RU2717124C1 - Intensification method of low-temperature ion nitriding of items from titanium alloys - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, namely to chemical-thermal treatment of surface of articles from titanium alloys, and can be used in production of parts of engines, in medicine and parts in other industries, operating in conditions of wear. Method of low-temperature ion nitriding of items from titanium alloys includes supply to vacuum chamber with said products of plasma-forming gas mixture containing nitrogen and argon. Before nitriding, equal-channel angular pressing is performed with formation of ultra-fine-grained structure, at which billet is heated to 600 °C and subjected to six pressing cycles in tooling, having two channels with angle of intersection 120°, wherein after each cycle workpiece is turned about longitudinal axis by 90°, and nitriding is carried out in glow discharge at temperature of 400–450 °C.

EFFECT: higher growth rate and thickness of the hardened layer at low-temperature ion nitration of titanium alloys and, as a result, higher wear resistance of the surface.

1 cl, 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к металлургической промышленности, а именно к химико-термической обработке поверхности изделий из титановых сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей двигателей, в медицине и деталей других отраслях промышленности, работающих в условиях изнашивания.The invention relates to the metallurgical industry, in particular to chemical-thermal surface treatment of products from titanium alloys, and can be used in the manufacture of engine parts, in medicine and parts of other industries operating in conditions of wear.

Известен 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 р=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°С.A known method of low-temperature nitriding in a plasma of non-self-sustaining low-pressure arc discharge of technically pure titanium VT1-0 (RF patent 2434075, С23С 8/24. 03/23/2010), which is carried out in the following mode: the vacuum chamber is pumped to a pressure p = 2⋅10 ² Pa then working gas (Ar, N ₂ ) is supplied through the cathode cavity. After that, a voltage of ~ 70 V is applied to the discharge gap. As a result, a low-pressure diffusion arc with a heated cathode is ignited. As a plasma-forming mixture, a mixture of nitrogen-argon gases is used. Nitriding is performed at a temperature of ~ 420 ° C.

Недостатками данного способа являются:The disadvantages of this method are:

- Ухудшение качества поверхности в связи с тем, что при проведении процесса в данном типе разряда возможно попадание продуктов эрозии катода на поверхность обрабатываемых изделий;- Deterioration of surface quality due to the fact that during the process in this type of discharge, cathode erosion products may get on the surface of the processed products;

- Неравномерное распределение плотности ионного тока, что приводит к неравномерному азотированию длинномерных деталей.- Uneven distribution of ion current density, which leads to uneven nitriding of long parts.

Известен способ низкотемпературного ионного азотирования стальных деталей (патент РФ 2664106, С23С 8/38. 09.01.2017), который включает катодное распыление, вакуумный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов до температуры 430°С, причем сначала осуществляют поверхностную интенсивную пластическую деформацию посредством ультразвуковой обработки поверхности стального изделия с подачей инструмента S=2 м/мин, рабочей частотой f=22 кГц и частотой вращения детали N=30 об/мин.A known method of low-temperature ion nitriding of steel parts (RF patent 2664106, С23С 8/38. 01/09/2017), which includes cathodic sputtering, vacuum heating of the product in a glow discharge plasma consisting of a mixture of nitrogen-containing and inert gases to a temperature of 430 ° C, and first carry out intense surface plastic deformation by ultrasonic treatment of the surface of the steel product with a tool feed of S = 2 m / min, an operating frequency of f = 22 kHz and a part speed of N = 30 rpm.

Недостатками данного способа являются:The disadvantages of this method are:

- дорогостоящий метод создания ультрамелкозернистой структуры;- an expensive method of creating an ultrafine-grained structure;

