Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДИФФУЗИОННЫМ НАСЫЩЕНИЕМ

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке деталей и оснастки из титановых сплавов, эксплуатируемых в условиях контактного абразивного износа, а также в потоках ионной плазмы. Оно может быть использовано в инструментальном производстве при обработке неметаллов, в приборостроении.

Известен способ упрочнения титановых сплавов диффузионным насыщением поверхности углеродом, азотом, кислородом в порошковых смесях, содержащих уголь, карбамид, трилон-Б (RU 2378411, МПК C23C 8/76, опубл. 10.01.2010 г., БИ №1).

Способ наиболее применим к закаливаемым титановым сплавам и достаточно трудоемок из-за дополнительного карбонитрирования в процессе старения после закалки.

Известен способ карбонитрирования специального формообразующего инструмента из титановых сплавов в порошках в активированных древесноугольных смесях (Технология машиностроения, 2000, №2, с.26-29).

Способ включает проведение дополнительного карбонитрирования в процессе старения после закалки, что повышает его трудоемкость.

За ближайший аналог принят наиболее близкий по технологической схеме технологический процесс упрочнения деталей с введением в азотонауглераживающие смеси боросодержащих компонентов карбида BC и кремнийсодержащих SiC (Упрочняющие технологии и покрытия, №11, 2006, с.19-23). Способ ограниченно применяется к отдельным маркам сталей и неэффективен для упрочнения титановых сплавов, т.к. не обеспечивает получения однородных, равномерных слоев, что снижает износостойкость изделий.

Изобретение решает задачу получения диффузионных слоев на титановых деталях и оснастке с повышенной износостойкостью за счет повышения однородности, равномерности и микротвердости диффузионного слоя.

Для получения необходимого технического результата в известном способе упрочнения деталей из титановых сплавов диффузионным насыщением, включающем упаковку механически обработанных деталей в контейнер с порошковой смесью из углеродо- и азотосодержащих компонентов с добавками борсодержащих и кремнийсодержащих ингредиентов, нагрев и выдержку, предлагается борокарбонитрирование проводить при температурах 980-1000°C, выдерживая в течение 1,0-3,0 часов, в качестве компонентов порошковой смеси использовать отработанный древесноугольный карбюризатор и карбамид, взятые в равных количествах, а в качестве добавок использовать буру и порошок боркремнийнитридной керамики, которые добавлять по 1,0-1,5% вес. каждой с охлаждением садки на воздухе. Для упрочнения деталей сложной конфигурации в порошковую смесь предлагается дополнительно вводить огнеупорный кремнийсодержащий лак КО-819, доводя смесь до пастообразной консистенции. Перед нагревом можно проводить вакуумирование до 300 Па.

Сущность процессов, протекающих при диффузионном насыщении в выбранных составах и режимах химико-термической обработки, в следующем:

- введение в древесноугольную смесь карбамида (NH₂)₂CO в соотношении в равном количестве с древесноугольным отработанным карбюризатором вдвое повышает азотный потенциал по реакции диссоциации (NH₂)₂CO→NH₃+CO+0,5H₂, введена в смесь бура Na₂B₃O₇ при температурах процесса 980-1000°C, диссоциируя, поставляет в атмосферу оксид натрия Na₂O, депассиватор, рыхлитель. Добавка порошка борнитридной керамики БГП (50% BN + 50% SiO₂) в присутствии кислорода обеспечивает поставку к поверхности титана бора и кремния;

- время выдержки при выбранных температурах обработки - 2 часа оптимально для мелких, тонкостенных и более массивных деталей для формирования карбонитрированных плотных слоев TiCNB и приповерхностных TiCNO на технических титанах BT-1, BT1-0 с микротвердостью HV=1800-2200 с плавным переходом к подслою и основе.

На прилагаемых к описанию изображениях показано:

фиг.1 - макроструктура слоев на тонкостенном пусковом электроде на сплаве BT1-0, обработка при 1000°C, 2 часа;

фиг.2 - зона карбонитридов на сплаве BT-1, обработка при 980°C, 3 часа;

фиг.3 - зона карбонитридов на сплаве BT1, обработка при 990°C, 1 часа.

