Surface Hardening of titanium alloys

1

Durcissement superficiel des alliages de titane

Surface Hardening of titanium alloys

Patrick JACQUOT

4ème Séminaire Bodycote / Air Liquide - 17 Octobre 2014 - Lyon

• Introduction Introduction

• Dégradations de surface Surface damages

• Procédés processes

• Principe Principle • Avantages / limitations advantages / limitations

• Applications Applications

• Conclusion

2

SommaireOutline

• Les alliages de titane ont un rapport résistance/poids très attractif, une bonne résistance à la fatigue et des propriétés remarquables de tenue à la corrosion

Titanium alloys have very attractive strength-to-weight ratios, good fatigue strength and outstanding corrosion properties.

• Cependant, ces alliages ont des propriétés tribologiques médiocres, ce qui entraîne des problèmes d’usure

However, these alloys have poor tribological charateristics resulting in problems with wear.

• Pour des applications faiblement chargées la performance peut être grandement améliorée par un dépôt PVD, comme du TiN ou du DLC, mais dans le cas de plus fortes charges, un procédé qui peut améliorer la capacité de tenue au chargement est

exigéIn lightly loaded applications the performance can be greatly improved by PVD coating, like TiN or DLC,

but in the case of higher loads a process which can improve the load bearing capacity of the materials is required.

3

Introduction

Ces alliages ontThese alloys have:

• Une faible résistance à la fatigue de type fretting a low fatigue resistance to fretting

• Des propriétés tribologiques médiocres, dues à: poor tribological properties, due to:

1. Un coefficient de frottement élevé high friction coefficient

2. Une forte tendance au transfert de métal high tendancy to the transfer of metal

3. Une forte aptitude au grippage a strong capacity to galling

4. Une forte usure adhésive high adhesive wear

Titane et alliages de titanetitanium and titanium alloys

Wolfgang Ernst Pauli (physicien Austro-Suisse, un des pionniers de la physique quantique,

et prix Nobel de Physique en 1945)(Austrian-Swiss physicist, one of the pioneers of quantum physics,

and recipient of the Nobel Prize for Physics in 1945)

Cette citation est parfaitement adaptée au cas du titane This remark is perfectly adapted

to the case of the Titanium

« Dieu a créé le massif, les surfaces ont été inventées par le

diable »« God made the bulk,

surfaces were invented by the devil. »

6

Exemples de dégradations d’usure d’une surface de titane après frottement d’une rotule sphérique

Examples of wear damages of coated titanium surface after friction of a spherical plain bearing

Exemples de dégradations d’usure d’une surface de titane après frottement d’une rotule sphérique

Examples of wear damages of titanium coated surface after friction of a spherical plain bearing

Exemples de dégradations d’usure d’une surface de titane

après frottement d’une rotule sphérique Examples of wear damages of titanium coated surface after friction of a spherical plain bearing

Usure abrasive à la surface de titane → toutes particules dans le contact peut être un micro outil de coupe

Abrasive wear on titanium surface → any particles in the contact can be a micro cutting tool

écrouissage de surface de titane -> faible capacité pour résister à certaines contraintes de Hertz

cold working on titanium surface -> low capacity to resist at some Hertzian stresses

-> Transformation métallurgique Metallurgical transformation-> Déformation géométriqueGeometrical deformation

Galling or cold welding on sliding surface of titanium

• Formation of a third body sticked on the surface with poor friction properties

Grippage ou soudage à froid d’une surface frottante en titane

• Formation d’un troisième corps collé à la surface avec de médiocres propriétés de frottement

VitesseSpeed

Géométrie-design

Geometry - Design

MatériauxMaterials

RugositéRoughness

Contraintes - Pression

Stresses-pressure

EnvironnementEnvironment

LubrifiantLubrication

Tribologie: principaux paramètres Tribology: main parameters

La Tribologie est une science complexe avec de nombreux paramètres influantsTribology is a complex science with numerous influantial parameters

Le titane est un métal extrêmement oxydableIl a un potentiel électrochimique entre Zn et Mg, proche d’Al

titanium is an extremely oxidizible metalHe has an electrochemical potential between Zn and Mg, near Al

Son excellente tenue à la corrosion est due à la formation d’une couche protectrice de TiO2

