Способ азотирования деталей из титана и его сплавов

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к нанесению диффузионных покрытий на изделия из титана и его сплавов, и может быть использовано в машиностроении . Цель изобретения - повышение износостойкости деталей, работающих в условиях ограниченной смазки и высоких контактных нагрузок. В способе азотирования деталей из титана и его сплавов, включающем двухстадийное ионное насыщение, на первой стадии ионное азотирование проводят при 800 - 1100°С и давлении 250 - 650 Па в течение 100 - 360 мин, затем охлаждают деталь в насыщающей среде до 500 - 800°С в течение 10-15 мин, а вторую стадию азотирования проводят при 900 - 1100°С и том же давлении в течение 60 - 120 мин. Применение способа позволяет повысить износостойкость деталей. 1 ил.,2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (1!) (51)5 С 23 С 8/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

t>0 U q

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4793732/02 (22) 27.12.89 (46) 23,04.92. Бюл, %15 (71) Межотраслевой отдел триботехнических исследований и испытаний НИИАТ и

ИПП АН УССР (72) B.Ã.Êàïëóí, Н.Л.Голего, Б,А.Ляшенко, О.В.Цигулев; В.И.Масягин, В.Г,Козырь и

А.В.Паршенко (53) 621.785.51.062.5 (088.8) (56) Заявка Великобритании М 2010922, НКИ С 7 V, МКИ С 23 С 11/14, 1979. (54) СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ

ИЗ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к нанесению диффузионных поИзобретение относится к нанесению диффузионных покрытий. Оно может быть использовано для повышения износостойкости деталей машин, изготовленных из титана и его сплавов, Известен способ азотирования, включающий операции диффузионного насыщения поверхностей стальных деталей в две стадии" при 500 — 520 С, а затем при 560—

600 С и последующего охлаждения деталей в потоке аммиака (Кнорозов Б.В., Усова

Л.Ф. и Третьякова А.В. и др. Технология металлов. M.: Металлургия, 1978, с.271—

273). Недостаток описанного способа — невозможность получения поверхностной структуры на деталях из титана и сплавов на

его основе, препятствующих схватыванию последних при больших контактных нагрузках, крытий на изделия из титана и его сплавов, и может быть использовано в машиностроении. Цель изобретения — повышение износостойкости деталей, работающих в условиях ограниченной смазки и высоких контактных нагрузок. В способе азотирования деталей из титана и его сплавов. включающем двухстадийное ионное насыщение, на первой стадии ионное азотирование проводят при 800 — 1100 С и давлении 250—

650 Па в течение 100 — 360 мин, затем охлаждают деталь в насыщающей среде до

500 — 800 С в течение 10- 15 мин, а вторую стадию азотирования проводят при 900—

1100 С и том же давлении в течение 60—

120 мин. Применение способа позволяет повысить износостойкость деталей. 1 ил., 2 табл.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической трудности и вЪ достигаемому результату является способ 4 азотирования деталей из титана и его спла- К) вов, включающий двухстадийное ионное на- Q0 сыщение (1). (л)

При этом первая стадия предназначена СЪ для общего азотирования поверхности, а вторая — для диффузионного насыщения углублении (отвеоотий) в обрабатываемой детали.

Э

Недостаток способа — невозможность получения на деталях из титана и сплавов на его основе, которые работают в условиях трения и больших контактных нагрузок, поверхностных структур, препятствующих износу и схватыванию сопрягаемых поверхностей.

1728304

Цель изобретения — повышение износостойкости деталей, работающих в условиях ограниченной смазки и высоких контактных нагрузок.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе азотирования деталей из титана, и его сплавов, включающем двухстадийное ионное насыщение, согласно изобретению на первой стадии ионное азотирование проводят при 800 — 1100 С и давлении 250 — 650 Па в течение 100 — 360 мин, затем охлаждают деталь в насыщающей среде до 500 — 800 С в течение 10 — 15 мин, а вторую стадию азотирования проводят при 900 — 1100 С и том же давлении в течение 60 — 120 мин.

Ионное азотирование титана и его сплавов осуществляется в интервале температур

800 — 1100 С при давлении 250 — 650 Па в различных средах с содержанием азота 5—

100 . применение водородосодержащих сред вызывает сильное водородное охрупчивание титана и его сплавов, Ионное азотирование при температурах, больших

1100 С и меньших 800 С приводит к резкому снижению твердости и уменьшению толщины слоя. Толщина и твердость диффузионного покрытия возрастает с увеличением времени аэотирования. Однако эта зависимость параболическая и при времени азотирования больше 6 ч (360 мин) твердость практически не увеличивается, а глубина увеличивается незначительно. При больших давлениях (больше 650 Па) нарушается устойчивость горения тлеющего разряда, а при давлениях менее 250 МПа необходимо повысить рабочее напряжение более, чем до 1000 В для выхода на наружный температурный режим, что не рекомендуется по условиям техники безопасности.

Пример 1. Образцы из сплава BTI-О в виде пустотелого цилиндра в количестве

10 шт. с наружным диаметром 35 мм, внутренним диаметром 25 мм и высотой 25 мм обезжиривались и устанавливались в вакуумную камеру на катод установки ионного азотирования. После герметизации камеры производилась откачка воздуха до разряжения 1 — 1,5 Па, продувка аргоном для удаления остатка воздуха и повторная откачка до разряжения 1,5 Па. После этого включался тлеющий разряд и при напряжении 1200 В проводилась ионная очистка образцов на протяжении 30 мин. Затем осуществлялся процесс диффузионного насыщения в 3 стадии:

1-я стадия. Отключался тлеющий разряд, в вакуумную камеру подавалась смесь (75 об. и + 25 об, А.) до достижения давления 400 Па, включался тлеющий разряд и осуществлялся нагрев образцов до

1050 С (выше температуры полиморфного превращения а)3титана) и выдержка при данной температуре на протяжении 2 ч с

5 целью получения столбчатой структуры зоны внутреннего азотирования (а -твердого раствора).

