Способ микродугового оксидирования титановой проволоки для антифрикционной наплавки

Изобретение относится к сварочным материалам для специальных наплавок при изготовлении изделий из титановых сплавов. Способ включает микродуговое оксидирование в водном растворе жидкого стекла Na₂SiO₃ с концентрацией 20,0±2,0 г/л при напряжении от 320 до 340 В в течение 15±2 мин при температуре 20±1°С. Технический результат: повышение твердости наплавленного металла до 400-430 кгс/мм². 1 табл.

 

Изобретение относится к оксидированию материалов методом электрохимической обработки и может быть применено для оксидирования сварочной проволоки из титановых сплавов, 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 об указанных выше недостатков термического оксидирования.

Для изготовления наплавочного материала будет применена титановая проволока марки 2В по ГОСТ 27265-87.

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 от 315 до 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. При такой толщине окисной пленки количество кислорода в наплавочном материале будет невелико и твердость наплавленного металла HV не будет превышать 300 кгс/мм².

Для сварочной проволоки, как материала для антифрикционных наплавок, требуется существенно большая твердость наплавленного металла HV на уровне 350-430 кгс/мм², чего можно достичь, увеличив содержание кислорода в наплавочном материале путем увеличения толщины окисной пленки до 200-250 мкм.

Техническим результатом изобретения является разработка способа микродугового оксидирования титанового сплава для антифрикционных наплавок, позволяющего получать окисную пленку на поверхности титановой проволоки толщиной 220-250 мкм и обеспечить повышение твердости наплавленного металла.

Технический результат достигается за счет того, что процесс МДО выполняют в водном растворе жидкого стекла Na₂SiO₃ по ГОСТ 13078-81 с концентрацией 20,0±2,0 г/л при напряжении 320-340 В в течение 15±2 мин при температуре 20±1°С.

Применение в качестве электролита раствора жидкого стекла Na₂SiO₃ с концентрацией 20,0±2,0 г/л позволяет получить на поверхности титановой проволоки окисную пленку необходимой толщины и получить твердость металла, наплавленного с применением это наплавочного материала, на уровне 400-430 кгс/мм².

Пример конкретного выполнения

В лабораторных условиях была взята сварочная проволока из титанового сплава 2В по ГОСТ 27265-87 (Ti-основа, Al - 2%, V-1,5%) и приготовлен электролит с концентрацией жидкого стекла 18,0 г/л, 20,0 г/л и 22,0 г/л. После чего было проведено нанесение покрытий при напряжении 320 В, 330 В и 340 В в течение 13 мин, 15 мин и 17 мин при температуре 19°С, 20°С и 21°С, при этом получена толщина окисной пленки 220 мкм, 235 мкм 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 400-430 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).

Технико-экономические преимущества от применения указанного способа по сравнению с прототипом выразятся в увеличении срока службы и надежности изделий судовой арматуры и механизмов из титановых сплавов за счет увеличения твердости.

Таблица №1
Способ микродугового оксидирования титановой проволоки
Параметры способа	Свойства покрытия
№ п/п	Способ	Состав электролита	Концентрация электролита, г/л	Напряжение, В	Время, мин	Толщина покрытия, мкм	Твердость HV, кгс/мм2
		Na2SiO3	18,0	320	13	220	400
1	Предлагаемый	Na2SiO3	20,0	330	15	235	415
		Na2SiO3	22,0	340	17	250	430
2	Известный	Na3PO4	11,5	315	7	5	280
Примечание. В таблице приведены усредненные значения по результатам 3-х измерений.

Способ микродугового оксидирования титановой проволоки для антифрикционной наплавки, включающий ведение процесса в электролите при напряжении 320-340 В в течение 15±2 мин, отличающийся тем, что в качестве электролита используют раствор жидкого стекла Na₂SiO₃ с концентрацией 20±2 г/л, а электролитический процесс ведут при температуре 20±1°С.