Способ интенсификации процесса низкотемпературного ионного азотирования изделий из титановых сплавов

Изобретение относится к металлургической промышленности, а именно к химико-термической обработке поверхности изделий из титановых сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей двигателей, в медицине и деталей в других отраслях промышленности, работающих в условиях изнашивания. Способ низкотемпературного ионного азотирования изделий из титановых сплавов включает подачу в вакуумную камеру с упомянутыми изделиями плазмообразующей газовой смеси, содержащей азот и аргон. Перед азотированием проводят равноканальное угловое прессование с формированием ультрамелкозернистой структуры, при котором заготовку нагревают до 600°С и подвергают шести циклам прессования в оснастке, имеющей два канала с углом пересечения 120°, при этом после каждого цикла заготовку поворачивают вокруг продольной оси на 90°, а азотирование проводят в тлеющем разряде при температуре 400-450°С. Обеспечивается повышение скорости роста и толщины упрочненного слоя при низкотемпературном ионном азотировании титановых сплавов и, как следствие, повышение износостойкости поверхности. 2 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, в медицине и деталей других отраслях промышленности, работающих в условиях изнашивания.

Известен способ низкотемпературного азотирования в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления технически чистого титана ВТ1-0 (патент РФ 2434075, С23С 8/24. 23.03.2010), который проводят при следующем режиме: вакуумная камера откачивается до давления р=2⋅102 Па, затем через катодную полость подается рабочий газ (Ar, N2). После этого подается напряжение ~70 В на разрядный промежуток. В результате чего происходит зажигание диффузионной дуги низкого давления с накаленным катодом. В качестве плазмообразующей смеси используется смесь газов азот-аргон. Азотирование выполняется при температуре ~420°С.

Недостатками данного способа являются:

- Ухудшение качества поверхности в связи с тем, что при проведении процесса в данном типе разряда возможно попадание продуктов эрозии катода на поверхность обрабатываемых изделий;

- Неравномерное распределение плотности ионного тока, что приводит к неравномерному азотированию длинномерных деталей.

Известен способ низкотемпературного ионного азотирования стальных деталей (патент РФ 2664106, С23С 8/38. 09.01.2017), который включает катодное распыление, вакуумный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов до температуры 430°С, причем сначала осуществляют поверхностную интенсивную пластическую деформацию посредством ультразвуковой обработки поверхности стального изделия с подачей инструмента S=2 м/мин, рабочей частотой f=22 кГц и частотой вращения детали N=30 об/мин.

Недостатками данного способа являются:

- дорогостоящий метод создания ультрамелкозернистой структуры;

- в газовой смеси используется 30% добавка водорода, что приведет к охрупчиванию поверхностного слоя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов с постоянной прокачкой газовой смеси (патент РФ 2687616, С23С 8/36. 09.04.2018), который проводят при следующем режиме: изделия из титанового сплава загружаются в вакуумную камеру и подключаются к отрицательному электроду (катоду), производится эвакуация воздуха из вакуумной камеры, проводят ионную чистку затем азотирование проводят в тлеющем разряде при температуре 400-450°С с постоянной прокачкой, при которой откачивают аргон из вакуумной камеры и одновременно подают в нее упомянутую газовую смесь для поддержания в ней давления 300 Па, при этом в качестве упомянутой газовой смеси подают газовую смесь, содержащую 20 мас. % азота и 80 мас. % аргона.

Недостатком прототипа является относительно низкая скорость насыщения при данных температурах и соответственно невысокая износостойкость поверхности.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности процесса низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов.

Техническим результатом является повышение скорости роста и толщины упрочненного слоя при низкотемпературном ионном азотировании титановых сплавов, и как следствие повышение износостойкости поверхности.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе низкотемпературного ионного азотирования изделий из титановых сплавов, включающем подачу в вакуумную камеру с упомянутыми изделиями плазмообразующей газовой смеси, содержащей азот и аргон, в отличие от прототипа, перед азотированием проводят равноканальное угловое прессование с формированием ультрамелкозернистой структуры, при котором заготовку нагревают до 600°С и подвергают шести циклам прессования в оснастке, имеющей два канала с углом пересечения 120°, при этом после каждого цикла заготовку поворачивают вокруг продольной оси на 90°, а азотирование проводят в тлеющем разряде при температуре 400-450°С.

Эффективность процесса ионного азотирования определяется временем, необходимым для получения упрочненного слоя заданной толщины. Время выдержки в свою очередь зависит от температуры процесса, с повышением температуры азотирования увеличивается скорость роста упрочненного слоя, т.к. азотирование является, как и любой диффузионный процесс, термически активируемым [Панайоти И.А., Соловьев Г.В. Ионное азотирование стареющих (α+β)-сплавов титана // МиТОМ. 1996. №5. С. 28-31]. Однако увеличение температуры процесса приводит к структурным изменениям в материале, что приводит к ухудшению механических свойств и происходит коробление тонкостенных деталей.