- в газовой смеси используется 30% добавка водорода, что приведет к охрупчиванию поверхностного слоя.- 30% hydrogen addition is used in the gas mixture, which will lead to embrittlement of the surface layer.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов с постоянной прокачкой газовой смеси (патент РФ 2687616, С23С 8/36. 09.04.2018), который проводят при следующем режиме: изделия из титанового сплава загружаются в вакуумную камеру и подключаются к отрицательному электроду (катоду), производится эвакуация воздуха из вакуумной камеры, проводят ионную чистку затем азотирование проводят в тлеющем разряде при температуре 400-450°С с постоянной прокачкой, при которой откачивают аргон из вакуумной камеры и одновременно подают в нее упомянутую газовую смесь для поддержания в ней давления 300 Па, при этом в качестве упомянутой газовой смеси подают газовую смесь, содержащую 20 мас. % азота и 80 мас. % аргона.The closest in technical essence and the achieved effect to the claimed one is a method of low-temperature ion nitriding of titanium alloys with constant pumping of the gas mixture (RF patent 2687616, С23С 8/36. 04/09/2018), which is carried out in the following mode: products from titanium alloy are loaded into vacuum chamber and connected to a negative electrode (cathode), air is evacuated from the vacuum chamber, ion cleaning is carried out, then nitriding is carried out in a glow discharge at a temperature of 400-450 ° C with constant pumping At which the argon was evacuated from the vacuum chamber and are simultaneously fed into it the gaseous mixture to maintain the gas mixture fed to the pressure therein to 300 Pa, wherein as said gas mixture containing 20 wt. % nitrogen and 80 wt. % argon.

Недостатком прототипа является относительно низкая скорость насыщения при данных температурах и соответственно невысокая износостойкость поверхности.The disadvantage of the prototype is the relatively low speed of saturation at these temperatures and, accordingly, low wear resistance of the surface.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности процесса низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов.The task of the invention is to increase the efficiency of the process of low-temperature ion nitriding of titanium alloys.

Техническим результатом является повышение скорости роста и толщины упрочненного слоя при низкотемпературном ионном азотировании титановых сплавов, и как следствие повышение износостойкости поверхности.The technical result is an increase in the growth rate and thickness of the hardened layer during low-temperature ion nitriding of titanium alloys, and as a result, an increase in surface wear resistance.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе низкотемпературного ионного азотирования изделий из титановых сплавов, включающем подачу в вакуумную камеру с упомянутыми изделиями плазмообразующей газовой смеси, содержащей азот и аргон, в отличие от прототипа, перед азотированием проводят равноканальное угловое прессование с формированием ультрамелкозернистой структуры, при котором заготовку нагревают до 600°С и подвергают шести циклам прессования в оснастке, имеющей два канала с углом пересечения 120°, при этом после каждого цикла заготовку поворачивают вокруг продольной оси на 90°, а азотирование проводят в тлеющем разряде при температуре 400-450°С.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the method of low-temperature ion nitriding of titanium alloy products, comprising supplying a plasma-forming gas mixture containing nitrogen and argon to the vacuum chamber with the said products, in contrast to the prototype, equal-channel angular pressing is carried out before nitriding with the formation of ultrafine-grained structure, in which the preform is heated to 600 ° C and subjected to six pressing cycles in a snap having two channels with an intersection angle of 120 °, while after each cycle, the workpiece is rotated around the longitudinal axis by 90 °, and nitriding is carried out in a glow discharge at a temperature of 400-450 ° C.

Эффективность процесса ионного азотирования определяется временем, необходимым для получения упрочненного слоя заданной толщины. Время выдержки в свою очередь зависит от температуры процесса, с повышением температуры азотирования увеличивается скорость роста упрочненного слоя, т.к. азотирование является, как и любой диффузионный процесс, термически активируемым [Панайоти И.А., Соловьев Г.В. Ионное азотирование стареющих (α+β)-сплавов титана // МиТОМ. 1996. №5. С. 28-31]. Однако увеличение температуры процесса приводит к структурным изменениям в материале, что приводит к ухудшению механических свойств и происходит коробление тонкостенных деталей.The efficiency of the ion nitriding process is determined by the time required to obtain a hardened layer of a given thickness. The exposure time, in turn, depends on the process temperature, with an increase in the nitriding temperature, the growth rate of the hardened layer increases, since nitriding is, like any diffusion process, thermally activated [Panayoti I.A., Soloviev G.V. Ion nitriding of aging (α + β) titanium alloys // MiTOM. 1996. No5. S. 28-31]. However, an increase in the process temperature leads to structural changes in the material, which leads to a deterioration in the mechanical properties and warpage of thin-walled parts.