His good corrosion resistance is due to formation of protective layer of TiO2

Cette couche est reformée immédiatement en cas de rayure This layer is re-formed immediately in case of scratch

Cette couche est stable sur une large gamme de PH, potentiel et température This layer is stable for a wide range of pH, potential and temperature

Résistance à la corrosion des alliages de titane Corrosion resistance of titanium alloys

Médiocres propriétés tribologiques Poor tribological properties:

Coefficient de frottement friction µ du couple Ti/Ti dans l’air ou sous vide friction coefficient µ of Ti /Ti couple in air or in vacuum:

µ : > 1 – 60Le coef. de frottement de Ti/Ti est plus du double

que pour le couple acier/acier The friction coef. of Ti/Ti is of more of double of that of the couple: steel / steel

Il est aussi 4 x > à celui du bronze It is also 4 times upper to that of the Bronze

Valeur très élevée de µ → besoin d’un traitement de surface additionnel Very high value of µ → need for an additional surface treatment

Ce n’est pas un option, c’est une nécessité It is not an option, It is a necessity

La tribologie des alliages de titane Tribology of titanium alloys

Le coef. de frottement d’un matériau n’est pas une valeur intrinsèque ou une valeur fixe

The friction coefficient of a material is not an intrinsic value or a fixed value

Mais, c’est une valeur qui est caractéristique seulement d’un résultat de test de frottement

d’un couple de matériaux et dans des conditions de test spécifiques et des mesures précises

But It is a value which is only characteristic of a result of friction test of a couple of materials

and in specific test conditions and precise measures

Rappel important Important reminder

16

Les deux procédés de traitement thermochimique de nitruration: The two nitriding processes of thermochemical treatments :

• La nitruration ionique Plasma nitriding

(plasma, basse pression) (plasma, low pressure)

• La nitruration basse pression: TINITRON ® Low pressure nitriding: TINITRON ®

(basse pression) (low pressure)Procédé breveté Patented process

Solution: la nitruration des alliages de titane Solution: nitriding of titanium alloys

La nitruration basse pression Low pressure nitriding

1 - 4 µm : couche de combinaison en surface composée de Ti2N/TiN 1 - 4 µm : Compound layer at the surface made of Ti2N / TiN

→ Propriétés de frottement, anti-usure, haute dureté de surface → friction properties, anti-wearing, high surface hardness

Couche de diffusion d’azote en solution solide dans le titane α Diffusion depth of Nitrogen in solid solution of α-titanium

→Propriétés mécaniques: forte capacité de chargement → mechanical properties: load bearing capacity

Profil de microduretés Microhardness profile

Microdureté Microhardness

Nitruration basse pression Low pressure nitriding

Ep. Couche de diffusion (mm) Diffusion layer thickness (mm)

∙ Dureté à cœur : (Core hardness) : 360 HV0, 1.∙ Dureté de surface après nitruration (Surface hardness after nitriding) : > 1000 HV0, 1.

19

Dégazage du four sous vide à haute temp. sans pièces et avec les montages (Out gasing of the vacuum furnace at high temperature without parts and with fixture)

Dégraissage des pièces à l’alcool - Montage: acier inoxydable (Degreasing Ti parts with Alcohol) - Fixturing: stainless steel

Four sous vide utilisé normalement en traitement thermique (BMI B74T) Vacuum furnace usually used for heat treatment (BMI B74T)Dimensions de la charge: 900 x 600 x 500 mm

Load size: 900 x 600 x 500 mm

Niveau de vide avant chauffe: < 10-2 mBar Vacuum level before heating: < 10-2 mBar

Phase de préchauffage jusqu’à 200°C Pre heating step until 200°C

Phase de vide jusqu’à < 10-3 mBar Vacuum step: until < 10-3 mBar

Phase de chauffe jusqu’à 760°C, atmosphère: azote Heating step until 780°C, atmosphere: Nitrogen

Durée: 6 h Duration: 6 h

Refroidissement sous N2 Cooling under N2

Nitruration basse pression : Principaux paramètres Low pressure nitriding: main parameters

20

Propriétés (Properties) :• Augmentation de la résistance à l’usure Wear resistance increasing