Однако скорость диффузии можно повысить за счет создания ультрамелкозернистой (УМЗ) и нанокристаллической структуры в материале методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Связано это с тем, что диффузия азота идет в основном по границам зерен, а также дефекты, созданные при ИПД на границах зерен, оказывают каталитическое действие. Также создание УМЗ структуры повышает механические свойства титановых сплавов [Семенова И.П., Рааб Г.И., Валиев Р.З. Наноструктурные титановые сплавы: новые разработки и перспективы применения // Российские нанотехнологии. - 2014. - Т. 9. - №. 5-6. - С. 84-95.]. Таким образом получение предварительно УМЗ структуры позволит не только интенсифицировать процесс азотирования, но и повысить механические и эксплуатационные свойства основы материала изделий из титановых сплавов.

Существо изобретения поясняется чертежами, на фиг. 1 изображена схема реализации способа низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов. На фиг. 2 приведен график изменения микротвердости по глубине азотированного слоя после ионного азотирования в тлеющем разряде.

Пример конкретной реализации способа.

Способ осуществляется с помощью установки, содержащей источник питания 1, электрод-анод 2, обрабатываемую деталь (катод) 3, вакуумную камеру 4. Предварительно УМЗ структуру получали методом равноканального углового прессования (РКУП). Заготовку нагревали до температуры 600°С и подвергали прессованию в оснастке, которая имела два канала круглого сечения с углом пересечения 120°, заготовку после каждого цикла поворачивают на 90° вокруг продольной оси, всего было 6 циклов прессования. В вакуумной камере 4 (фиг. 1) деталь подключают к отрицательному электроду (катоду) 2, герметизируют вакуумную камеру 4 и откачивают воздух до давления 10 Па. После эвакуации воздуха камеру продувают аргоном в течение 2-5 мин при давлении ~1330 Па, затем откачивают вакуумную камеру 4 до давления 20-30 Па, подают на электроды анод 2 и катод (деталь) 3 разность потенциалов с помощью источника питания 1 и зажигают тлеющий разряд. При напряжении 800-900 В осуществляется катодное распыление. После 5-10-минутной обработки по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, включают форвакуумный насос и откачивают аргон из вакуумной камеры, далее не отключая откачку, напускают рабочий газ. Процесс ионного азотирования проводят с постоянной прокачкой, т.е. форвакуумный насос работает в течении всего процесса обработки. Одновременно с этим включают регулятор расхода газа, который подает рабочий газ в вакуумную камеру 4 в необходимом соотношении для поддержания давления 160 Па. В качестве рабочего газа используется газовая смесь азота, аргона (N2 15%+Ar 85%). Азотирование в тлеющем разряде производят при р=160 Па, I=0,9 А, U=540 В в течение 3 ч и температуре 450°С. После обработки изделие охлаждают вместе с вакуумной камерой 4 под вакуумом. На фиг. 2 приведен график изменения микротвердости по глубине азотированного слоя после ионного азотирования в тлеющем разряде. Два образца были проазотированны при одинаковых режимах, отличием было то, что в первом случае структура была в крупнозернистом (КЗ), а во втором УМЗ состоянии. Как видно из фиг. 2 для образца с УМЗ структурой поверхностная микротвердость выше и снижение микротвердости до уровня значений основы более равномерное. Глубина упрочненного слоя для КЗ структуры составило -20 мкм, а для УМЗ структуры ~ 30 мкм, что свидетельствует об ускоренной кинетике роста упрочненного слоя.

Предлагаемый способ низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов позволяет интенсифицировать процесс диффузии азота в материал, а также повысить механические и эксплуатационные свойства.

Способ низкотемпературного ионного азотирования изделий из титановых сплавов, включающий подачу в вакуумную камеру с упомянутыми изделиями плазмообразующей газовой смеси, содержащей азот и аргон, отличающийся тем, что перед азотированием проводят равноканальное угловое прессование с формированием ультрамелкозернистой структуры, при котором заготовку нагревают до 600°С и подвергают шести циклам прессования в оснастке, имеющей два канала с углом пересечения 120°, при этом после каждого цикла заготовку поворачивают вокруг продольной оси на 90°, а азотирование проводят в тлеющем разряде при температуре 400-450°С.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области термо-химической обработки материалов. Способ плазменного азотирования оксида кремния в твердой фазе в контролируемой среде включает воздействие на упомянутый оксид кремния низкотемпературной азотной плазмой при атмосферном давлении в течение 7-10 секунд.

Изобретение относится к области химико-термической обработки, а именно к вакуумному ионно-плазменному азотированию, и может быть использовано в машиностроении для повышения надежности и долговечности широкого ассортимента деталей машин и инструментов, изготовленных из стали.

Изобретение относится к области технологии машиностроения, а именно к зубчатым передачам, и предназначено для обеспечения высокой износостойкости зубчатого зацепления, позволяет повысить долговечность зубчатых передач.

Изобретение относится к ионно-плазменной технологии и может быть использовано для упрочнения режущего инструмента. Способ комбинированного упрочнения режущего инструмента включает заполнение газовой плазмой рабочей вакуумной камеры с установленным внутри нее режущим инструментом, нагрев и выдержку режущего инструмента в азотной плазме и синтез на его поверхности из плазмы износостойкого покрытия.

