Способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов в тлеющем разряде

Изобретение относится к металлургической промышленности, а именно к химико-термической обработке поверхности изделий из титановых сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей двигателей, работающих в условия износа. Способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов азотированием в тлеющем разряде осуществляют азотированием в вакуумной камере в газовой смеси 15 мас.% азота и 85 мас.% аргона при температуре 650-700°С путем вакуумного нагрева в плазме повышенной плотности с эффектом полого катода в течение 4 часов. Плазму повышенной плотности формируют между деталью и экраном, выполненным с отверстиями и изготовленным из титанового сплава. Затем повышают давление до 300 Па и проводят азотирование в газовой среде азота при температуре 650-700°С в течение 4 часов без эффекта полого катода. Обеспечивается увеличение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет комбинированной обработки азотированием различными способами за один технологический цикл в одном вакуумном объеме. 5 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к металлургической промышленности, а именно к химико-термической обработке поверхности изделий из титановых сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей двигателей, работающих в условия износа, в медицине и других отраслях промышленности.

Известен способ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов (патент РФ №2427666, C23C 8/36. 21.12.2009), который проводят при помощи нагрева поверхности изделия в среде азота, при этом нагрев осуществляют концентрированным тепловым источником с плотностью мощности 103-104 Вт/см2, силой тока 80-150 А и скоростью перемещения источника относительно изделия 0,005-0,01 м/с.

Недостатками данного способа являются

- неравномерное упрочнение поверхности в связи с отсутствием своевременной калибровки плазменной головки установки в процессе обработки;

- трудоемкость процесса, связанная с установкой и выверкой изделия в приспособлении;

- снижение эффективности диффузии азота, так как процесс проводят в среде азота, что приводит к образованию сплошной нитридной пленки на поверхности;

- большой расход азота.

Известен способ химико-термической обработки деталей из титановых сплавов (патент РФ №2460826, C23C 8/54. 18.05.2011), который включает насыщение поверхности деталей азотом и углеродом в тигельной или электродной ванне с расплавом солей, разогретым до температуры 800°С, при этом используют расплав солей следующего состава, мас.%: NaCN 10, NaCl 40, BaCl2 50.

Недостатками данного способа являются

- экологически вредное производство;

- снижение эффективности диффузии азота вглубь титановых сплавов, так как процесс протекает в открытой атмосфере, что приводит к образованию на поверхности оксидной пленки.

Известен способ поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов (патент РФ №2318077, C23C 8/06. 04.07.2006), который проводят при помощи термообработки. Термообработку проводят в активной газовой среде. Затем осуществляют частичное удаление газонасыщенного слоя, обладающего повышенной хрупкостью, травлением. Глубину зоны, обладающей повышенной хрупкостью, определяют по формуле, также глубина может быть определена по среднему расстоянию между трещинами, образующимися в газонасыщенном слое при разрушении образца изгибом.

Недостатками данного способа являются

- высокая трудоемкость;

- снижение ресурса работы в условиях интенсивного износа, так как при обработке данным способом травитель может удалить часть диффузионной зоны с поверхности деталей.

Известен способ упрочнения титановых сплавов в газовой среде (патент РФ №2365671, C23C 8/80. 06.12.2007), по которому проводят высокотемпературное азотирование при температурах 700-750°С в течение 10-30 мин. Затем проводят восстановительный отжиг в аргоне при температуре, превышающей температуру азотирования на 100-150°С, время отжига вычисляют по формуле

τотж=0,75·(Kaзoт/Kр)·exp(Ep/RTотжазот/RTазот)·τазот,

где Kaзoт, Kр - эмперические коэффициенты, учитывающие соответственно скорость образования и скорость растворения нитридного газонасыщенного слоя, мкм2/сек;

Еазот - энергия активации процесса, контролирующего повышение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;

Ер - энергия активации процесса, контролирующего понижение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;

R - газовая постоянная, Дж/К·моль;

Тазот - температура азотирования, K;

Тотж - температура восстановительного отжига, K;

τазот - время азотирования, сек.

Недостатками данного способа являются

- снижение эффективности процесса насыщения при азотировании, так как высокотемпературная обработка в открытой атмосфере приводит к образованию оксидных пленок на обрабатываемой поверхности;

- небольшая продолжительность азотирования, вследствие чего образуется малая толщина диффузионной зоны, либо диффузионная зона не образуется.

