Способ обработки прецизионных деталей из титановых сплавов

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изготовлению и обработке прецизионных деталей из титановых сплавов методами химико-термической и лазерной обработки, и может быть применено в машиностроении. Способ предусматривает нитроцементацию при 850-950^oC в среде, содержащей в равных количествах древесный уголь, карбамид и карбоксиметилцеллюлозу, после чего прецизионные изделия подвергают абразивной обработке и последующему лазерному оплавлению с заданными параметрами. 10 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к комплексной химико-термической обработке титановых сплавов в приборостроении, в производстве технологических источников плазмы.

Наиболее близким к заявляемому является способ химико-термической обработки титановых сплавов, предусматривающий ступенчатую нитроцементацию при 850-950^oC в течение 3-3,5 часов в графите с добавкой окиси алюминия и с пропиткой триэтанодамином (а.с. N 1477775, БИ N 17, 1989 г).

Недостатки способа в ограниченных технических возможностях и недостаточной износостойкости поверхности в условиях ионного уноса потоком плазмы, в нестабильности свойств по контурам тонких деталей.

Цель изобретения повышение износостойкости и твердости при уменьшении деформации деталей. Одновременно предусматривается снижение трудоемкости, улучшение экологической чистоты процесса при расширении технических возможностей.

Для достижения цели изобретения в известном способе обработку ведут в смеси древесного угля, карбамида и карбоксиметилцеллюлозы при равном содержании компонентов. Состав наносят на предварительно механически обработанную поверхность и выдерживают в течение 60-90 минут и после абразивной обработки оплавляют поверхность лазером со скоростью сканирования 1-1,5 мм/с при плотности мощности 10-20 Вт/см², при диаметре пятна 0,8-1,2 мм и охлаждением в инертном газе или на воздухе.

При обработке за 60-90 минут на рабочих кромках формируется диффузионный слой, прочно связанный с основой, при последующем лазерном оплавлении формируется зона весьма высокой микротвердости, содержащая карбиды и карбонитриды TiC, TiNC, при этом при выбранных условиях нагрева и охлаждения не происходит образования трещин и снижается тепловая деформация. Детали приобретают высокую износостойкость при абразивном износе, контактном трении и при воздействии высокоэнергетических источников плазмы. Становится возможным упрочнение деталей, инструментов с острыми режущими кромками, в том числе для прикладных производств в медицине, ювелирном деле.

Практически способ осуществлен при обработке пусковых электродов для космических двигателей малой тяги, для специальных инструментов и оснастки. Детали изготовляли из прутков титановых сплавов ВТ-1-0, ВТ-14, ВТ-23 по ОСТ 1.90218-76 и ОСТ 1.90173-75, а также их трубок титановых сплавов ОТ-4-1, ОТ-4.

Нитроцементацию вели в малоэнергоемких печах "Терм-1", СШОЛ-ВНЦ, в качестве компонентов использовали уголь древесный по ГОСТ 6217-74, карбамид по ГОСТ 6691-77 и карбоксиметилцеллюлозу по ОСТ 6-05-386-80. Лазерную обработку проводили на установках "Квант-15", "Квант-16" с закреплением и вращением деталей на план-шайбе.

В примерах осуществления способа и в табл. 1 приведены сравнительные свойства деталей из титановых сплавов при обработке по режимам предложенного способа и по прототипу.

Как показали опыты и исследования, во всех случаях обработка по предложенному способу с засыпкой деталей или обмазкой пастой с последующим вакуумным нагревом при 850-950^oC и последующим лазерным оплавлением позволяет получить оптимальное соотношение прочностных характеристик основного металла при более высокой микротвердости и износостойкости рабочих поверхностей в сравнении с обработкой по известной технологии.

Пример 1.

Электродные вставки электрического плазменного двигателя М-70 изготовляли из сплава ВТ-14 и обрабатывали по предложенной технологии.

Вначале проводили нитроцементацию с засыпкой рабочих поверхностей и канала кольцевой вставки составом из толченого древесного угля, карбамида и карбоксиметилцеллюлозы, взятых в соотношении 1:1:1. Детали в контейнере из стали 12Х18Н10Т нагревали в вакууме 10^-1 мм.рт.ст. с нагревом со скоростью 500^oС/ч до 950^oC и с выдержкой в течение 60 минут, охлаждение проводили со скоростью 150^oC/ч.

