Способ получения высокопрочных и износостойких покрытий на изделиях из тугоплавких металлов и их сплавов

 

Способ получения высокопрочных и износостойких покрытий на изделиях из тугоплавких металлов и их сплавов включает одновременную подготовку поверхности изделий путем воздействия на нее атомарным водородом, получаемым диссоциацией гидридов элементов Iа - Vа подгрупп Периодической системы элементов, и их азотирование. Азотирование проводят в среде аммиака, или азота, или их смеси при 850-1500°С и давлении не менее 5 МПа. Техническим результатом является получение глубоких упрочненных слоев на тугоплавких металлах и их сплавах, существенная интенсификация процесса азотирования, обеспечение однородности распределения азота в поверхностных азотированных слоях, а также возможность азотирования изделий сложной геометрии. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам азотирования, и может быть использовано для получения высокопрочных и износостойких покрытий на изделиях из тугоплавких металлов и их сплавов.

Известен способ нанесения нитридных слоев на детали из титана и его сплавов, включающий азотирование в атмосфере аммиака или газовой смеси, содержащей аммиак и азот, при температуре 500 - 1000^oC и давлении 0,2 - 10,0 МПа, причем парциальное давление аммиака составляет минимум 0,2 МПа. Способ направлен на получение слоев толщиной 20 мкм и более за относительно короткое время (Патент СССР N 1836484, МКИ⁵ С 23 С 8/ 24, опубл. 23.08.93). Однако этот способ не позволяет получить глубокие азотированные слои.

Известен способ химико-термической обработки металлических изделий, включающий подготовку поверхности и газовое азотирование при 500 - 800^oC. Подготовка поверхности заключается в обезжиривании и предварительном нанесении на поверхность изделий слоя оксидов металла толщиной 10 - 500 мкм с плотностью 1,1 - 3,5 г/см³. В качестве оксидов металла используют оксиды железа или смесь оксидов железа с оксидами алюминия или калия. Способ направлен на интенсификацию процесса и повышение качества диффузионного слоя (Авторское свидетельство СССР N 1740491, МКИ С 23 С 8/24, опубл.15.06.92). Однако этот способ непригоден при азотировании изделий из тугоплавких металлов и их сплавов (например, титана) и требует предварительную подготовку поверхности обезжириванием.

Известен способ получения износостойких покрытий на изделиях из твердых сплавов, включающий нагрев и очистку поверхности заготовки путем обработки ускоренными ионами карбидо- и нитридообразующих элементов при ускоряющем напряжении не менее 1 кВ, введение атомов азота в приповерхностный слой заготовки и конденсацию материала покрытия, в котором введение атомов азота в приповерхностный слой заготовки осуществляют одновременно с нагревом и очисткой поверхности заготовки, а обработку ускоренными ионами карбидо- и нитридообразующих элементов осуществляют в атмосфере азота при давлении 0,5 - 2,0 Па. Способ обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости изделий (Патент РФ N 1783856, МКИ С 23 С 14/06, опубл. 20.03.95 - прототип).

Недостатком указанного способа является невозможность получения глубоких упрочненных слоев на тугоплавких металлах и их сплавах, а также невозможность его использования при обработке изделий сложной формы, в том числе имеющих внутренние полости или глубокие отверстия малых диаметров и т.п.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении глубоких упрочненных слоев адгезионно прочно соединенных с матрицей тугоплавких металлов и сплавов на их основе, интенсификации процессов азотирования, расширении сортамента азотируемых изделий, исключении операции по предварительной очистке поверхности обрабатываемых изделий.

Техническим результатом изобретения является: получение глубоких упрочненных слоев на тугоплавких металлах и их сплавах, недостижимых при использовании других методов азотирования, существенной интенсификации процесса азотирования, обеспечении однородности распределения азота в поверхностных азотированных слоях.

Дополнительным результатом является возможность азотирования изделий любой сколь угодно сложной геометрии. Эта обработка в ряде случаев может использоваться в качестве финишной операции.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения высокопрочных и износостойких покрытий на изделиях из тугоплавких металлов и их сплавов, включающем одновременную подготовку поверхности изделий и их азотирование, согласно изобретению, подготовку поверхности ведут воздействием на нее атомарным водородом, получаемым путем диссоциации гидридов элементов Ia - Va подгрупп Периодической системы элементов. Азотирование ведут в среде аммиака или азота или их смеси при температуре 850 -1500^oC. Азотирование ведут при указанной температуре и давлении не менее 5 MПa.

Атомарный водород получают термическим разложением гидридов элементов Ia - Va подгрупп Периодической системы элементов, содержащих высокий процент водорода, например гидрида ванадия, гидрида кальция, гидрида лития, в процессе нагрева обрабатываемых деталей при выходе на температуру азотирования.

