ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ СФЕРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНА НАКАТЫВАНИЕМ ПЛОСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ТЕХНОЛОГИИ»

Исследования, направленные на разработку эффективной технологии деформационного упрочнения сферических изделий из титана, обусловлены тем, что в мире в настоящее время активно проводятся работы по совершенствованию эндопротеза тазобедренного сустава человека, доступного потенциальным потребителям всех уровней достатка и соответствующего современным требованиям.

Важнейшим элементом эндопротеза (рис. 1) является шарнирное сочленение (пара трения) — сферическая головка и ацетабулярная чашка.

 

Рис. 1. Общий вид эндопротеза тазобедренного сустава с металлической головкой

На сегодня наибольшее распространение получила пара трения с сочетанием материалов металл/ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE). Как правило, из металлических материалов для изготовления головок применяют сплав CoCrMo, реже — титановый сплав ВТ6 (зарубежный аналог — сплав Ti-6Al-4V, GRADE 5). Однако, исходя из требований биосовместимости, эти материалы не являются наилучшими. Из металлов по этому показателю их превосходит технически чистый титан ВТ1–0, ВТ1–00 (GRADE 1,2) [Пинчук Л. С., Николаев В. И., Цветкова Е. А. Эндопротезирование суставов: технические и медико-биологические аспекты. Гомель : ИММС НАНБ, 2003. 300 с.

Филиппенко В. А., Танькут А. В. Эволюция проблемы эндопротезирования суставов. Международный медицинский журнал. 2009. № 1. С. 70–74.

Иголкин А. И. Титан в медицине. Титан. 1993. № 1. С. 86–90.

Чечулин Б. В., Ушков С. С., Разуваева И. Н., Гольдфайн В. Н. Титановые сплавы в машиностроении. Л. : Машиностроение, 1977. 248 с.

Надеев А. А., Иванников С. В. Эндопротезы тазобедренного сустава в России: философия построения, обзор имплантатов, рациональный выбор. 2-е изд. (эл.). М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 178 с.].

Однако основными его недостатками являются низкие механические и триботехнические характеристики. Последнее не позволяет использовать детали из титана и его сплавов в парах трения без модификации их рабочей поверхности, результатом которой должно стать оптимальное сочетание механических и триботехнических характеристик.

Получить такое сочетание, обеспечив высокий уровень надежности изделия, в принципе возможно, применив в качестве метода модификации термодиффузионное азотирование (ТДА), которое имеет два важных преимущества по сравнению с другими методами. А именно, наличие переходного диффузного слоя между основой и тонкой пленкой соединений Ti-N на поверхности (что исключает отслоение модифицированного слоя) и 100 % воспроизводимость результатов.

Известно, что увеличению глубины диффузного слоя и повышению его твердости при химико-термической обработке способствует предварительное измельчение структуры материала. Указанный эффект достигается за счет повышения плотности дислокаций и увеличения площади межзеренных границ, что способствует интенсификации диффузионных процессов [Структура и триботехнические свойства субмикрокристал-лического титана, модифицированного ионами азота / А. В. Белый, В. А. Кукареко, А. Г. Кононов и др. Трение и износ. 2008. Т. 29. № 6. С. 571–577.

Низкотемпературное ионное азотирование имплантатов из титанового сплава ВТ20 в различных структурных состояниях / А. А. Ильин, С. В. Скворцова, Е. А. Лукина, В. Н. Карпов, О. А. Поляков. Металлы. 2005. № 2. С. 38–44].

В работе [Низкотемпературное ионное азотирование имплантатов из титанового сплава ВТ20 в различных структурных состояниях / А. А. Ильин, С. В. Скворцова, Е. А. Лукина, В. Н. Карпов, О. А. Поляков. Металлы. 2005. № 2. С. 38–44] показано, что при измельчении структуры сплава ВТ 20 с 25–40 мкм до 3–5 мкм глубина диффузного слоя при ионном азотировании увеличивается вдвое. Для измельчения структуры авторы использовали технологию термоводородной обработки.

Диспергирование структуры в значительной мере определяет механические характеристики материала. Как правило, с уменьшением размера зерен механические характеристики материала повышаются.

В случае же формирования наноструктурного состояния материал может приобретать свойства, принципиально отличные от крупнокристаллического аналога. Например, микротвердость может повыситься в 2–7 раз, прочность при растяжении — в 1,5–2, наблюдается повышение вязкости разрушения и существенное повышение износостойкости и работоспособности при циклических нагрузках [Скороход В. В., Уварова І. В., Рагуля А. В. Фізико-хімічна кінетика в наностуктурниx системах. Київ : Академперіодика, 2001. 180 с.].

В результате интенсивной пластической деформации (ИПД) и измельчения структуры титана простым сдвигом методом равноканального углового прессования его твердость возрастает на 30…40 %.