2-я стадия, Отключался тлеющий разряд и производилось охлаждение образцов в на10 сыщающей среде в течение 10 — 15 мин до

500 — 600 С с целью получения в результате полиморфного превращения переходного слоя а-твердого раствора, прилегающего к основе. Включался тлеющий разряд, при

15 давлении 400 Па образцы нагревались до

900 С и при данной температуре проводилось диффузионное насыщение на протяжении 2 ч для получения износостойкого нитридного слоя.

20 После третьей стадии отключался тлеющих разряд и образцы охлаждались в вакууме до 40 — 60 С, после чего их извлекали из вакуумной камеры и измеряли микротвердость на поверхности образцов при помощи

25 прибора llMT-3. Микротвердость образцов после ионного аэотирования составляла

8600 — 9500 Мпа.

Пример 2. Образцы из сплава АТЗ в количестве 10 шт. в форме пустотелых ци30 линдров с наружным диаметром 35 мм, внутренним диаметром 27 мм и высотой 25 мм обезжиривались, помещались на катод установки ионного азотирования. После герметизации камеры откачивался воздух

35 до разряжения 1 — 1,5 Па, делалась продувка аргоном и повторная откачка до указанного давления, после чего включался тлеющий разряд и при напряжении 1200 B осуществлялась ионная очистка образцов на протя40 жении 30 мин, Затем осуществлялся процесс диффузионного насыщения.

1-я стадия. Отключался тлеющий разряд, в вакуумную камеру подавалась рабочая смесь газов (75 об. Кг + 25 об., Ar) до

45 достижения давления 300 Па, включался тлеющий разряд и осуществлялся нагрев образцов до 1000 С, выдержка при данной температуре на протяжении 2 ч с целью получения столбчатой структуры зоны внут50 реннего азотирования (а-твердого раствора).

2-я стадия; Отключался тлеющий разряд для охлаждения образцов в насыщающей среде в течение 10 мин до 500 — 600 С с

55 целью получения переходного слоя атвердого раствора на границе с основой в результате полиморфного превращения.

Включался тлеющий разряд, при давлении

300 Па образцы нагревались до 850 С и при

1728304 типа УМТ-1. В качестве контробразца и:пользовали диск, изготовленный из стали

45, Результаты испытаний приведены в

5 табл.2.

Формула изобретения

Способ азотирования деталей иэ титана и его сплавов, включающий двухстадийное ионное насыщение, о тл и ч а ю щи и с я

10 тем, что, с целью повышения износостойкости деталей, работающих в условиях ограниченной смазки и высоких контактных нагрузок, на первой стадии ионное азотирование проводят при 800 — 1100 С и давле15 нии 250 — 650 Па в течение 100 — 360 мин, затем охлаждают деталь в насыщающей среде до 500 — 800 С в течение 10 — 15 мин, а вторую стадию азотирования проводят при 900 — 1100 С и том же давлении в тече20 ние 60 — 120 мин. данной температуре проводилось диффузионное насыщение на протяжении 2 ч. После этого отключался тлеющий разряд, образцы охлаждались в вакууме до 40 — 60О, затем образцы извлекались и проводились измерения микротвердости и микроструктурные исследования. Микротвердость на поверхности составляла 6800 — 7300 МПа.

В результате микроструктурных исследований получены графики распределения микротвердости по глубине азотированных слоев, приведенные на чертеже. Аналогично были подвергнуты ионному азотированию образцы из сплава ОТ4. Режимы азотирования и условия испытаний даны в табл.1 (среда — 75 об. Nz+ 25 об.7Аг).

Образцы из сплавов титана по 100 шт. каждого материала, обработанные по предлагаемому и описанному способам, подвергали испытанию в машине торцового трения

Табпивэ 1

Иатериол I

1 одразца

Пзнос, (Сиватьаанл, ние, оС.i ренин азотировэьия

: слов я исльтв ии

2, н/с ".Oà н

С, мин) Оь дерь яа

1 ..., . р и T4 S 0 0

l иин

2-0 этап

I-0 этап (Т, С JP,Па (Т, С

Р, Па С, нин

459

3G9

659

800

l0

25 !

О

8

15 с л

Таблица2

ОТ-4

0T=!, ОТ-4

ОТ-4

СТ-4

ОТ-4

GT-4

ОТ-4 лТ 4

0Т-4

AT)

АТЗ

АТЗ

АТ3

АТ3

АТЗ

АТ3

АТЗ

РТЗ

AT 3

I ISO

1000

650

129

120

10 !

О

l0

1О

1О

10 !

700 о09

IGGG

120 I 20

1)0

17.9

129

0,5

0,;

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0 5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5, 5

1S

IS

IS

10G0

1000

28 д

9

19

3

17

14

1ь

18

23

13

1728304

Н-ОО ЯГа

ЖОО

8000

I — GATI-0

2- ЛТЗ

4ООО. л

2<ОС

2О 2M 3ОО ьж.", 25

Составитель В. Козырь

Техред М,Моргентал Корректор А, Осауленко

Редактор Т, Куркова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1381 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5