• Amélioration des propriétés de frottement Friction properties improvement

• Traitement homogène (aussi dans les alésages, trous, géométrie complexe) Homogeneous treatment (also in bores, holes, complex shape…)

• 100% Biocompatible Biocompatibility 100%

• Couleur & Aspect Color & aspect

• Respectueux de l’environement (procédé basse pression) Environmental respect (low pressure process)

Limitations (Limitations):

• Pas de solution de masquage (possible en nitruration ionique) No good masking solutions (possible with plasma nitriding)

• Haute température (besoin de stabilisation ou détente aprés usinage) High temperature (stress relieving step after finishing machining step)

Nitruration basse pression Low pressure nitriding

21

Matériau : alliage de titane Ti ou TA6V Material: Titanium alloy (Ti or Ti6Al4V)

Industrie: Pétrole et alimentaireIndustry: Oil and food industry

Application : Vannes Valves

Application : Valves

Besoins: Bonne propriétés de frottement et résistance à l’usureNeeds: Good sliding properties and wear resistance

Avantage / raison: suppression du grippage, amélioration résistance à l’usure, couleur jaune

Advantage/ reason: Suppress galling effect, increase wear resistance, yellow color

Boiseau sphérique de vanne, opercule de vanne pour application offshore et chimie, outillages pour l’industrie du verre

Ball Valve, gate valve for offshore and chemical applications, toolings for glass industry

Solution → Nitruration BP sur alliages de titane: Solution → LP gas nitriding on titanium alloys :

TINITRON

Exemples de nitruration BP sur pièces titane Examples of LPN of Titanium parts

22

Disques d’embrayage Gear box discs


Matériau : alliage de titane Ti ou TA6V Material: Titanium alloy (Ti or Ti6Al4V)

Industrie: Sport automobileIndustry: Sport automotive

Application : Pièces de boîte de vitesse

Application : Gear box parts

Besoins: Bonne propriétés de frottement et résistance à l’usureNeeds: Good sliding properties and wear resistance

Avantage / raison: suppression du grippage, amélioration résistance à l’usure, couleur jaune

Advantage/ reason: Suppress galling effect, increase wear resistance, yellow color

Solution → Nitruration BP sur alliages de titane: Solution → LP gas nitriding on titanium alloys :

TINITRON

Sonotrodes de soudageSonotrodes for welding

Différentes pièces Different parts

Pignon médical Medical pinion

Material Titanium alloy (Ti or Ti6Al4V)Industry Various & medical Needs Good sliding properties and wear resistance

Advantage/ reason Suppress galling effectIncrease wear resistance

Yellow colour after treatment

Solution =>TINITRON


24

Tige de forage pétrolierPetrol drilling rod

Material Titanium alloy (Ti6Al4V)

Industry Petroleum industry

Application Tige rod

Needs Good sliding properties Wear & corrosion resistance

Advantage/ reason

Corrosion resistance improvement compared to steel solution

Yield strength improvement

Increase wear resistance

Difficulty to have vacuum furnace for big length parts (>2700mm) and high temperature possibility (>850°C)

Solution =>

LP gas nitriding on titanium alloys :

TINITRON


Exemple d’une charge de pièces variées pour application hydraulique et cryogénique:

Clapet de fermeture, obturateur conique, bague de fermeture, avant Tinitron

Loading example of mixed parts for Hydraulic and cryogenic applications before TINITRON treatment

Boitier d’embrayage pour formule 1 Formula 1 clutch


Sonotrode de soudage de pièces en plastique abrasifSoupape de compétition

Sonotrode to weld abrasive plastic parts - Valve for competition


Petits arbres de pompe à insulineSmall Shafts for insulin pump


Nitruration BP de boiseaux sphériques pour l’offshore Low pressure nitriding process

Ball valve for Offshore


Conclusion

La nitruration basse pression ou la nitruration ionique haute température

sont deux procédés de niche qui sont efficaces

pour résoudre certain problèmes tribologiques sur des pièces en alliage de titane

Low pressure nitriding or plasma nitridingare two niche processes that are efficient to solve some tribological problems on titanium alloy parts.

Surface Hardening of titanium alloys

Documents

Transcript of Surface Hardening of titanium alloys