В [Валиев Р. З. Создание наноструктурных металлов и сплавов с уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации. Российские нанотехнологии. 2006. Т. 1. № 1-2] указывается на важные преимущества наноструктурированного титана — высокую статическую прочность (σв ≥ 1000 МПа) и сопротивление усталости — более чем 500 МПа при 2 . 10 7 циклах, а также отличную биосовместимость.

Однако необходимо учитывать, что существующие сегодня деформационные методы создания наноструктур в полном объеме изделия (винтовая экструзия, равноканальное угловое прессование и др.) ещё далеки от совершенства. Как правило, они требуют использования мощного прессового оборудования и сложной металлоёмкой оснастки.

Альтернативный путь предполагает диспергирование крупнозернистой структуры лишь в объеме поверхностного слоя.

При этом нет необходимости в применении мощного прессового оборудования и сложной технологической оснастки.

В [Lu K., Lu J. Nanoctructure surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition. Materials Science and Engineering: A. 2004. Vol. 375–377. P. 38–45] показано, что при вибрационной обработке поверхности нескольких металлических материалов шарами с частотой 20–50 кГц размер структурных элементов в приповерхностом слое обрабатываемого материала уменьшался до 10–100 Нм, а твердость приповерхностного слоя увеличивалась в 2–3 раза.

В [Belocky A V., Yurcova A. I. Strengthening of steel by friction in nitrogen atmosphere. Technologic and Product Organization. 1988. No. 2. P. 40–43] показано, что при высокоскоростном трении армко-железа в атмосфере аммиака формируется поверхностный слой с зернами размером 3–5 мкм твердостью 13000 МПа при твердости материала основы 4000 МПа.

Перечисленные примеры наглядно иллюстрируют принципиальную возможность создания нанокристаллических слоев в поверхности деформируемого материала, однако применённые технологии вряд ли могут быть широко использованы в промышленности.

В настоящее время в промышленности применяются достаточно эффективные технологии деформационного диспергирования структуры поверхностных слоев, основанные на обработке поверхности методами интенсивного деформирования (Surface mechanical attriction, SMA): алмазное выглаживание, деформирующее протягивание, накатывание и др. [Lu K., Lu J. Nanoctructure surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition. Materials Science and Engineering: A. 2004. Vol. 375– 377. P. 38–45.

Belocky A V., Yurcova A. I. Strengthening of steel by friction in nitrogen at-mosphere. Technologic and Product Organization. 1988. No. 2. P. 40–43.

Яценко В. К., Зайцев Г. З., Притченко В. Ф., Иващенко Л. И. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием. М. : Машиностроение, 1985. 229 с.]. Однако для обработки титановых сплавов из перечисленных технологических схем может быть применена лишь та, в которой трение скольжения сведено к минимуму, т. е. накатывание. Причиной является повышенная склонность титановых сплавов к схватыванию и отсутствие эффективных технологических смазок.

Необходимо, однако, учитывать, что при всех преимуществах, которые приобретает титановый сплав в результате диспергирования структуры ИПД, его трибологические свойства не улучшаются. То есть, формирование мелкодисперной структуры для повышения надежности и ресурса титановых головок может быть эффективным только в сочетании с последующим ТДА.

В ИСМ НАН Украины для деформационного измельчения структуры поверхностного слоя сферической заготовки разработана и применена технологическая схема накатывания сферических изделий плоскими поверхностями [Цеханов Ю. А., Шейкін С. Є. Патент України на винахід № 92693 МПК (2009) В24В 39/00. Спосіб обробки сферичних виробів поверхневим пластичним деформуванням. Бюлетень № 22 від 25.11.2010.

Даниленко Н. И., Моляр А. Г., Цеханов Ю. А., Шейкин С. Е. Поверхностное упрочнение шара из сплава ВТ1-0 накатыванием плоскими поверхнос-тями. Физика и техника высоких давлений. 2011. Т. 21. № 4. С. 130–138.

Цеханов Ю. А., Шейкин С. Е., Карих Д. В., Сергач Д. А. Упрочнение поверхностного слоя полносферических деталей при накатывании плоским инструментом. Физика и техника высоких давлений. 2013. Т. 23. № 4. С. 120–127].

Реализация данной схемы не требует мощного прессового оборудования и сложной технологической оснастки. Обработка может выполняться на универсальном оборудовании с использованием простых приспособлений.

Сферическое изделие 1 размещают в цилиндрической камере 2 и производят накатывание вращающимся инструментом 3 в виде диска (рис. 2). Обработку можно производить на вертикально-сверлильном станке.