Изобретение относится к изготовлению закаленных под прессом деталей из стальных листов или стальных лент с покрытием на основе алюминия. Предложен способ, в котором на стальной лист или стальную ленту наносят основной слой покрытия на основе алюминия методом горячего погружения, после которого до процесса формования стальной лист или стальную ленту с основным слоем покрытия подвергают плазменному оксидированию и/или обработке горячей водой, и/или обработке водяным паром, и на поверхности основного слоя покрытия путем образования оксидов или гидроксидов образуют поверхностный слой, содержащий оксид и/или гидроксид алюминия.

Изобретение относится к способу упрочнения твердого сплава и может найти применение в машиностроении при изготовлении изделий порошковой металлургии из твердых сплавов, применяемом для холодной и горячей механической обработки металлов и сплавов, например, резанием.

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 способу и устройству для термохимического упрочнения деталей. Упомянутый способ включает по меньшей мере одну стадию науглероживания в углеродсодержащей газовой атмосфере с давлением менее 50 мбар, причем детали выдерживают при температуре от 900 до 1050°С, и по меньшей мере одну стадию азотирования в азотсодержащей газовой атмосфере с давлением менее 50 мбар, причем детали выдерживают при температурах от 800 до 1050°С, азотсодержащая газовая атмосфера содержит молекулярный азот (N2) в качестве донорного газа и возбуждается посредством разрядной плазмы.

Изобретение относится к упрочнению поверхности изделий из титана и титановых сплавов путем ионно-плазменного азотирования и может быть использовано в авиакосмической отрасли, машиностроении, медицине и других отраслях.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к плазменной химико-термической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин.

Изобретение относится к металлургии, а именно к биосовместимым сплавам с механическим поведением, близким к поведению костной ткани человека, и может быть использован для несущих конструкций медицинских внутрикостных имплантатов.

Изобретение относится к металлургии, а именно упрочняющей обработке изделий аддитивного производства для повышения их трибологических свойств, и может быть использовано в различных областях машиностроения для упрочнения поверхностей деталей.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым сплавам, которые могут быть использованы для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым сплавам, имеющим высокое соотношение прочность/вес, которые могут быть использованы для изготовления крепежных изделий.

Изобретение относится к способам формирования профилированных деталей из титанового сплава с высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Способ получения детали из титанового сплава включает нагревание отлитого слитка или кованой заготовки из титанового сплава, инициирование экструзии нагретого слитка или заготовки, когда температура нагретого слитка или заготовки выше температуры бета-перехода, с образованием экструдированной детали с профилем, близким к конечному, причем экструдированная деталь с профилем, близким к конечному, имеет неплоскую форму, которая выбрана из группы, состоящей из: π-образной, С-образной, Т-образной, Н-образной, I-образной и L-образной.

Изобретение относится к способам формирования профилированных деталей из титанового сплава с высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Способ получения детали из титанового сплава включает нагревание отлитого слитка или кованой заготовки из титанового сплава, инициирование экструзии нагретого слитка или заготовки, когда температура нагретого слитка или заготовки выше температуры бета-перехода, с образованием экструдированной детали с профилем, близким к конечному, причем экструдированная деталь с профилем, близким к конечному, имеет неплоскую форму, которая выбрана из группы, состоящей из: π-образной, С-образной, Т-образной, Н-образной, I-образной и L-образной.

Изобретение относится к области получения наноструктурного технически чистого титана с повышенными механическими и коррозионными свойствами и способу его обработки и может быть использовано в различных областях техники, в том числе в химической промышленности.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам изготовления труб, трубных полуфабрикатов из металлического гафния с содержанием основного металла не менее 98,8 мас.%, используемых в качестве конструкционного материала для активных зон атомных реакторов, в химической и нефтегазовой промышленности.

Изобретения относятся к области обработки металлов давлением и их термической обработки, в частности к производству изделий из труднодеформируемых, высокопрочных металлов и сплавов, включая титан и его сплавы, нитинол.
Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при получении заготовок из титановых двухфазных сплавов. Заготовку подвергают термической обработке для получения дуплексной структуры с объемной долей зерен первичной α-фазы не более 30%.

Изобретение относится к металлургической промышленности, а именно к химико-термической обработке поверхности изделий из титановых сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей двигателей, в медицине и деталей в других отраслях промышленности, работающих в условиях изнашивания. Способ низкотемпературного ионного азотирования изделий из титановых сплавов включает подачу в вакуумную камеру с упомянутыми изделиями плазмообразующей газовой смеси, содержащей азот и аргон. Перед азотированием проводят равноканальное угловое прессование с формированием ультрамелкозернистой структуры, при котором заготовку нагревают до 600°С и подвергают шести циклам прессования в оснастке, имеющей два канала с углом пересечения 120°, при этом после каждого цикла заготовку поворачивают вокруг продольной оси на 90°, а азотирование проводят в тлеющем разряде при температуре 400-450°С. Обеспечивается повышение скорости роста и толщины упрочненного слоя при низкотемпературном ионном азотировании титановых сплавов и, как следствие, повышение износостойкости поверхности. 2 ил., 1 пр.

Наверх