СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Изобретение относится к области металлургии, в частности к вакуумной химико-термической обработке деталей при печном нагреве, а именно к способам получения износостойких покрытий, и может найти применение в приборостроении, в самолетостроении и космической технике.

Из уровня техники известен способ химико-термической обработки деталей из титановых сплавов (Патент RU №2460826), включающий насыщение поверхности деталей азотом и углеродом в тигельной или электродной ванне с расплавом солей, разогретых до температуры 800°C.

Недостатком известного способа является то, что для обработки используется расплав солей, требующий специального оборудования и устройств для вытяжки и улавливания испарений солей, а также специальную защиту органов дыхания рабочего от испарений солей.

Известен способ изготовления высокопрочной проволоки из титанового сплава мартенситного класса (Патент RU №2460825), включающий получение слитка, его горячую деформацию с получением заготовки для волочения, отжиг на воздухе и механическую обработку, волочение при комнатной температуре на конечный размер и окончательную термическую обработку. Волочение проводят многократно с промежуточными отжигами в атмосфере воздуха, при этом после первого хода волочения проводят механическую обработку, а окончательную термическую обработку ведут в атмосфере воздуха в течение 60÷80 мин при температуре (0,5÷0,7)Тпп°C, с дальнейшим охлаждением до комнатной температуры.

Недостатком известного способа является то, что способ характеризуется длительным и трудоемким циклом изготовления, требующим большого количества единиц специального технологического оборудования.

Известен способ изготовления тензорезисторов для измерения деформаций поверхности (Патент RU №2389973), включающий шлифование поверхности изделия из титанового сплава марки ВТ20, альфирование титанового образца, т.е. оксидирование в условиях особого псевдоожиженного состояния подогретого песка, которое достигается принудительной подачей сжатого воздуха. Оксидирование в кипящем слое проводят на специальной установке, состоящей из шахтной нагревательной печи, реактора из нержавеющей стали и приборов контроля по режиму в течение 5 часов. При этом происходит насыщение поверхности кислородом и получается слой окисла титана TiO₂. После выполнения оксидирования в кипящем слое сохраняется класс чистоты обработки поверхностей.

Недостатком известного способа является то, что для оксидирования деталей применяется вредный для здоровья материал - песок. Для защиты от вредного воздействия пыли песка на органы дыхания рабочего требуются специальное оборудование и средства защиты. Недостатком данного способа также является длительность и трудоемкость процесса.

Также известен способ альфирования деталей из титановых сплавов (инструкция №696-70 ВИАМ), в котором обрабатываемые изделия предварительно подготавливают к альфированию (подвергают механической обработке, отжигают в электропечи), затем упаковывают в стальные коробки с песком или графитом (предварительно прокаленным) и помещают в электропечь для альфирования при температуре 700°C в течение 10 часов, а при температуре 800÷850°C в течение 2÷8 часов. После завершения процесса альфирования, детали охлаждают на воздухе и подвергают тщательному визуальному осмотру и измерению геометрических параметров.

Данный способ выбран в качестве прототипа как наиболее близкий к способу по предлагаемому изобретению.

Недостатком известного способа является то, что для альфирования деталей применяется вредный для здоровья материал - песок. Для защиты от вредного воздействия пыли песка на органы дыхания рабочего требуются специальное оборудование и средства защиты. Недостатком данного способа также является длительность и трудоемкость процесса.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке способа получения износостойкого альфированного покрытия на поверхности изделий из титана и его сплавов, исключающего недостатки прототипа.

Назначение процесса альфирования - упрочнение поверхности деталей из титана и титановых сплавов с целью повышения их износостойкости и свинчиваемости.

Альфирование заключается в насыщении поверхности деталей кислородом воздуха при температурах (700÷850)°C с образованием на их поверхности твердого износостойкого диффузионного слоя, представляющего собой твердый раствор кислорода в титане.

Поставленная задача решается за счет того, что обрабатываемые детали предварительно подготавливают (отжигают в электропечи, подвергают механической обработке и промывают от смазочно-охлаждающей жидкости), затем помещают на этажерку в вакуумную электропечь и при температуре (760÷780)°C и регулируемом вакууме 10^-1÷10^-3 мм рт.ст. (0,1÷15 Па) проводят операцию альфирования в течение 1,5÷2 ч. После завершения процесса альфирования, детали охлаждают сначала в вакууме вместе с печью, а затем на воздухе и подвергают тщательному визуальному осмотру и измерению геометрических параметров.

Изобретение поясняется графиками, которые показывают температурно-временную зависимость процесса насыщения кислородом поверхности изделий из титана и его сплавов двумя способами для получения альфированного слоя определенной глубины и микротвердости.

На фиг. 1 показан, согласно прототипу, график режима насыщения кислородом поверхности изделий из титана и его сплавов, упакованных в коробки с песком для получения альфированного слоя, глубиной h=0,015 мм и микротвердостью 450÷500 HV. Процесс получения износостойкого покрытия производится в электрической печи сопротивления в воздушной среде.

На фиг. 2 показан график предлагаемого режима насыщения кислородом поверхности изделий из титана и его сплавов в среде вакуума, для получения альфированного слоя, глубиной h=0,007÷0,020 мм и микротвердостью ≥600 HV.

Процесс получения износостойкого покрытия производится в вакуумной электрической печи сопротивления (например, типа СЭВ 3.3/11,5) в среде вакуума 10^-1÷10^-3 мм рт.ст. (0,1÷15 Па). Обрабатываемые детали предварительно подготавливают (отжигают в электропечи, подвергают механической обработке и промывают от смазочно-охлаждающей жидкости), затем помещают на этажерку в вакуумную электропечь и при температуре (760÷780)°C и регулируемом вакууме 10^-1÷10^-3 мм рт.ст. (0,1÷15 Па) проводят операцию альфирования в течение 1,5÷2 ч. После завершения процесса альфирования детали охлаждают сначала в вакууме вместе с печью, а затем на воздухе, и подвергают тщательному визуальному осмотру и измерению геометрических параметров.

После каждого остывания печи, перед разгрузкой обрабатываемых деталей, в рабочее пространство электропечи напускается воздух с помощью системы насосов и вентилей, предусмотренных конструкцией печи. Напущенный в пространство печи воздух окружающей среды для создания рабочего вакуума содержит кислород, которого достаточно для получения альфированного слоя на поверхности деталей, глубиной 0,007÷0,020 мм, что, в свою очередь, не требует установки дополнительного оборудования для создания рабочей среды в печи.

С помощью графиков можно сравнить два способа режима альфирования и выделить преимущества предлагаемого режима и недостатки прототипа.

1. Продолжительность предлагаемого режима в два раза меньше режима прототипа.

2. Микротвердость альфированного слоя выше микротвердости, получаемой по режиму прототипа.

В результате альфирования достигается практически бездеформационная термическая обработка, а на поверхности детали образуется диффузионный слой, глубиной 0,007÷0,020 мм, поверхность деталей приобретает фактическую твердость от 600 до 900 HV по Виккерсу.

Достигаемый технический результат заключается в повышении поверхностной твердости диффузионного слоя при сохранении экологической чистоты процесса (без использования защиты от окисления деталей методом их упаковывания в песок или графит), в частности качества химико-термической обработки, уровня эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей космических аппаратов (КА). Предусматривается снижение эксплуатационных сложностей и расширение технических возможностей способа. Предусматривается также снижение энергоемкости, стоимости и трудоемкости обработки.