Известен способ азотирования стальных изделий в тлеющем разряде (патент РФ №2276201, C23C 8/36. 9.11.2004), которое проводят путем вакуумного нагрева изделий в плазме азота повышенной плотности, формируемой между деталью и экраном за счет эффекта полого катода. Процесс азотирования проводят при температуре 700-750°С. После азотирования проводят поверхностную закалку охлаждением в потоке аргона со скоростью, превышающей критическую скорость закалки стали.

Недостатками данного способа являются:

- невозможность проведения азотирования титановых сплавов в плазме повышенной плотности, так как применение стальных экранов может приводить к попаданию распыленных частиц железа на обрабатываемую поверхность и блокированию диффузии азота вглубь обрабатываемой поверхности;

- снижение эффективности диффузии азота вглубь изделия, так как азотирование проводят в среде азота, что приводит к образованию сплошной нитридной пленки на поверхности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому, является способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов (патент РФ №2346080, C23C 8/02. 25.01.2007), который проводят при помощи электроискрового легирования поверхностного слоя с последующим оксидированием или азотированием. Электроискровое легирование проводят нитридообразующими элементами или сплавами на их основе. Затем осуществляют термическое оксидирование в окислительной воздушной среде при температуре 600-800°С в течение 2-16 часов или диффузионное азотирование проводят в каталитически приготовленных газовых аммиачных средах при температуре 500-680°С в течение 15-40 часов.

Недостатками прототипа являются

- высокая трудоемкость;

- большая длительность процесса;

- азотирование титанового сплава проводят в аммиачной среде, что может приводить к охрупчиванию поверхности вследствие образования гидридов титана.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение трудоемкости за счет проведения комбинированной обработки за один вакуумный (технический) цикл и повышение ресурса работы модифицированной поверхности вследствие образования защитного слоя.

Техническим результатом является увеличение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет комбинированной обработки азотированием различными способами за один технологический цикл в одном вакуумном объеме.

Задача решается и технический результат достигается способом модификации поверхности изделий из титановых сплавов, включающим обработку поверхностного слоя с последующим азотированием, по которому согласно изобретению азотирование проводят в вакуумной камере в газовой смеси 15 мас.% азота и 85 мас.% аргона при температуре 650-700°С путем вакуумного нагрева в плазме повышенной плотности с эффектом полого катода в течение 4 часов, причем плазму повышенной плотности формируют между деталью и экраном, выполненным с отверстиями и изготовленным из титанового сплава, затем повышают давление до 300 Па и проводят азотирование в газовой среде азота при температуре 650-700°С в течение 4 часов без эффекта полого катода.

Плазма повышенной плотности обеспечивается за счет эффекта полого катода.

Эффект полого катода проявляется в значительном повышении плотности тока, увеличении степени ионизации при одновременном снижении напряжения горения разряда.

Экран выполнен из титановой пластины с отверстиями.

Последующая обработка азотированием без эффекта полого катода при повышенном давлении (Р=300 Па) позволяет получать после азотирования в плазме повышенной плотности на поверхности плотный, хорошо сцепленный с поверхностью высокоазотистый нитридный слой TiN (δ-фазу), который повышает прочность поверхности и повышает износостойкость обрабатываемого изделия.

Сущностьо изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен график области существования эффекта полого катода: 1 - нижняя граница существования эффекта полого катода, 2 - верхняя граница существования эффекта полого катода, 3 - область существования эффекта полого катода. На фиг 2. изображено влияние азотирования (I - c эффектом полого катода, II - при повышении давления) различными способами на модификацию поверхности: 4 - экран, изготовленный из титанового сплава, 5 - слой, насыщенный азотом, 6 - исходная структура, 7 - плазма повышенной плотности, 8 - плазма при повышенном давлении, 9 - нитридный слой. На фиг. 3 изображены параметры экрана для создания эффекта полого катода, где а - размер отверстия, b - расстояние между центрами отверстий. На фиг.4 изображен экран из титанового сплава для создания эффекта полого катода. На фиг. 5 изображена схема реализации способа ионного азотирования титанового сплава в тлеющем разряде с эффектом полого катода.

Схема содержит источник питания 10, анод 11, катод 12, катод-деталь 13, экран в виде пластины с отверстиями изготовленного из титанового сплава 14, установленный на определенном расстоянии от катод-детали 13, корпус из металла вакуумной камеры 15.

