Способ химико-термической обработки детали из сплава на основе титана


 


Владельцы патента RU 2606352:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе титана, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения. Способ химико-термической обработки детали из сплава на основе титана включает размещение детали в рабочей камере установки, активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температур химико-термической обработки и выдержку при этих температурах до формирования необходимой толщины диффузионного слоя. Активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой проводят с помощью ионно-имплантационной обработки поверхности детали при энергии ионов от 30 до 40 кэВ, дозой от 1,4⋅1017 см-2 до 1,8⋅1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅1015 с-1 до 1⋅1015 с-1, при этом в качестве имплантируемых ионов используют ионы следующих элементов: С, N, или их комбинации. В частных случаях осуществления изобретения химико-термическую обработку детали проводят ионно-плазменным азотированием или ионно-плазменной цементацией или ионно-плазменной нитроцементацией. Обеспечивается повышение производительности и качества процесса химико-термической обработки, а также повышение износостойкости деталей после химико-термической обработки. 2 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе титана, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения.

Широко известны процессы упрочнения поверхности деталей методами ХТО. Известен, например способ химико-термической обработки деталей, включающий диффузионное насыщение элементами внедрения и замещения и последующий нагрев поверхности детали (АС СССР №1515772, МПК С23С 8/00. СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ. Бюл. №36. 2013 г.).

Известен способ ХТО деталей, заключающий в высокотемпературном азотировании, закалке с последующим отпуском [Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976, с. 99-102]. В результате обработки получают высокоазотистый слой небольшой толщины. Такой слой хорошо противостоит коррозии в атмосфере, но плохо работает при высоких изгибных, контактных напряжениях и в условиях повышенного износа.

Известны также ионно-плазменные методы химико-термической обработки, например методы ионного азотирования в плазме тлеющего разряда постоянного или пульсирующего тока, которые включают в себя две стадии - очистку поверхности катодным распылением и собственно насыщение поверхности металла азотом [Теория и технология азотирования / Лохтин Ю.М, Коган Л.Д. и др. // М., Металлургия, 1990, С. 89], а также ионное азотирование деталей из титана в тлеющем разряде с полым катодом [Ахмадеев Ю.Х., Гончаренко И.М., Иванов Ю.Ф., Коваль Н.Н., Щанин П.М., Колубаева Ю.А., Крысина О.В. Азотирование титана в тлеющем разряде с полым катодом // Поверхность. - 2006. - №.8. - С. 63-69].

Известен также способ химико-термической обработки деталей, при котором на стадии очистки изделий тлеющий разряд периодически переводят в импульсную электрическую дугу. Это позволяет интенсифицировать процесс за счет быстрого разогрева обрабатываемой поверхности в первые минуты до более высоких температур, чем температура процесса азотирования (АС СССР 1534092, МПК С23С 8/36, опубл. 07.01.90; BG 43787. МПК С23С 8/36. METHOD FOR CHEMICO-THERMIC TREATMENT IN GLOWING DISCHARGE OF GEAR TRANSMISSIONS. 1988).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ химико-термической обработки детали, включающий размещение детали в рабочей камере установки, активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температур химико-термической обработки и выдержку при этих температурах до формирования необходимой толщины диффузионного слоя (АС СССР №1574679, МПК С23С 8/36, опубл. 30.06.90; патент РФ №2144095, МПК С23С 8/38, опубл. 10.01.2000).

Недостатками известных способов и прототипа являются невысокая износостойкость поверхности из-за неоднородности диффузионного слоя и образования в диффузионном слое хрупких фаз, а также низкая производительность насыщения поверхностного слоя материала детали в процессе ХТО. ХТО с использованием известных способов приводит к следующим негативным явлениям: существует высокая вероятность образования неравномерного слоя с уменьшенной концентрацией насыщаемого вещества, неоднородной и пониженной твердостью материала поверхностного слоя, возникновением дефектных участков. Для удаления дефектных участков поверхностного слоя после ХТО проводится шлифование, однако при удалении обедненного дефектного слоя часто образуются прижоги и ряд других характерных дефектов поверхностного слоя и в результате к снижению износостойкости деталей.

Задачей предлагаемого изобретения является интенсификация процесса и повышение качества химико-термической обработки деталей из сплава на основе титана за счет активации и обеспечения однородного состояния материала поверхностного слоя детали в процессе ХТО и, как следствие, повышение износостойкости деталей.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение производительности и качества процесса ХТО, а также повышение износостойкости деталей из сплава на основе титана после ХТО.

