Способ азотирования в плазме повышенной плотности

Изобретение относится к области плазменной химико-термической обработки поверхности деталей и может быть использовано в авиадвигателестроении для повышения эксплуатационных свойств деталей, работающих при циклических нагрузках, а также позволяет интенсифицировать процесс азотирования. Способ азотирования изделий из титанового сплава в тлеющем разряде включает вакуумный нагрев изделий из титанового сплава в плазме азота повышенной плотности тлеющего разряда, при этом плазму азота повышенной плотности создают скрещенными электрическим и магнитным полями, а азотирование упомянутых изделий выполняют в рабочей смеси N2 15% + Ar 85% при давлении, равном 80 Па, температуре 500÷550°С в течение 1,5÷2 часов с последующей сменой смеси на N2 60% + Ar 40% при давлении, равном 40 Па, с выдержкой в течение 1 часа. Затем изделия охлаждают в вакууме. Обеспечивается интенсификация процесса азотирования, формирование развитого нитридного диффузионного слоя, повышение стойкости к износу, эрозии и коррозии при сохранении механических свойств и циклической усталости титановых сплавов. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области плазменной химико-термической обработки поверхности деталей и может быть использовано в авиадвигателестроении для повышения эксплуатационных свойств деталей, работающих при циклических нагрузках, а также позволяет интенсифицировать процесс азотирования.

Известен способ (патент РФ №2365671, С23С 8/80, 06.12.2007) упрочнения титановых сплавов в газовой среде, в частности, при изготовлении деталей, работающих при циклических нагрузках, включающий высокотемпературное азотирование при 700-750°C с последующим восстановительным отжигом в аргоне при температуре, превышающей температуру азотирования на 100-150°C, время отжига вычисляют по формуле

τотж=0,75⋅(Kазот/Kр)⋅exp(Eр/RTотж-Eазот/RTазот)⋅τазот,

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

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

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

R - газовая постоянная, Дж/K⋅моль;

Tазот - температура азотирования, K;

Tотж - температура восстановительного отжига, K;

τазот - время азотирования, сек.

Недостатком аналога является отсутствие возможности азотирования титановых сплавов в наноструктурном и субмикрокристаллическом состоянии.

Известен способ (патент РФ №2409700, С23С 8/36, 30.6.2009) ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота.

Недостатком известного способа является сложность оборудования и его высокая стоимость. Также отсутствует возможность создания слоя нитрида титана для повышения эрозионной и коррозионной стойкости.

Известен способ (патент РФ №2430992, С23С 14/48, 29.10.2009) нанесения износостойких покрытий на лопатки компрессора, включающий осаждение чередующихся слоев металлов и их нитридов с очисткой поверхности лопаток ионами аргона и ионной имплантацией в процессе осаждения.

Недостатками аналога являются сложность технологии и используемого оборудования, повышение времени протекания процесса, высокая стоимость готового изделия, возможность отслаивания износостойкого покрытия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ (патент РФ №2418095, С23С 8/36, 10.05.2011) обработки стальных изделий, включающий азотирование в тлеющем разряде, для осуществления которого проводят вакуумный нагрев изделий в плазме азота повышенной плотности.

Недостатком прототипа является невыполнимость азотирования титановых сплавов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является интенсификация процесса азотирования, повышение стойкости к износу, эрозии, коррозии при сохранении механических свойств и циклической усталости титановых сплавов.

Техническим результатом является интенсификация процесса азотирования, формирование развитого нитридного и диффузионного слоя.

Задача решается, а технический результат достигается за счет использования способа азотирования изделий из титанового сплава в тлеющем разряде, включающий вакуумный нагрев изделий из титанового сплава в плазме азота повышенной плотности тлеющего разряда, отличающийся тем, что плазму азота повышенной плотности создают скрещенными электрическим и магнитным полями, а азотирование упомянутых изделий выполняют в рабочей смеси N2 15% + Ar 85% при давлении, равном 80 Па, температуре 500÷550°С в течение 1,5÷2 часов с последующей сменой смеси на N2 60% + Ar 40% при давлении, равном 40 Па, с выдержкой в течение 1 часа, затем детали охлаждают в вакууме.