Пример конкретной реализации способа.

Способ осуществляется следующим образом: в вакуумной камере (фиг. 5) на определенном расстоянии от обрабатываемой поверхности устанавливают экран (фиг. 4), выполненный из титанового сплава с расчетными параметрами а и b (b=2a) (фиг. 3), деталь и экран подключают к отрицательному электроду, герметизируют камеру и откачивают воздух до давления 133 Па. После эвакуации воздуха камеру продувают рабочим газом в течение 5-15 мин при давлении ~1330 Па, затем откачивают камеру до давления 20-30 Па, подают на электроды напряжение и возбуждают тлеющий разряд. При напряжении 900-1100 В на этой стадии осуществляется катодное распыление. После 5-20-минутной обработки поверхности по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, а давление повышают до 90 Па. Рабочая смесь имеет состав газов - 15% азота - 85% аргона.

С помощью эффекта полого катода, возникающего в полости между экраном и обрабатываемой поверхностью, происходит нагрев и азотирование детали в плазме повышенной плотности, обеспечивающий повышение твердости поверхности титанового сплава. Продолжительность насыщения составляет 4 часа при температуре 650-700°С.

После 4-часовой обработки азотированием с эффектом полого катода в камере повышают давление до 300 Па, что способствует ликвидации проявления эффекта полого катода (фиг.1), и проводят обработку в течение 4 часов при температуре 650-700°С, в связи с чем на обрабатываемой поверхности образуется тонкий внешний слой, который состоит из TiN и имеет толщину 20 мкм (фиг. 2).

Азотирование в плазме повышенной плотности приводит к интенсификации процесса насыщения обрабатываемой поверхности азотом, что приводит к повышению твердости, а последующая обработка с повышением давления позволяет получить на поверхности внешний нитридный слой TiN (δ-фазу), который повышает прочность поверхности и повышает износостойкость обрабатываемого изделия.

Способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов азотированием в тлеющем разряде, отличающийся тем, что азотирование проводят в вакуумной камере в газовой смеси 15 мас.% азота и 85 мас.% аргона при температуре 650-700°С путем вакуумного нагрева в плазме повышенной плотности с эффектом полого катода в течение 4 часов, причем плазму повышенной плотности формируют между деталью и экраном, выполненным с отверстиями и изготовленным из титанового сплава, затем повышают давление до 300 Па и проводят азотирование в газовой среде азота при температуре 650-700°С в течение 4 часов без эффекта полого катода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургической промышленности, а именно к химико-термической обработке поверхности изделий из титановых сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей двигателей, работающих в условия износа, в медицине и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки металлов и сплавов, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения, а также режущего инструмента и штамповой оснастки.

Изобретение относится к области термической, химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности. Способ упрочнения поверхностей деталей из титановых сплавов включает азотирование с последующим отжигом.

Изобретение относится к плазменной химико-термической обработке, а именно к способу ионно-плазменного прецизионного азотирования металлических поверхностей, и может быть использовано в машиностроении, двигателестроении, металлургии и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к области технологии машиностроения и может быть использовано в процессах упрочнения деталей машин и инструментов. Способ включает воздействие на поверхность детали ионизированным газом, полученным пропусканием его через электроразряд, при этом покрытие формируют, по меньшей мере, локальным с помощью сопла, расположенного на расстоянии 8-10 мм от поверхности детали под углом 70-80° к ней, при этом в качестве ионизированного газа используют озонированный воздух, который получают с помощью коронного электроразряда силой тока 400 мкА, создаваемого внутри упомянутого сопла, а воздействие озонированным воздухом на поверхность детали осуществляют с давлением 0,2 кгс/см2 при комнатной температуре.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к методу образования защитного нанокомпозитного покрытия на поверхности изделия из жаропрочного никелевого сплава, подверженного высоким температурам и механическим нагрузкам.

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов, в частности к ионному азотированию, и может быть использовано в машиностроении, автостроении и арматуростроении.
Изобретение относится к области машиностроения, к способам образования защитных покрытий на изделиях, имеющих тонкостенные и толстостенные части и выполненных из стали или титанового сплава.

Изобретение относится к области термической и химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для поверхностного упрочнения материалов.

Изобретение относится к области термической и химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для поверхностного упрочнения материалов.

