Способ высокотемпературного азотирования изделий из титановых сплавов

Способ высокотемпературного азотирования изделий из титановых сплавов

Реферат

Изобретение относится к области плазменной химико-термической обработки поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении для повышения усталостных свойств деталей, а также позволяет интенсифицировать процесс азотирования.

Известен способ (патент РФ №2318077, С23С 8/06, 04.07.2006) поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов, который проводят при помощи термообработки. Термообработку проводят в активной газовой среде. Затем осуществляют частичное удаление газонасыщенного слоя, обладающего повышенной хрупкостью, травлением. Глубину зоны, обладающей повышенной хрупкостью, определяют по формуле, также глубина может быть определена по среднему расстоянию между трещинами, образующимися в газонасыщенном слое при разрушении образца изгибом.

Недостатками данного способа являются необходимость снятия зоны повышенной хрупкости, возможность удаления неохрупченного слоя.

Известен способ (патент РФ №2479667, С23С 14/48, 31.05.2011) ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота.

Недостатками известного способа являются сложность оборудования и его высокая стоимость, низкая толщина упрочненного слоя.

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°С, время отжига вычисляют по формуле:

τ_отж=0,75⋅(K_азот/K_p)⋅exp(E_p/RT_отж-E_азот/RT_азот)⋅τ_азот,

где K_азот, K_p - эмпирические коэффициенты, учитывающие соответственно скорость образования и скорость растворения нитридного газонасыщенного слоя, мкм²/сек;

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

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

R - газовая постоянная, Дж/K⋅моль;

Т_азот - температура азотирования, K;

Т_отж - температура восстановительного отжига, К;

τ_азот - время азотирования, сек.

Недостатками аналога являются малая толщина упрочненного слоя, нестабильность результатов, образование оксидной пленки.

Известен способ (патент РФ №2276201, С23С 8/36, 10.05.2008) азотирования изделий в тлеющем разряде с эффектом полого катода, включающий азотирование в тлеющем разряде, для осуществления которого проводят вакуумный нагрев изделий в плазме азота повышенной плотности, формируемой между деталью и экраном за счет создания эффекта полого катода.

К недостаткам можно отнести внедрение материала сетки, распыляемого в процессе азотирования, в обрабатываемый материал.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому, является способ (патент РФ №2409700, С23С 8/36, 30.6.2009) обработки стальных изделий, включающий азотирование в тлеющем разряде, для осуществления которого проводят вакуумный нагрев изделий в плазме азота повышенной плотности и закалку.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности азотирования титановых сплавов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является интенсификация процесса азотирования, повышение циклической усталости.

Техническим результатом является формирование развитого диффузионного слоя, повышающего циклическую усталость.

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 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 деталей до температуры 700÷730°С с выдержкой в течение 2-3 часов, после чего осуществляют восстановительный отжиг при 800÷830°С в аргоне с выдержкой в течение 30 мин, а затем детали охлаждают в вакууме.

Для эффективной диффузии азота проводится высокотемпературное (700-730°С) азотирование.

Последующий восстановительный диффузионный отжиг в аргоне понижает концентрацию азота в поверхностных слоях, что повышает пластичность сплава.

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 50%÷60% + Ar 50÷40%) до рабочего давления 40 Па и прогревают детали до температуры 700÷730°С, затем осуществляют выдержку в течение 2÷3 часов, после чего осуществляют смену смеси на Ar и повышают температуру до 800÷830°С. После выдержки в течение 30 мин детали медленно охлаждают в вакууме.

Вследствие протекания процесса при температурах 700÷730°С для магнитов требуется охлаждение, так как температура Кюри составляет около 300-350°С.

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 тлеющем разряде в плазме азота повышенной плотности, отличающийся тем, что 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, после чего осуществляют восстановительный отжиг при 800÷830°С в аргоне с выдержкой в течение 30 мин, а затем изделия охлаждают в вакууме.