Величина процентного содержания азота (15%) не обеспечивает необходимую концентрацию азота для формирования нитридного слоя. Давление, равное 80 Па, создает концентрацию смеси, необходимую для понижения эффекта локализации разряда вследствие уменьшении пути, проходимого электроном до анода. Это приводит к уменьшению степени ионизации у поверхности катода, уменьшению плотности тока и, как следствие, необходимости повышения напряжения горения дуги для поддержания необходимой температуры процесса. Комплексное воздействие приведенных выше параметров обеспечивает распыление нитридного слоя вплоть до практически полного его отсутствия, что обеспечивает эффективную диффузию.

Содержание азота в смеси, равное 60%, и снижение рабочего давления приводят к формированию развитого нитридного слоя.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема реализации способа вакуумного ионно-плазменного азотирования изделий из титанового сплава. Схема содержит катод-деталь 1, анод 2, магнит 3, силовые линии магнитного поля 4, катод 5, электронное облако 6, источник питания 7.

Пример конкретной реализации способа

В вакуумной камере устанавливают обрабатываемые детали в область локализации разряда, например лопатки компрессора из сплава ВТ6. После откачивания воздуха камеру продувают Ar до давления 1000 Па, затем в камере создают давление, равное 10÷15 Па. На электроды подают напряжение 900÷1100 В, при этом происходит катодное распыление. После 5÷10 мин в камеру подают смесь газов (N2 15%+Ar 85%) до первого рабочего давления, равного 80 Па, обеспечивающего горение разряда при более высоких энергетических параметрах (Uраз=500÷600 В), для эффективной диффузии (образование развитой диффузионной зоны) до температуры 500÷550°C. При этом происходит азотирование в течение 1,5÷2 часов, после чего производят смену смеси на (N2 60%+Ar 40%) и создают давление, равное 40 Па, для формирования нитридной пленки (слоя). Затем осуществляют выдержку в течение 1 часа. Далее детали медленно охлаждают в вакууме.

Так как температура Кюри для материала магнитов составляет порядка 300-350°C, а температура процесса 500÷550°C, необходимо охлаждение.

Необходимо отметить следующие преимущества заявленного способа: высокая технологичность процесса, экологическая чистота процесса за счет отсутствия вредных производственных выбросов в атмосферу, простота схемы обработки, не требующая проектирования специальных приспособлений, и сравнительно невысокая стоимость оборудования.

Способ азотирования изделий из титанового сплава в тлеющем разряде, включающий вакуумный нагрев изделий из титанового сплава в плазме азота повышенной плотности тлеющего разряда, отличающийся тем, что плазму азота повышенной плотности создают скрещенными электрическим и магнитным полями, а азотирование упомянутых изделий выполняют в рабочей смеси N2 15% + Ar 85% при давлении, равном 80 Па, температуре 500÷550°С в течение 1,5÷2 часов с последующей сменой смеси на N2 60% + Ar 40% при давлении, равном 40 Па, с выдержкой в течение 1 часа, затем изделия охлаждают в вакууме.



 

Похожие патенты:

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

Изобретение относится к машиностроительной промышленности, а именно к химико-термической обработке поверхности изделий из титанового сплава, и может быть использовано для повышения эксплуатационных характеристик изделий.
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.
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 области металлургии, в частности к химико-термической обработке изделий из инструментальных сталей. Для увеличения глубины азотируемого слоя за короткий промежуток времени, повышения износостойкости перетачиваемого инструмента, изготовленного из отожженной заготовки, инструмент нагревают в вакуумной камере в среде аргона при давлении 0,2-0,67 Па до температуры не ниже 450° и не выше Ac1-(50-70)°C с обеспечением ионной очистки поверхности, затем при указанной температуре нагрева осуществляют ионно-плазменное азотирование в плазме азота или смеси газов аргона и азота с концентрацией азота не менее 20% путем двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, при этом сила тока дуги составляет (80-100)±0,5А, а сила тока дополнительного анода - (70-90)±0,5 А при подаче на инструмент напряжения смещения в диапазоне от -50 В до -900 В в течение 0,5-2 час, охлаждение ведут в камере, а закалку и отпуск проводят по стандартному режиму для данной стали с получением азотированного слоя глубиной 2-2,5 мм.

