Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ

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.

Известен способ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов (патент РФ №2427666, C23C 8/36. 21.12.2009), который проводят при помощи нагрева поверхности изделия в среде азота, при этом нагрев осуществляют концентрированным тепловым источником с плотностью мощности 10³-10⁴ Вт/см², силой тока 80-150 А и скоростью перемещения источника относительно изделия 0,005-0,01 м/с.

Недостатками данного способа являются

- неравномерное упрочнение поверхности в связи с отсутствием своевременной калибровки плазменной головки установки в процессе обработки;

- трудоемкость процесса, связанная с установкой и выверкой изделия в приспособлении;

- снижение эффективности диффузии азота, так как процесс проводят в среде азота, что приводит к образованию сплошной нитридной пленки на поверхности;

- большой расход азота.

Известен способ химико-термической обработки деталей из титановых сплавов (патент РФ №2460826, C23C 8/54. 18.05.2011), который включает насыщение поверхности деталей азотом и углеродом в тигельной или электродной ванне с расплавом солей, разогретым до температуры 800°С, при этом используют расплав солей следующего состава, мас.%: NaCN 10, NaCl 40, BaCl₂ 50.

Недостатками данного способа являются

- экологически вредное производство;

- снижение эффективности диффузии азота вглубь титановых сплавов, так как процесс протекает в открытой атмосфере, что приводит к образованию на поверхности оксидной пленки.

Известен способ поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов (патент РФ №2318077, C23C 8/06. 04.07.2006), 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

- высокая трудоемкость;

- снижение ресурса работы в условиях интенсивного износа, так как при обработке данным способом травитель может удалить часть диффузионной зоны с поверхности деталей.

Известен способ упрочнения титановых сплавов в газовой среде (патент РФ №2365671, C23C 8/80. 06.12.2007), по которому проводят высокотемпературное азотирование при температурах 700-750°С в течение 10-30 мин. Затем проводят восстановительный отжиг в аргоне при температуре, превышающей температуру азотирования на 100-150°С, время отжига вычисляют по формуле

τ_отж=0,75·(K_aзoт/K_р)·exp(E_p/RT_отж-Е_азот/RT_азот)·τ_азот,

где K_aзoт, K_р - эмперические 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/К·моль;

Т_азот - температура азотирования, K;

Т_отж - температура восстановительного отжига, K;

τ_азот - время азотирования, сек.

Недостатками данного способа являются

- снижение эффективности процесса насыщения при азотировании, так как высокотемпературная обработка в открытой атмосфере приводит к образованию оксидных пленок на обрабатываемой поверхности;

- небольшая продолжительность азотирования, вследствие чего образуется малая толщина диффузионной зоны, либо диффузионная зона не образуется.

Известен способ азотирования стальных изделий в тлеющем разряде (патент РФ №2276201, C23C 8/36. 9.11.2004), которое проводят путем вакуумного нагрева изделий в плазме азота повышенной плотности, формируемой между деталью и экраном за счет эффекта полого катода. Процесс азотирования проводят при температуре 700-750°С. После азотирования проводят поверхностную закалку охлаждением в потоке аргона со скоростью, превышающей критическую скорость закалки стали.

Недостатками данного способа являются:

- невозможность проведения азотирования титановых сплавов в плазме повышенной плотности, так как применение стальных экранов может приводить к попаданию распыленных частиц железа на обрабатываемую поверхность и блокированию диффузии азота вглубь обрабатываемой поверхности;

- снижение эффективности диффузии азота вглубь изделия, так как азотирование проводят в среде азота, что приводит к образованию сплошной нитридной пленки на поверхности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому, является способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов (патент РФ №2346080, C23C 8/02. 25.01.2007), который проводят при помощи электроискрового легирования поверхностного слоя с последующим оксидированием или азотированием. Электроискровое легирование проводят нитридообразующими элементами или сплавами на их основе. Затем осуществляют термическое оксидирование в окислительной воздушной среде при температуре 600-800°С в течение 2-16 часов или диффузионное азотирование проводят в каталитически приготовленных газовых аммиачных средах при температуре 500-680°С в течение 15-40 часов.

Недостатками прототипа являются

- высокая трудоемкость;

- большая длительность процесса;

- азотирование титанового сплава проводят в аммиачной среде, что может приводить к охрупчиванию поверхности вследствие образования гидридов титана.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение трудоемкости за счет проведения комбинированной обработки за один вакуумный (технический) цикл и повышение ресурса работы модифицированной поверхности вследствие образования защитного слоя.

