Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ ИЗ СПЛАВА НА ОСНОВЕ ТИТАНА

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе титана, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения.

Широко известны процессы упрочнения поверхности деталей методами ХТО. Известен, например способ химико-термической обработки деталей, включающий диффузионное насыщение элементами внедрения и замещения и последующий нагрев поверхности детали (АС СССР №1515772, МПК С23С 8/00. СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ. Бюл. №36. 2013 г.).

Известен способ ХТО деталей, заключающий в высокотемпературном азотировании, закалке с последующим отпуском [Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976, с. 99-102]. В результате обработки получают высокоазотистый слой небольшой толщины. Такой слой хорошо противостоит коррозии в атмосфере, но плохо работает при высоких изгибных, контактных напряжениях и в условиях повышенного износа.

Известны также ионно-плазменные методы химико-термической обработки, например методы ионного азотирования в плазме тлеющего разряда постоянного или пульсирующего тока, которые включают в себя две стадии - очистку поверхности катодным распылением и собственно насыщение поверхности металла азотом [Теория и технология азотирования / Лохтин Ю.М, Коган Л.Д. и др. // М., Металлургия, 1990, С. 89], а также ионное азотирование деталей из титана в тлеющем разряде с полым катодом [Ахмадеев Ю.Х., Гончаренко И.М., Иванов Ю.Ф., Коваль Н.Н., Щанин П.М., Колубаева Ю.А., Крысина О.В. Азотирование титана в тлеющем разряде с полым катодом // Поверхность. - 2006. - №.8. - С. 63-69].

Известен также способ химико-термической обработки деталей, при котором на стадии очистки изделий тлеющий разряд периодически переводят в импульсную электрическую дугу. Это позволяет интенсифицировать процесс за счет быстрого разогрева обрабатываемой поверхности в первые минуты до более высоких температур, чем температура процесса азотирования (АС СССР 1534092, МПК С23С 8/36, опубл. 07.01.90; BG 43787. МПК С23С 8/36. METHOD FOR CHEMICO-THERMIC TREATMENT IN GLOWING DISCHARGE OF GEAR TRANSMISSIONS. 1988).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ химико-термической обработки детали, включающий размещение детали в рабочей камере установки, активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температур химико-термической обработки и выдержку при этих температурах до формирования необходимой толщины диффузионного слоя (АС СССР №1574679, МПК С23С 8/36, опубл. 30.06.90; патент РФ №2144095, МПК С23С 8/38, опубл. 10.01.2000).

Недостатками известных способов и прототипа являются невысокая износостойкость поверхности из-за неоднородности диффузионного слоя и образования в диффузионном слое хрупких фаз, а также низкая производительность насыщения поверхностного слоя материала детали в процессе ХТО. ХТО с использованием известных способов приводит к следующим негативным явлениям: существует высокая вероятность образования неравномерного слоя с уменьшенной концентрацией насыщаемого вещества, неоднородной и пониженной твердостью материала поверхностного слоя, возникновением дефектных участков. Для удаления дефектных участков поверхностного слоя после ХТО проводится шлифование, однако при удалении обедненного дефектного слоя часто образуются прижоги и ряд других характерных дефектов поверхностного слоя и в результате к снижению износостойкости деталей.

Задачей предлагаемого изобретения является интенсификация процесса и повышение качества химико-термической обработки деталей из сплава на основе титана за счет активации и обеспечения однородного состояния материала поверхностного слоя детали в процессе ХТО и, как следствие, повышение износостойкости деталей.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение производительности и качества процесса ХТО, а также повышение износостойкости деталей из сплава на основе титана после ХТО.

Технический результат достигается тем, что способ химико-термической обработки детали из сплава на основе титана, включающем размещение детали в рабочей камере, активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры химико-термической обработки и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины диффузионного слоя, в отличие от прототипа, активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой проводят с помощью ионно-имплантационной обработки поверхности детали при энергии ионов от 30 до 40 кэВ, дозой от 1,4⋅10¹⁷ см^-2 до 1,8⋅10¹⁷ см^-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅10¹⁵ с^-1 до 1⋅10¹⁵ с^-1, и при использовании в качестве имплантируемых ионов ионов следующих элементов: С, N, или их комбинации. Кроме того, возможно использование в способе следующих дополнительных приемов: химико-термическую обработку детали проводят ионно-плазменным методом; в качестве ионно-плазменного метода используют ионно-плазменное азотирование или ионно-плазменную цементацию или ионно-плазменную нитроцементацию.