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке изделий из металлов и их сплавов, преимущественно сталей, и может быть использовано для упрочения изделий и повышения их эксплуатационной стойкости.

Изобретение относится к способу выращивания пленки нитрида галлия путем автосегрегации на поверхности подложки-полупроводника из арсенида галлия и может быть использовано при изготовлении светоизлучающих диодов, лазерных светодиодов, а также сверхвысокочастотных транзисторных приборов высокой мощности.
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.

Группа изобретений относится к способу упрочнения стальных деталей, устройству для осуществления способа и упрочненным в соответствии с этим способом стальным деталям.
Изобретение относится к области металлургии. Для улучшения свариваемости стальных полос с цинковым покрытием получают полосу из стали, содержащей, вес.%: С 0,04-1,0, Мn 9,0-30,0, Аl 0,05-15,0, Si 0,05-6,0, Cr ≤6,5, Cu ≤4, Ti+Zr ≤0,7, Nb+V ≤0,5, остальное - железо и неизбежные примеси, подвергают ее отжигу и затем на нее электролитическим методом наносят покрытие из цинка или цинкового сплава.

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения путем азотирования деталей. Может использоваться при изготовлении деталей и инструмента, к которым предъявляются требования повышенного сопротивления схватыванию и адгезии в парах трения и коррозионной стойкости в условиях влажного воздуха.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении деталей двигателей, а также в медицине и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к производству штанг для бурильных машин мелкошпурового бурения (до 4250 мм). .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе кобальта, упрочняемым азотированием. .
Изобретение относится к области плазменной химико-термической обработки поверхности деталей и может быть использовано в авиадвигателестроении. Способ азотирования изделий из титанового сплава в тлеющем разряде включает вакуумный нагрев изделий из титанового сплава в тлеющем разряде в плазме азота повышенной плотности. Плазму азота повышенной плотности формируют в кольцевой области вращения электронов, захваченных магнитным полем, а азотирование упомянутых изделий выполняют в смеси газов N2 50%÷60% + Ar 50÷40% при давлении 40 Па и нагреве изделий до температуры 700÷730°С с выдержкой в течение 2-3 часов. Затем осуществляют восстановительный отжиг при 800÷830°С в аргоне с выдержкой в течение 30 мин, после чего изделия охлаждают в вакууме. Обеспечивается интенсификация процесса азотирования, формирование развитого нитридного диффузионного слоя, повышающего циклическую усталость. 1 пр.

Изобретение относится к области плазменной химико-термической обработки поверхности деталей и может быть использовано в авиадвигателестроении для повышения эксплуатационных свойств деталей, работающих при циклических нагрузках, а также позволяет интенсифицировать процесс азотирования. Способ азотирования изделий из титанового сплава в тлеющем разряде включает вакуумный нагрев изделий из титанового сплава в плазме азота повышенной плотности тлеющего разряда, при этом плазму азота повышенной плотности создают скрещенными электрическим и магнитным полями, а азотирование упомянутых изделий выполняют в рабочей смеси N2 15 + Ar 85 при давлении, равном 80 Па, температуре 500÷550°С в течение 1,5÷2 часов с последующей сменой смеси на N2 60 + Ar 40 при давлении, равном 40 Па, с выдержкой в течение 1 часа. Затем изделия охлаждают в вакууме. Обеспечивается интенсификация процесса азотирования, формирование развитого нитридного диффузионного слоя, повышение стойкости к износу, эрозии и коррозии при сохранении механических свойств и циклической усталости титановых сплавов. 1 ил., 1 пр.

Наверх