ВТ22-750±10 ⁰С; длительность отжига 2 ч.

Контроль качества отожженной детали (элемента конструкции) осуществляют визуально; на поверхности не должно быть цветов побежалости, явных отклонений от заданной геометрии.

Химико-термическая обработка

Титан и его сплавы обладают низкой износостойкостью, высо­кой склонностью к налипанию, большим коэффициентом трения в паре почти со всеми материалами. Эти недостатки титановых сплавов ограничивают их применение для изготовления дета­лей, работающих на трение. Так, если болт и гайку сделать из какого-либо титанового сплава, то болтовое соединение оказы­вается неразъемным. При попытке снять гайку с болта про­исходит их разрушение по резьбовому соединению. Поэтому в настоящее время болт делают титановым, а гайку изготавли­вают из нержавеющей стали.

Легированием и термической обработкой не удается суще­ственно повысить антифрикционные свойства титановых спла­вов. Были предприняты попытки устранить этот недостаток титановых сплавов химико-термической обработкой. Наиболь­шие успехи были достигнуты при азотировании и оксидирова­нии,, и эти процессы хотя и ограниченно, но применяются в промышленности. Найдены практически приемлемые способы науглероживания и борирования.

Для химико-термической обработки титана и его сплавов неприемлемы те среды, которые обычно применяются при обработке сталей, особенно водородосодержащие газы и их смеси, из-за значительного наводороживания металла до уровня, достаточного для развития водородной хрупкости. Так, азоти­рование проводят не в аммиаке, а в чистом азоте, тщательно очищенном от кислорода и влаги.

В процессе азотирования титана при температурах ниже 882 °С на поверхности образуется тонкий слой нитрида титана d, а ниже его обогащенный азотом слой. Нитридный слой имеет золотистый цвет, его толщина составляет 4—20 мкм, микротвердость равна 12—16 ГПа. Микротвердость обогащен­ного азотом слоя белого цвета плавно уменьшается при удале­нии от поверхности в глубь металла, пока не достигается микротвердость, характерная для основного металла. За глубину азотирования принимается толщина слоя с повы­шенной микротвердостью.

При азотировании a+b-сплавов под нитридным d-слоем на­ходится альфированный слой, который сменяется структурой, представленной a- и b -фазами. При удалении от альфированного слоя количество a-фазы уменьшается от 100 % до значений, характерных для данного сплава. Эти структур­ные изменения обусловлены a-стабилизирующим действием азота.

Азотирование в десятки раз повышает износостойкость тита­новых изделий и жаростойкость. Одновременно в несколько раз снижаются такие характеристики пластичности, как относительное удлинение и особенно поперечное сужение, предел выносливости на базе 10⁷ циклов уменьшается на 10—25%.

К тому же азотированный слой тонок, и поэтому доводка азо­тированных деталей до нужных размеров встречает существен­ные затруднения. Вследствие этого азотирование титана и его сплавов, хотя это и наиболее распространенный вид химико-термической обработки, применяется ограниченно.

Для поверхностного упрочнения титана и его сплавов при­меняют также оксидирование. Природа газонасыщенных слоев, образующихся на поверхности полуфабрикатов и изде­лий из титана и его сплавов при нагреве в кислороде и на воз­духе, была рассмотрена выше. Оксидированные слои большой толщины, образующиеся в результате окисления при темпера­турах выше 850 — 900 °С, отрицательно влияют на механиче­ские и служебные свойства титана и его сплавов. Однако при небольшой толщине оксидированного слоя, образовавшегося при не слишком высокой температуре окисления, удается су­щественно повысить износостойкость деталей из титановых сплавов без существенного снижения механических и служеб­ных свойств титана и его сплавов.