Однако скорость диффузии можно повысить за счет создания ультрамелкозернистой (УМЗ) и нанокристаллической структуры в материале методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Связано это с тем, что диффузия азота идет в основном по границам зерен, а также дефекты, созданные при ИПД на границах зерен, оказывают каталитическое действие. Также создание УМЗ структуры повышает механические свойства титановых сплавов [Семенова И.П., Рааб Г.И., Валиев Р.З. Наноструктурные титановые сплавы: новые разработки и перспективы применения // Российские нанотехнологии. - 2014. - Т. 9. - №. 5-6. - С. 84-95.]. Таким образом получение предварительно УМЗ структуры позволит не только интенсифицировать процесс азотирования, но и повысить механические и эксплуатационные свойства основы материала изделий из титановых сплавов.However, the diffusion rate can be increased by creating an ultrafine-grained (UFG) and nanocrystalline structure in the material by the methods of intense plastic deformation (IPD). This is due to the fact that nitrogen diffusion occurs mainly along the grain boundaries, and also defects created during SPD at the grain boundaries have a catalytic effect. Also, the creation of an UMP structure increases the mechanical properties of titanium alloys [Semenova I.P., Raab G.I., Valiev R.Z. Nanostructured titanium alloys: new developments and application prospects // Russian Nanotechnology. - 2014. - T. 9. - No. 5-6. - S. 84-95.]. Thus, obtaining a preliminary UFG structure will not only intensify the nitriding process, but also increase the mechanical and operational properties of the base material of titanium alloy products.

Существо изобретения поясняется чертежами, на фиг. 1 изображена схема реализации способа низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов. На фиг. 2 приведен график изменения микротвердости по глубине азотированного слоя после ионного азотирования в тлеющем разряде.The invention is illustrated by drawings, in FIG. 1 shows a diagram of a method for low-temperature ion nitriding of titanium alloys. In FIG. Figure 2 shows a graph of changes in microhardness along the depth of the nitrided layer after ion nitriding in a glow discharge.

Пример конкретной реализации способа.An example of a specific implementation of the method.