 

Рис. 2. Схема накатывания сферической заготовки плоскими поверхностями

Для обеспечения производительности и качества обработанной поверхности и поверхностного слоя требуется, чтобы след контакта инструмента с обрабатываемым изделием последовательно охватывал всю его поверхность. Необходимым условием этого является смещение следа пластического контакта относительно предыдущего на поверхности сферы при каждом обороте изделия. Указанный эффект достигается тем, что ось вращения инструмента относительно оси камеры смещают на некоторый эксцентриситет.

В экспериментах использовали сферическую заготовку o 28 мм, которую получали точением из прутка и подвергали отжигу в вакууме. Шероховатость поверхности заготовки после точения составляла Ra 3,2, некруглость — 0,15 мм. Твердость изделия после отжига НВ 1,5 ГПа.

Накатывание производили на вертикально-сверлильном станке 2 А150 в камере ø 150 мм. Сила прижима инструмента составляла 2000 Н, скорость вращения — 350 об./ мин, время обработки — 2 мин.

Микрометрические исследования шлифов показали, что микротвердость поверхностного слоя глубиной до 50 μm увеличивается в ~ 2.5 раза по сравнению с исходной, а слоя, лежащего на глубине 50–2000 μm, — в ~ 1.7 раза.

Металлографические исследования (рис. 3а) показывают, что сердцевина детали (материал в исходном состоянии) характеризуется наличием зерен размером 500–1000 μm с крупными пластинчатыми выделениями α-фазы. В поверхностном слое шара до 2 mm имеет место значительная степень деформации.

 

Рис. 3. Структура поверхностного слоя сферической заготовки после накатывания:

а – металлография участка, непосредственно прилегающего к поверхности; микрофотографии:

б – того же участка, полученная на электронном сканирующем микроскопе CamScan;

в – поверхностного слоя глубиной ~ 2,5 mm;

г – участка поверхностного слоя на расстоянии ~ 700 μm от поверхности

В пределах отдельных субзерен видны линии скольжения в разных направлениях, что свидетельствует о том, что пластическая деформация достигает этой глубины. На расстоянии от поверхности ~ 2 mm находится переходная зона, в которой произошла фрагментация исходных α-пластин, заметно направление деформации.

По мере приближения к поверхности наблюдаются измельчение зерен и изменение морфологии, выделенная α-фаза приобретает глобулярную форму (рис. 3б). При этом глобули выстраиваются в направлении бывших пластин, т. е. проявляется текстура деформации.

У поверхности материал характеризуется мелкозернистой глобулярной α-структурой с заметной текстурой деформации (рис. 3б, в). Микрофотография, полученная на электронно-сканирующем микроскопе CamScan (рис. 3г), также свидетельствует о наличии текстуры у поверхности изделия. Подтверждением высокой степени деформации металла в поверхностном слое может служить его микроструктура после рекристаллизационного отжига (рис. 4). После нагрева в β-области в поверхностном слое образца сформировалась мелкозернистая равноосная структура с зернами размером 15–20 μ m, величина которых растет по мере удаления от поверхности. При этом зерна в недеформированной сердцевине достигают 500–100 μm.

 

Рис. 4. Микроструктура деформированного поверхностного слоя шара после рекристаллизационного отжига

О высокой степени деформации металла в поверхностном слое свидетельствуют также структурные исследования, проведенные на трансмиссионном электронном микроскопе.

На рис. 5а представлена структура ВТ1–0 в исходном недеформированном состоянии, на рис. 5б — ячеистая структура, сформировавшаяся в приповерхностном слое после деформирования.

 

Рис. 5. Структура сплава ВТ1-0

а – в исходном состоянии;

б – сформировавшаяся ячеистая структура в поверхностном слое после деформирования

Размер отдельных ячеек составляет менее 100 nm. Прямое разрешение внутренней области ячейки показано на рис. 6. После фурье-обработки четко видны деформационные двойники, свидетельствующие о наличии высоких напряжений в деформируемом металле.

 

Рис. 6. Деформационные двойники в деформированном титановом сплаве:

а – HREM-изображение;

б – фурье-обработка изображения

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют об интенсивной пластической деформации в поверхностном слое толщиной ~ 2 mm, приводящей к образованию текстуры, динамической рекристаллизации и формированию наноразмерных ячеек в процессе накатывания.

ВЫВОДЫ

1. Технология накатывания шаров плоскими поверхностями обеспечивает интенсивное пластическое деформирование поверхностного слоя изделия.

2. При накатывании плоскими поверхностями шара из сплава ВТ1–0 можно получить слой деформационного упрочнения 2 mm и более. При этом микротвердость поверхностного слоя глубиной до 50 μm увеличивается в ~ 2,5 раза по сравнению с исходной, а слоя, лежащего на глубине 50–2000 μm, — в ~ 1,7 раза.

3. Применение данной технологии позволяет получить в тонком поверхностном слое изделия из сплава ВТ1–0 ячеистые структуры с размером отдельных ячеек менее 100 nm.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.