Пример 1. Электроды пусковые катодного узла электрических реактивных двигателей малой тяги (ЭРД МТ) изготовляли из сплава BT1-0 и упрочняли по предложенному способу. Вначале в контейнер засыпали смесь из равных количеств толченого отработанного карбюризатора древесногоугольного березового и карбамида (NH₂)₂CO (мочевины) с добавкой 1,5% вес. буры Na₂B₄O₇ и 1,5% вес. порошка от мехобработки изоляторов из керамики БГП (50% BN и 50% SiO₂). Детали сверху засыпали этим же составом и герметично закрывали крышкой с обмазкой глиной. Нагрев вели в печи СНОЛ - 1,6.2,5.1/10, разогретой до 1000°C, в течение 2 часов, затем выгружали контейнер на воздух.

В результате обработки формировался диффузионный слой 350 мкм, который отличался однородностью и равномерностью. Твердость карбонитридного слоя была HV=21000-22000 МПа, износостойкость (эрозионный износ в плазме катода) пусковых электродов повысилась в 2,7 раза по сравнению с обработанными по технологии, описанной в ближайшем аналоге. Ресурс работы катодов повысился до 4500 часов.

Пример 2. Пальцы поршневые дизельных судовых двигателей изготовляли из прутков сплава титанового BT-1 и обрабатывали по предложенной технологии. По 12 пальцев в садке упаковывали в контейнеры в состав, содержащий по 49% вес. древесноугольного карбюризатора и карбомида, а также по 1% вес. буры Na₂B₄O₇ и порошка керамики БГП (50% BN и 50% SiO₂), и нагревали при 980°C в течение 3 часов с последующей выгрузкой контейнера на воздух.

Упрочняющая химико-термическая обработка позволила сформировать равномерный, толщиной 0,4-0,5 мм карбонитридноборный слой с плавным переходом к сердцевине. Микротвердость тонкого поверхностного слоя составила HV=2300-2450 МПа, т.е. примерно на 500-560 МПа выше, чем при способе обработки по ближайшему аналогу. Обеспечивалось плавное снижение микротвердости от подслоя к сердцевине. Износостойкость пальцев повысилась в 1,7 раза по сравнению с обработанными по способу, описанному в ближайшем аналоге, и в 4,5 раза в сравнении с традиционными цементованными пальцами из стали 18ХНВА, закаливаемыми на твердость HRC=58-62. Кроме повышения коррозионной стойкости на порядок достигалось снижение весовых характеристик в 1,8 раза при экономии на вспомогательных материалах, электроэнергии, трудоемкости изготовления на 40-60%.

Пример 3. Фигурные ролики пуансона для формирования геометрии крышек банок для консервирования овощей и фруктов диаметром 80-120 мм изготовляли из титанового сплава BT1 и упрочняли по предложенному способу. Приготовляли пасту из толченого отработанного древесноугольного березового карбюризатора, карбомида в равных количествах с добавкой по 1,5% вес. буры Na₂B₄O₇ и порошка мехобработки керамики БГП (борнитриднокремниевой), а также кремнийорганического лака КО-819, доводя до пастообразной консистенции. После нанесения обмазки на детали загружали детали в контейнер из стали 12Х18Н10Т и помещали в вакуумную печь СШОЛ-ВИЦ с одним механическим насосом. После вакуумирования до 300 Па проводили нагрев до 990°C и выдерживали в течение 1,0 часа. Охлаждение проводили в вакуумной реторте до 50-60°C, далее выгружали на воздух.

Обработка позволила получить диффузионный слой карбонитридборированный толщиной до 150-200 мкм, повышенной микротвердости. Ресурс работы немагнитных роликов пуансонов повысился в 7 раз в сравнении с классическими алюминиевыми с твердым анодированием при изготовлении крышек из жести с оловянным и лаковым покрытием на высокоскоростных агрегатах.