Техническим результатом является увеличение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет комбинированной обработки азотированием различными способами за один технологический цикл в одном вакуумном объеме.

Задача решается и технический результат достигается способом модификации поверхности изделий из титановых сплавов, включающим обработку поверхностного слоя с последующим азотированием, по которому согласно изобретению азотирование проводят в вакуумной камере в газовой смеси 15 мас.% азота и 85 мас.% аргона при температуре 650-700°С путем вакуумного нагрева в плазме повышенной плотности с эффектом полого катода в течение 4 часов, причем плазму повышенной плотности формируют между деталью и экраном, выполненным с отверстиями и изготовленным из титанового сплава, затем повышают давление до 300 Па и проводят азотирование в газовой среде азота при температуре 650-700°С в течение 4 часов без эффекта полого катода.

Плазма повышенной плотности обеспечивается за счет эффекта полого катода.

Эффект полого катода проявляется в значительном повышении плотности тока, увеличении степени ионизации при одновременном снижении напряжения горения разряда.

Экран выполнен из титановой пластины с отверстиями.

Последующая обработка азотированием без эффекта полого катода при повышенном давлении (Р=300 Па) позволяет получать после азотирования в плазме повышенной плотности на поверхности плотный, хорошо сцепленный с поверхностью высокоазотистый нитридный слой TiN (δ-фазу), который повышает прочность поверхности и повышает износостойкость обрабатываемого изделия.

Сущностьо изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен график области существования эффекта полого катода: 1 - нижняя граница существования эффекта полого катода, 2 - верхняя граница существования эффекта полого катода, 3 - область существования эффекта полого катода. На фиг 2. изображено влияние азотирования (I - c эффектом полого катода, II - при повышении давления) различными способами на модификацию поверхности: 4 - экран, изготовленный из титанового сплава, 5 - слой, насыщенный азотом, 6 - исходная структура, 7 - плазма повышенной плотности, 8 - плазма при повышенном давлении, 9 - нитридный слой. На фиг. 3 изображены параметры экрана для создания эффекта полого катода, где а - размер отверстия, b - расстояние между центрами отверстий. На фиг.4 изображен экран из титанового сплава для создания эффекта полого катода. На фиг. 5 изображена схема реализации способа ионного азотирования титанового сплава в тлеющем разряде с эффектом полого катода.

Схема содержит источник питания 10, анод 11, катод 12, катод-деталь 13, экран в виде пластины с отверстиями изготовленного из титанового сплава 14, установленный на определенном расстоянии от катод-детали 13, корпус из металла вакуумной камеры 15.

Пример конкретной реализации способа.

Способ осуществляется следующим образом: в вакуумной камере (фиг. 5) на определенном расстоянии от обрабатываемой поверхности устанавливают экран (фиг. 4), выполненный из титанового сплава с расчетными параметрами а и b (b=2a) (фиг. 3), деталь и экран подключают к отрицательному электроду, герметизируют камеру и откачивают воздух до давления 133 Па. После эвакуации воздуха камеру продувают рабочим газом в течение 5-15 мин при давлении ~1330 Па, затем откачивают камеру до давления 20-30 Па, подают на электроды напряжение и возбуждают тлеющий разряд. При напряжении 900-1100 В на этой стадии осуществляется катодное распыление. После 5-20-минутной обработки поверхности по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, а давление повышают до 90 Па. Рабочая смесь имеет состав газов - 15% азота - 85% аргона.

С помощью эффекта полого катода, возникающего в полости между экраном и обрабатываемой поверхностью, происходит нагрев и азотирование детали в плазме повышенной плотности, обеспечивающий повышение твердости поверхности титанового сплава. Продолжительность насыщения составляет 4 часа при температуре 650-700°С.

После 4-часовой обработки азотированием с эффектом полого катода в камере повышают давление до 300 Па, что способствует ликвидации проявления эффекта полого катода (фиг.1), и проводят обработку в течение 4 часов при температуре 650-700°С, в связи с чем на обрабатываемой поверхности образуется тонкий внешний слой, который состоит из TiN и имеет толщину 20 мкм (фиг. 2).

Азотирование в плазме повышенной плотности приводит к интенсификации процесса насыщения обрабатываемой поверхности азотом, что приводит к повышению твердости, а последующая обработка с повышением давления позволяет получить на поверхности внешний нитридный слой TiN (δ-фазу), который повышает прочность поверхности и повышает износостойкость обрабатываемого изделия.