Атомарный водород, вступая во взаимодействие с поверхностными оксидами, эффективно очищает поверхность обрабатываемого изделия, что исключает необходимость в предварительной очистке изделий. Образующиеся в результате взаимодействия с оксидами пары воды увлажняют насыщающую атмосферу, еще больше активируя поверхность деталей, способствуя адсорбции и диффузии азота вглубь детали. Важно, что активированное состояние поверхности обрабатываемых деталей сохраняется в течение всего времени обработки.

В случае использования смеси молекулярного азота и аммиака, образующийся при диссоциации гидрида водород не только вступает во взаимодействие с поверхностными оксидами, но и, частично соединяясь с азотом, образует дополнительно аммиак, что обеспечивает постоянную подпитку атмосферы аммиаком в течение всего процесса азотирования.

Азотирование изделий из тугоплавких металлов и сплавов на их основе ведут в среде аммиака, молекулярного азота или их смеси при температурах из интервала 850 - 1500^oC.

Азотирование изделий из тугоплавких металлов и их сплавов ведут с использованием в качестве насыщающей атмосферы компримированного молекулярного азота при температурах из интервала 850 - 1500^oC и давлении не менее 5 МПа.

Варьирование давления молекулярного азота обеспечивает тонкую регулировку азотного потенциала насыщающей атмосферы в широких пределах, так как термодинамическая активность азота пропорциональна корню квадратному из логарифма давления. Все это в сочетании с варьированием температуры обработки позволяет, в зависимости от решаемой задачи, вести процесс либо с образованием нитридов, либо с получением пересыщенных твердых растворов азота или совмещением обоих вариантов.

При использовании газовой смеси из молекулярного азота и аммиака последний является дополнительным источником водорода, что способствует лучшему очищению поверхности обрабатываемых деталей.

Пример 1. На дно контейнера засыпают порошок гидрида ванадия в объеме порядка 1% от объема садки, укладывают детали из титана марки ВТОО. Контейнер с деталями устанавливают в рабочей зоне газостата. Осуществляют предварительное вакуумирование камеры газостата, напускают молекулярный азот и давление в камере повышают до 30,0 МПа. Включают нагрев и по выходе на температуру в 1100^oC начинают изотермическую выдержку. После часовой выдержки температуру в камере снижают до комнатной. Давление снижают до атмосферного и производят извлечение обработанных деталей. После такого режима обработки глубина азотированного слоя в титане составляет 0,65 мм при твердости на поверхности 1100 ед. HV и твердости неазотированной сердцевины 300 ед HV. Поверхность образца светлая с металлическим блеском. Обработка по такому же режиму, но без засыпки приводит к образованию азотированного слоя глубиной 0,12 мм с поверхностной твердостью 1100 Ед.HV. Поверхность образцов грязно-бурая, не имеет металлического блеска и различается интенсивностью на различных участках образцов.

Пример 2. Объект обработки: титан марки ВТОО. Процесс обработки осуществляется аналогично приведенному выше, но с тем отличием, что его ведут при атмосферном давлении молекулярного азота. Температура изотермической выдержки составила 900^oC, время - 1 час. После обработки глубина азотированного слоя составляет 0,20 мм при твердости на поверхности 1100 ед.НV.

Пример 3. В качестве объекта для обработки использовали твердый сплав марки ВКЗМ. Обработку осуществляли аналогично случаю с примером 1 в засыпке гидрида при давлении 100,0 МПа и 1100^oC. Длительность выдержки составляла два часа. После проведения обработки глубина упрочненного слоя составляла 0,8 мм при твердости на поверхности 2150 ед.НV. Твердость неазотированной сердцевины составляла 1500 ед. HV.

Обработанные предложенным способом фильеры из сплава ВКЗМ при промышленных испытаниях показали 5 -кратное увеличение эксплуатационной стойкости, при отсутствии разброса по свойствам фильер, обработанных по одному режиму.

Следует отметить, что нанесение нитридных слоев на внутренние поверхности при использовании плазменных методов азотирования практически неосуществимо, а применение традиционного газового азотирования нереально ввиду полной диссоциации аммиака при температурах свыше 800^oC.

Формула изобретения

1. Способ получения высокопрочных и износостойких покрытий на изделиях из тугоплавких металлов и их сплавов, включающий одновременную подготовку изделий и их азотирование, отличающийся тем, что подготовку поверхности ведут воздействием на нее атомарным водородом, получаемым путем диссоциации гидридов элементов Ia - Va подгрупп Периодической системы элементов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что азотирование ведут в среде аммиака, или азота, или их смеси при температуре 850 - 1500^oC.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что азотирование ведут при давлении не менее 5 Мпа.