СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ Российский патент 2017 года по МПК C23C8/36 

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.

Известен способ низкотемпературного азотирования в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления технически чистого титана BT-0 (RU №2434075 C1, МПК C23C 8/24, 2011 г.). В данном способе азотирование реализовано в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления за счет использования в качестве плазмообразующей смеси газов азот-аргон. При этом азотирование выполняется при температуре 400°C и используют ионную и электронную компоненту плазмы. Время азотирования и количество аргона в плазмообразующей смеси устанавливается в зависимости от требуемой толщины модифицированного слоя.

Недостатком аналога является невысокая производительность и малая глубина азотированного слоя, необходимость использования сложного оборудования и специальных источников ионов, а также потребность в высоком вакууме (10^-2 Па).

Известен способ азотирования в плазме тлеющего разряда (RU №2409700 C1, МПК C23C 8/36, 2011), включающий азотирование в тлеющем разряде и закалку, для осуществления которого проводят вакуумный нагрев изделий в плазме азота повышенной плотности. Плазму азота повышенной плотности формируют в кольцевой области вращения электронов, захваченных магнитным полем, силовые линии которого параллельны обрабатываемой поверхности, при этом электронное облако максимально локализовано у детали-катода.

Недостатком аналога является отсутствие возможности азотирования титановых сплавов.

Наиболее близким по технической сущности является способ низкотемпературного азотирования в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления титановых сплавов ВТ-6 и ВТ-16 (RU №2434074 С1, МПК С23С 8/24, 2011 г.). Данный способ реализуется за счет пластической деформации, которую проводят до азотирования для формирования наноструктурированного или субмикрокристаллического состояния в объеме материала. Азотирование проводят на ионно-плазменной установке типа ННВ-6.6-И1. Процесс проводят при температуре 400°С в смеси газов азот-аргон с процентным соотношением 60% N₂ - 40% Ar, давление в камере 10^-2 Па, напряжение 70 В. Время азотирования 40 минут. После азотирования поверхностная микротвердость повысилась на 5,5%, при этом на поверхности сформировался слой с мелкодисперсными частицам нитрида титана глобулярной формы. Дальнейшее увеличение времени азотирования до 120 минут приводит к увеличению глубины модифицированного слоя до 10 мкм.

Недостатком прототипа является невысокая производительность и малая глубина азотированного слоя, необходимость использования сложного оборудования и специальных источников ионов, а также потребность в высоком вакууме (10^-2 Па).

Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности процесса и улучшение эксплуатационных свойств поверхности детали из титановых сплавов.

Техническим результатом способа является интенсификации процесса насыщения поверхности ионами азота при ионном азотировании титановых сплавов и получение развитой диффузионной зоны на титановой основе порядка 50-70 мкм.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе азотирования изделий из титановых сплавов в тлеющем разряде, включающий проведение указанного азотирования в газовой смеси азот-аргон, согласно изобретению, используют упомянутую газовую смесь азот-аргон процентным соотношением 60% N₂ - 40% Ar, при этом упомянутое азотирование в тлеющем разряде проводят в магнитном поле при температуре 650-750°C в течение 4 часов, напряжении в разрядном промежутке 450-550 В и давлении в вакуумной камере 10^-1-1 Па.

Наличие магнитного поля при определенных соотношениях между напряжением разряда и давлением плазмообразующего газа приводит к значительному увеличению разрядного тока при некотором снижении напряжения. Увеличение тока разряда обусловлено тем, что в катодной области увеличивается генерация заряженных частиц осциллирующими электронами, захваченными магнитным полем; при этом возрастает число ионов, бомбардирующих поверхность, и число электронов, эмитируемых катодом. Также наложение магнитного поля заметно ускоряет формирование азотированного слоя, а низкое давление способствует более глубокому проникновению диффузии азота вглубь металла.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема проведения ионного азотирования на установке ЭЛУ-5.

Установка состоит из вакуумной камеры 1, магнитной системы 2, системы ввода рабочего газа 3, системы откачки 4 и рабочего стола 5 с образцом 6.

Процесс азотирования осуществляется при температуре 650-750°С, которая существенно превышает точку температуры Кюри. Поэтому предусмотрена система охлаждения магнитной системы, обеспечивающая захват и удержание электронов над образцом.

Пример конкретной реализации способа

В качестве материала для проведения испытаний был выбран титановый сплав ВТ-6. Способ реализовали на модернизированной установке ЭЛУ-5. В вакуумной камере на рабочем столе устанавливается предварительно очищенный образец, который подключают к отрицательному электроду. Затем создается рабочее давление в диапазоне от 10^-1 до 1 Па, после чего вакуумная камера прокачивается смесью газов азот-аргон (60% N₂ - 40% Ar), подается рабочее напряжение 500-600 В. Образец, установленный в вакуумной камере, нагревают до температуры 650-750°C и азотируют в течение 4 часов. Все процессы проходят за один вакуумный цикл, т.е. в одной камере и в одной и той же газовой среде (60% N₂ - 40% Ar), что позволяет максимально снизить вспомогательное время, затрачиваемое на подготовительные операции, которые связаны с использованием разного оборудования и оснастки. При этом глубина азотированного слоя достигает 60-70 мкм.

Необходимо отметить следующие преимущества заявленного способа: большая глубина азотированного слоя, высокая производительность процесса, простота установки, не требующая проектирования специальных приспособлений.

Таким образом, предлагаемый способ ионного азотирования титановых сплавов при низком давлении позволяет получить глубину диффузионного слоя в титановом сплаве порядка 50-70 мкм.

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. Способ азотирования изделий из титановых сплавов в тлеющем разряде включает проведение указанного азотирования в газовой смеси азот-аргон, при этом используют упомянутую газовую смесь азот-аргон с процентным соотношением 60% N₂ - 40% Ar, а упомянутое азотирование в тлеющем разряде проводят в магнитном поле при температуре 650-750°C в течение 4 часов, напряжении в разрядном промежутке 450-550 В и давлении в вакуумной камере 10^-1-1 Па. Обеспечивается интенсификация процесса насыщения поверхности ионами азота при ионном азотировании титановых сплавов и получение развитой диффузионной зоны на титановой основе порядка 50-70 мкм. 1 ил., 1 пр.

Способ азотирования изделий из титановых сплавов в тлеющем разряде, включающий проведение указанного азотирования в газовой смеси азот-аргон, отличающийся тем, что используют упомянутую газовую смесь азот-аргон с процентным соотношением 60% N₂ - 40% Ar, при этом упомянутое азотирование в тлеющем разряде проводят в магнитном поле при температуре 650-750°C в течение 4 часов, напряжении в разрядном промежутке 450-550 В и давлении в вакуумной камере 10^-1-1 Па.