Изобретение относится к прецизионным износостойким антифрикционным покрытиям, полученным путем вакуумно-дугового осаждения, и может быть использовано в машиностроении, авиастроении, при создании конструкций с повышенными антиэрозионными, антифрикционными и защитными свойствами. Износостойкое антифрикционное покрытие деталей пар трения содержит азотированный слой и слои нитрида титана и алюминия. На азотированной поверхности детали выполнен первый слой из титана, второй слой выполнен в виде чередующихся нанослоев титана и нитрида титана, а после третьего слоя, выполненного в виде чередующихся нанослоев нитрида титана и нитрида алюминия, выполнен четвертый слой из нитрида алюминия. Обеспечивается повышение износостойкости покрытия, в том числе эрозионному воздействию агрессивной среды, при этом в узлах трения с распределительным золотником достигается высокая надежность работы серийных и новых конструкций агрегатов и увеличивает их ресурс в 5-20 раз. 4 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к способу получения упрочненного сплава, имеющего металлическую основу, в объеме которой диспергированы наночастицы, из которых по меньшей мере 80% имеют средний размер от 0,5 нм до 50 нм. Указанные наночастицы содержат по меньшей мере один нитрид, выбранный из нитридов по меньшей мере одного элемента-металла М, выбранного из группы, содержащей Ti, Zr, Hf и Та. Способ включает следующие последовательные этапы, на которых a) осуществляют плазменное азотирование основного сплава при температуре от 200°C до 700°C для введения в него внедренного азота, причем указанный основной сплав содержит от 0,1% до 1% по весу элемента-металла М и выбран из аустенитного, ферритного, ферритно-мартенситного сплава или сплава на основе никеля, b) проводят диффундирование внедренного азота в указанном основном сплаве при температуре от 350°C до 650°C и c) осуществляют выделение нитрида при температуре от 600°C до 900°C в течение от 10 минут до 10 часов с образованием указанных наночастиц, диспергированных в упрочненном сплаве. Обеспечивается получение сплава, упрочненного частицами нитрида. 28 з.п. ф-лы, 1ил.

Изобретение относится к области упрочняющей обработки материалов, в частности к способам химико-термической обработки изделий путем нанесения металлосодержащих покрытий различного назначения. Способ включает химико-термическую обработку изделия, изготовленного из материала, способного к насыщению неметаллами 2-го периода с образованием твердого раствора неметаллов 2-го периода и их неустойчивых соединений, при этом сначала поверхностный слой насыщают неметаллом 2-го периода и напыляют на поверхность металлы IV-V групп, после чего инициируют реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза металлов IV-V групп с неметаллами 2-го периода путем импульсного нагрева поверхности изделия до температуры Т, которую выбирают из следующих условий: Т>Ти; Т>Тд, где Ти - температура инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза между металлами IV и V групп и неметаллами 2-го периода; Тд - температура диссоциации неустойчивых соединений неметаллов 2-го периода с материалом изделия. Технический результат заключается в повышении качества обработки изделия. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов в плазме тлеющего разряда, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и режущего инструмента. Способ азотирования изделия из стали в плазме тлеющего разряда включает размещение изделия в вакуумной камере и присоединение изделия к высоковольтному источнику питания, герметизацию вакуумной камеры и создание в ней высокого вакуума с последующей заменой на атмосферу чистого азота, получение стабильной плазмы тлеющего разряда в атмосфере чистого азота с помощью высоковольтного источника питания и потока электронов от вольфрамовой нити накала, установленной параллельно оси вакуумной камеры, который создают нагревом нити накала до температуры 2000-2500°С. Получают плазму тлеющего разряда повышенной плотности в атмосфере чистого азота путем воздействия на поток электронов и ионов электромагнитным полем с использованием кольцевых электромагнитов, обеспечивающих электронам и ионам движение по винтовым траекториям переменного радиуса. Для осуществления нагрева изделий до температуры азотирования в упомянутой плазме тлеющего разряда повышенной плотности на подложку с изделиями подают напряжение 2000 В, затем уменьшают напряжение на подложке до 1800-1500 В для поддержания постоянной температуры азотирования, при этом обеспечивают плотность тока разряда равной 104 А/м2, при которой азотирование проводят в течение 2-3 часов. Обеспечивается повышение скорости азотирования, а также микротвердости и износостойкости азотированного покрытия. 1 ил., 1 пр.
Наверх