После опескоструивания с образованием шероховатой поверхности классом Р= 80 мкм проводили лазерную обработку по внутреннему рабочему каналу и по наружному контуру электрода пускового при плотности мощности 10³ Вт/см², при диаметре пятна 1,2 мм и скорости сканирования лучом 1,5 мм/с при частоте 15 Гц.

Технология позволила сформировать детали из сплава ВТ-14 с повышенными прочностными и эксплуатационными характеристиками. Микротвердость повысилась до H_0,49= 1340-1450 с плавным переходом к основе с прочностными характеристиками 1350-1440 МПа, что выше, чем в известном способе обработки.

В результате обработки ресурс работы и износостойкость в плазменном потоке повысилась в 1,3 раза, снизилась деформация деталей при термообработке, улучшилось качество деталей.

Пример 2.

Штихели притирочные из прутков титанового сплава ОТ-4 диаметром 8 мм изготовляли и обрабатывали по предложенному способу.

После механической обработки на рабочую часть наносили пасту из равных количеств пылевидных отходов использованного древесноугольного карбюризатора, карбамида и карбоксиметилцеллюлозы. Нитроцементацию проводили при температуре 850^oC в течение 90 минут в печи "Терм-1" в вакууме 190 мм.рт.ст. с нагревом 300^oC/ч и охлаждением со скоростью 100^oC/ч.

Лазерную обработку с оплавлением при скорости сканирования 1 мм/с и плотности мощности 10⁴ Вт/см², при диаметре пятна 0,8 мм проводили на установке "Квант-16" с охлаждением деталей в электрошкафу при температуре 450^oC. Последующую доводку рабочей части проводили полированием с классом чистоты Р_a= 1,25 мкм.

Обработка позволила получить штихели с повышенными свойствами с микротвердостью H_0,49=1210=1230 единиц, износостойкость при притирке и гравировании стальных и медных деталей повысилась в 3 раза, не наблюдалось выкрашивания тонких рабочих кромок. Коррозионная стойкость была не хуже, чем при обработке в вакууме, трудоемкость снизилась в 1,4 раза.

Таким образом способ универсален и эффективен для конструкционных деталей спецтехники и приборостроения, а также для прикладных машиностроительных производств. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики деталей из сплава ОТ-4 при обработке по предложенному и известному способам.

Формула изобретения

1. Способ обработки прецизионных деталей из титановых сплавов, включающий нитроцементацию в углерод- и -азотсодержащей среде путем нагрева до 850 950^oС, выдержки и охлаждения с получением нитроцементованного слоя, отличающийся тем, что в качестве среды используют состав, содержащий древесный уголь, карбамид и карбоксиметилцеллюлозу при равном содержании всех компонентов, наносимый перед нагревом на рабочую поверхность предварительно механически обработанных деталей, выдержку осуществляют в течение 60 90 мин, после охлаждения проводят абразивную обработку, последующее лазерное оплавление путем сканирования луча со скоростью 1,0 1,5 мм/с, плотностью мощности 10³ 10⁴ Вт/см² и диаметром 0,8 1,2 мм и охлаждение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наносят пастообразный состав.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев ведут со скоростью 300 - 500^oC/ч, а выдержку осуществяют в вакууме 0,1 190,0 мм рт.ст.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение в процессе нитроцементации проводят со скоростью 100 150^oC/ч.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что нитроцементацию ведут в герметичном контейнере в засыпке из графита.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что абразивную обработку проводят с получением чистоты поверхности Ra 45 80 мкм.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что лазерное оплавление осуществляют на глубину 7 15 толщин нитроцементованного слоя.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве прецизионных деталей обрабатывают кольцевые электродные вставки, а состав для нитроцементации наносят в рабочий канал.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что лазерное оплавление вставок проводят по двум концентрическим буртикам.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение после лазерного оплавления проводят в электрошкафу при температуре старения в заневоленном состоянии.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что после лазерного оплавления дополнительно проводят механическое полирование поверхности до класса чистоты 1,25 2,75 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1