Технический результат достигается тем, что способ химико-термической обработки детали из сплава на основе титана, включающем размещение детали в рабочей камере, активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры химико-термической обработки и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины диффузионного слоя, в отличие от прототипа, активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой проводят с помощью ионно-имплантационной обработки поверхности детали при энергии ионов от 30 до 40 кэВ, дозой от 1,4⋅1017 см-2 до 1,8⋅1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅1015 с-1 до 1⋅1015 с-1, и при использовании в качестве имплантируемых ионов ионов следующих элементов: С, N, или их комбинации. Кроме того, возможно использование в способе следующих дополнительных приемов: химико-термическую обработку детали проводят ионно-плазменным методом; в качестве ионно-плазменного метода используют ионно-плазменное азотирование или ионно-плазменную цементацию или ионно-плазменную нитроцементацию.

Повышение требований к качеству обработки деталей машин послужили поводом для совершенствования методов насыщения поверхности легирующими элементами и привели к созданию ряда новых способов обработки, таких как ионное азотирование [Теория и технология азотирования / Лохтин Ю.М., Коган Л.Д. и др. // М., Металлургия, 1990, С. 89] и ионная имплантация [например, патент РФ №2479667. МПК С23С 14/48. СПОСОБ ИОННО-ИМПЛАНТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ. Бюл №11, 2013]. Ионная имплантация позволяет производить насыщение поверхностного слоя деталей практически любыми легирующими элементами, а детали, упрочненные методом ионной имплантацией, имеют гораздо более высокие эксплуатационные свойства, чем детали, подвергнутые обычной или ионной химико-термической обработки [Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под ред. Д.М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона / М.: «Мир», 1987, 424 с.; Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / под ред. Дж. М. Поута. М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.]. При этом основными недостатками ионно-имплантационной обработки являются дороговизна метода и незначительная глубина проникновения легированных элементов в поверхностный слой материала.

Для оценки эксплуатационных свойств деталей, обработанных по предлагаемому способу были проведены следующие испытания. Образцы из сплава на основе титана были подвергнуты обработке как по способам-прототипам ((А.С. СССР №1574679, патент РФ №2144095), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по вариантам предлагаемого способа.

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Ионная имплантация при обработке деталей из сплава на основе титана перед ХТО проводилось по следующим режимам: имплантируемые ионы С, N или их комбинация; доза - 1,1⋅1017 см-2 (Н.Р. - неудовлетворительный результат); 1,4⋅1017 см-2 (У.Р. - удовлетворительный результат); 1,8⋅1017 см-2 (У.Р.); 2,2⋅1017 см-2 (Н.Р.); скорость набора дозы - 0,4⋅1015 с-1 (Н.Р.); 0,7⋅1015 с-1 (У.Р.); 1⋅1015 с-1 (У.Р.); 3⋅1015 с-1 (Н.Р.), энергия: 25 кэВ (Н.Р.); 30 кэВ (У.Р.); 40 кэВ (У.Р.); 45 кэВ (Н.Р.).

Химико-термическую обработку деталей проводили газовым и ионно-плазменным методами (отличие предлагаемого способа от существующих состояла в предварительной активации поверхности ионно-имплантационной обработкой). В качестве одного из методов ХТО применяли ионно-плазменное азотирование, ионно-плазменную цементацию и ионно-плазменную нитроцементацию.

Испытания показали на повышение износостойкости образцов из сплава на основе титана по сравнению с прототипом в 1,4…1.8 раза (т.е. в результате использования активирования поверхности перед ХТО). Скорость обработки, за счет увеличения скорости диффузии при ХТО возросла приблизительно в 1,2…1,7 раз. Исследования образцов показало на повышение однородности структуры диффузионной зоны материалов.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе химико-термической обработки детали из сплава на основе титана следующих приемов: размещение детали в рабочей камере установки; активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой; подача в камеру рабочей насыщающей среды; нагрев детали до температур химико-термической обработки; выдержка при этих температурах до формирования необходимой толщины диффузионного слоя; активирование поверхности детали перед химико-термической с помощью ионно-имплантационной обработки поверхности детали при энергии ионов от 30 до 40 кэВ, дозой от 1,4⋅1017 см-2 до 1,8⋅1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅1015 с-1 до 1⋅1015 с-1, при использовании в качестве имплантируемых ионов ионов следующих элементов: С, N, или их комбинации, а также использование дополнительных приемов: химико-термическую обработку детали проводят ионно-плазменным методом; в качестве ионно-плазменного метода используют ионно-плазменное азотирование или ионно-плазменную цементацию или ионно-плазменную нитроцементацию, позволяет обеспечить заявленный технический результат предлагаемого изобретения - повысить производительность и качество процесса ХТО, а также повысить износостойкость детали из сплава на основе титана после ХТО.