Повышение требований к качеству обработки деталей машин послужили поводом для совершенствования методов насыщения поверхности легирующими элементами и привели к созданию ряда новых способов обработки, таких как ионное азотирование [Теория и технология азотирования / Лохтин Ю.М., Коган Л.Д. и др. // М., Металлургия, 1990, С. 89] и ионная имплантация [например, патент РФ №2479667. МПК С23С 14/48. СПОСОБ ИОННО-ИМПЛАНТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ. Бюл №11, 2013]. Ионная имплантация позволяет производить насыщение поверхностного слоя деталей практически любыми легирующими элементами, а детали, упрочненные методом ионной имплантацией, имеют гораздо более высокие эксплуатационные свойства, чем детали, подвергнутые обычной или ионной химико-термической обработки [Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под ред. Д.М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона / М.: «Мир», 1987, 424 с.; Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / под ред. Дж. М. Поута. М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.]. При этом основными недостатками ионно-имплантационной обработки являются дороговизна метода и незначительная глубина проникновения легированных элементов в поверхностный слой материала.

Для оценки эксплуатационных свойств деталей, обработанных по предлагаемому способу были проведены следующие испытания. Образцы из сплава на основе титана были подвергнуты обработке как по способам-прототипам ((А.С. СССР №1574679, патент РФ №2144095), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по вариантам предлагаемого способа.

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Ионная имплантация при обработке деталей из сплава на основе титана перед ХТО проводилось по следующим режимам: имплантируемые ионы С, N или их комбинация; доза - 1,1⋅10¹⁷ см^-2 (Н.Р. - неудовлетворительный результат); 1,4⋅10¹⁷ см^-2 (У.Р. - удовлетворительный результат); 1,8⋅10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 2,2⋅10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); скорость набора дозы - 0,4⋅10¹⁵ с^-1 (Н.Р.); 0,7⋅10¹⁵ с^-1 (У.Р.); 1⋅10¹⁵ с^-1 (У.Р.); 3⋅10¹⁵ с^-1 (Н.Р.), энергия: 25 кэВ (Н.Р.); 30 кэВ (У.Р.); 40 кэВ (У.Р.); 45 кэВ (Н.Р.).

Химико-термическую обработку деталей проводили газовым и ионно-плазменным методами (отличие предлагаемого способа от существующих состояла в предварительной активации поверхности ионно-имплантационной обработкой). В качестве одного из методов ХТО применяли ионно-плазменное азотирование, ионно-плазменную цементацию и ионно-плазменную нитроцементацию.

Испытания показали на повышение износостойкости образцов из сплава на основе титана по сравнению с прототипом в 1,4…1.8 раза (т.е. в результате использования активирования поверхности перед ХТО). Скорость обработки, за счет увеличения скорости диффузии при ХТО возросла приблизительно в 1,2…1,7 раз. Исследования образцов показало на повышение однородности структуры диффузионной зоны материалов.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе химико-термической обработки детали из сплава на основе титана следующих приемов: размещение детали в рабочей камере установки; активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой; подача в камеру рабочей насыщающей среды; нагрев детали до температур химико-термической обработки; выдержка при этих температурах до формирования необходимой толщины диффузионного слоя; активирование поверхности детали перед химико-термической с помощью ионно-имплантационной обработки поверхности детали при энергии ионов от 30 до 40 кэВ, дозой от 1,4⋅10¹⁷ см^-2 до 1,8⋅10¹⁷ см^-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅10¹⁵ с^-1 до 1⋅10¹⁵ с^-1, при использовании в качестве имплантируемых ионов ионов следующих элементов: С, N, или их комбинации, а также использование дополнительных приемов: химико-термическую обработку детали проводят ионно-плазменным методом; в качестве ионно-плазменного метода используют ионно-плазменное азотирование или ионно-плазменную цементацию или ионно-плазменную нитроцементацию, позволяет обеспечить заявленный технический результат предлагаемого изобретения - повысить производительность и качество процесса ХТО, а также повысить износостойкость детали из сплава на основе титана после ХТО.