СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ 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, работающих в условия износа, в медицине и других отраслях промышленности.

Известен способ азотирования стальных изделий в тлеющем разряде (патент РФ 2276201, С23С 8/36, 9.11.2004), который осуществляют 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°C. После азотирования проводят поверхностную закалку охлаждением в потоке аргона со скоростью, превышающей критическую скорость закалки стали.

Недостатком данного способа является 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.

Известен способ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов (патент РФ 2427666, С23С 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:

- 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.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является 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 p=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°C.

Недостатком прототипа является тот факт, что при проведении процесса в данном типе разряда возможно попадание продуктов эрозии катода на поверхность обрабатываемых изделий, а также неравномерное распределение плотности ионного тока.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационных качеств и свойств изделий из титановых сплавов.

Техническим результатом является повышение твердости и контактной износостойкости титановых сплавов, при низкой температуре рабочего процесса обработки в плазме тлеющего разряда.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе низкотемпературного азотирования титановых сплавов, включающем использование плазмообразующей смеси газов азот-аргон, в отличие от прототипа, азотирование проводят в плазме тлеющего разряда в вакуумной камере с использованием газовой смеси 15 мас. % азота и 85 мас. % аргона при температуре ~ 420-500°C.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема реализации способа низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов, здесь 1 - источник питания, 2 - электрод-анод, 3 - подложка, 4 - обрабатываемая деталь, 5 - вакуумная камера.

Пример конкретной реализации способа

Способ осуществляется следующим образом: в вакуумной камере деталь подключают к отрицательному электроду, герметизируют камеру и откачивают воздух до давления 10 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 800-900 В осуществляется катодное распыление. После 5-10-минутной обработки по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, а давление повышают до 150 Па, необходимого для эффективной обработки. В качестве рабочего газа используется газовая смесь азота, аргона (N₂ 15%+Ar 85%). Азотирование в тлеющем разряде производят при p=150 Па, I=0,3 А, U=420 В в течение 1 ч и температуре 450°C, которая является низкой для титановых сплавов. После обработки изделие охлаждают вместе с вакуумной камерой под вакуумом.

Предлагаемый способ низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов позволяет улучшить эксплуатационные качества и свойства изделий.