1. Способ химико-термической обработки детали из сплава на основе титана, включающий размещение детали в рабочей камере установки, активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температур химико-термической обработки и выдержку при этих температурах до формирования необходимой толщины диффузионного слоя, отличающийся тем, что активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой проводят с помощью ионно-имплантационной обработки поверхности детали при энергии ионов от 30 до 40 кэВ, дозой от 1,4⋅1017 см-2 до 1,8⋅1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅1015 с-1 до 1⋅1015 с-1, при этом в качестве имплантируемых ионов используют ионы следующих элементов: С, N, или их комбинации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что химико-термическую обработку детали проводят ионно-плазменным методом.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве ионно-плазменного метода используют ионно-плазменное азотирование или ионно-плазменную цементацию или ионно-плазменную нитроцементацию.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий, работающих при высоких температурах.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе кобальта, и может быть использовано для изготовления деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий, работающих при высоких температурах.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из титана, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения.

Изобретение относится к области вакуумно-плазменных химико-термических технологий обработки материалов и изделий и может быть использовано при химико-термической упрочняющей обработке методом азотирования конструкционных изделий из нержавеющей стали в машиностроении, приборостроении, нефтегазовой, аэрокосмической отраслях.
Изобретение относится к термоводородной обработке полуфабрикатов и изделий из пористого материала на основе титана и его сплавов для медицинских имплантатов. Способ включает термодиффузионное насыщение водородом и вакуумный отжиг.

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.

Изобретение относится к области упрочняющей обработки материалов, в частности к способам химико-термической обработки изделий путем нанесения металлосодержащих покрытий различного назначения.

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.

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.

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.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий, работающих при высоких температурах.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе кобальта, и может быть использовано для изготовления деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий, работающих при высоких температурах.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из титана, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения.

Изобретение относится к области нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, а именно к способу химической обработки внутренней поверхности реактора для пиролиза углеводородов.
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 обработки деталей из легированного чугуна с различной формой графита. Способ включает контроль исходной структуры, термическую обработку, азотирование, механическую обработку, при этом исходную структуру детали контролируют на содержание графита, цементита и феррита, термообработку для деталей из чугуна, содержащего в структуре графит шаровидной формы, до 10% графита нешаровидной формы и до 20% феррита, проводят путем высокого отпуска и старения, при содержании в структуре от 10 до 80% графита нешаровидной формы и от 20 до 85% феррита путем аустенизации, охлаждения со скоростью 5-15°С в секунду до температуры верхнего бейнита, изотермической выдержки, высокого отпуска и старения, а при содержании в структуре от 10 до 80% графита нешаровидной формы, от 20 до 85% феррита и до 80 % цементита путем предварительного диффузионного отжига, аустенизации, охлаждения со скоростью 5-15°С в секунду до температуры верхнего бейнита, изотермической выдержки, высокого отпуска и старения, после термообработки контролируют структуру деталей, осуществляют механическую обработку поверхности детали с припуском, обеспечивающим при последующей после азотирования механической обработке удаление слоя ε-фазы, после чего участки детали с наименьшей толщиной стенки подвергают деформационному наклепу, затем детали фосфатируют, проводят низкотемпературное азотирование, рабочую поверхность детали подвергают электрохимическому травлению, хонингуют и фосфатируют.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам повышения механических свойств приповерхностных слоев деталей машин из сплавов на основе железа с получением субмикро- или наноструктурированного состояния диффузионных слоев.

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной технологии, а именно к устройствам для обработки длинномерных изделий. .

Изобретение относится к способам упрочнения и модификации поверхности и может использоваться для повышения стойкости деталей из титановых сплавов, работающих в коррозионно-активных средах с наличием абразивных частиц и высоких скоростей потока агрессивного раствора.

Изобретение относится к получению изделий из псевдо- или ( + ) титановых сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации в парах трения с полимерными или металлическими материалами и биологическими тканями.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий, работающих при высоких температурах.
Наверх