Способ осуществляется с помощью установки, содержащей источник питания 1, электрод-анод 2, обрабатываемую деталь (катод) 3, вакуумную камеру 4. Предварительно УМЗ структуру получали методом равноканального углового прессования (РКУП). Заготовку нагревали до температуры 600°С и подвергали прессованию в оснастке, которая имела два канала круглого сечения с углом пересечения 120°, заготовку после каждого цикла поворачивают на 90° вокруг продольной оси, всего было 6 циклов прессования. В вакуумной камере 4 (фиг. 1) деталь подключают к отрицательному электроду (катоду) 2, герметизируют вакуумную камеру 4 и откачивают воздух до давления 10 Па. После эвакуации воздуха камеру продувают аргоном в течение 2-5 мин при давлении ~1330 Па, затем откачивают вакуумную камеру 4 до давления 20-30 Па, подают на электроды анод 2 и катод (деталь) 3 разность потенциалов с помощью источника питания 1 и зажигают тлеющий разряд. При напряжении 800-900 В осуществляется катодное распыление. После 5-10-минутной обработки по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, включают форвакуумный насос и откачивают аргон из вакуумной камеры, далее не отключая откачку, напускают рабочий газ. Процесс ионного азотирования проводят с постоянной прокачкой, т.е. форвакуумный насос работает в течении всего процесса обработки. Одновременно с этим включают регулятор расхода газа, который подает рабочий газ в вакуумную камеру 4 в необходимом соотношении для поддержания давления 160 Па. В качестве рабочего газа используется газовая смесь азота, аргона (N₂ 15%+Ar 85%). Азотирование в тлеющем разряде производят при р=160 Па, I=0,9 А, U=540 В в течение 3 ч и температуре 450°С. После обработки изделие охлаждают вместе с вакуумной камерой 4 под вакуумом. На фиг. 2 приведен график изменения микротвердости по глубине азотированного слоя после ионного азотирования в тлеющем разряде. Два образца были проазотированны при одинаковых режимах, отличием было то, что в первом случае структура была в крупнозернистом (КЗ), а во втором УМЗ состоянии. Как видно из фиг. 2 для образца с УМЗ структурой поверхностная микротвердость выше и снижение микротвердости до уровня значений основы более равномерное. Глубина упрочненного слоя для КЗ структуры составило -20 мкм, а для УМЗ структуры ~ 30 мкм, что свидетельствует об ускоренной кинетике роста упрочненного слоя.The method is carried out using an installation containing a power source 1, an electrode-anode 2, a workpiece (cathode) 3, a vacuum chamber 4. Previously, the UFG structure was obtained by equal channel angular pressing (ECAP). The billet was heated to a temperature of 600 ° C and subjected to pressing in a snap, which had two channels of circular cross section with an intersection angle of 120 °, the billet after each cycle was rotated 90 ° around the longitudinal axis, there were 6 pressing cycles. In the vacuum chamber 4 (Fig. 1), the part is connected to the negative electrode (cathode) 2, the vacuum chamber 4 is sealed, and air is pumped out to a pressure of 10 Pa. After evacuation of air, the chamber is purged with argon for 2-5 min at a pressure of ~ 1330 Pa, then the vacuum chamber 4 is pumped out to a pressure of 20-30 Pa, the potential difference is fed to the electrodes anode 2 and cathode (part) 3 using a power source 1 and ignite glow discharge. At a voltage of 800-900 V, cathodic sputtering is carried out. After 5-10 minutes of cathodic sputtering treatment, the voltage is reduced to the working one, the fore-vacuum pump is turned on, and argon is pumped out of the vacuum chamber, then without shutting down the pumping, the working gas is injected. The ion nitriding process is carried out with constant pumping, i.e. The fore-vacuum pump operates during the entire processing process. At the same time, a gas flow regulator is turned on, which supplies the working gas to the vacuum chamber 4 in the required ratio to maintain a pressure of 160 Pa. As a working gas, a gas mixture of nitrogen, argon (N ₂ 15% + Ar 85%) is used. Glow nitriding is performed at p = 160 Pa, I = 0.9 A, U = 540 V for 3 hours and a temperature of 450 ° C. After processing, the product is cooled together with the vacuum chamber 4 under vacuum. In FIG. Figure 2 shows a graph of changes in microhardness along the depth of the nitrided layer after ion nitriding in a glow discharge. Two samples were nitrided under the same conditions, the difference was that in the first case the structure was in coarse-grained (CG), and in the second UFG state. As can be seen from FIG. 2, for a sample with UFG structure, the surface microhardness is higher and the decrease in microhardness to the level of the base values is more uniform. The depth of the hardened layer for the SC structure was -20 μm, and for the UFG structure ~ 30 μm, which indicates the accelerated growth kinetics of the hardened layer.

Предлагаемый способ низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов позволяет интенсифицировать процесс диффузии азота в материал, а также повысить механические и эксплуатационные свойства.The proposed method of low-temperature ion nitriding of titanium alloys allows to intensify the process of nitrogen diffusion into the material, as well as to increase the mechanical and operational properties.

Claims (1)

Способ низкотемпературного ионного азотирования изделий из титановых сплавов, включающий подачу в вакуумную камеру с упомянутыми изделиями плазмообразующей газовой смеси, содержащей азот и аргон, отличающийся тем, что перед азотированием проводят равноканальное угловое прессование с формированием ультрамелкозернистой структуры, при котором заготовку нагревают до 600°С и подвергают шести циклам прессования в оснастке, имеющей два канала с углом пересечения 120°, при этом после каждого цикла заготовку поворачивают вокруг продольной оси на 90°, а азотирование проводят в тлеющем разряде при температуре 400-450°С.A method for low-temperature ion nitriding of titanium alloy products, comprising supplying a plasma-forming gas mixture containing nitrogen and argon to a vacuum chamber with the said products, characterized in that the channel is subjected to equal channel angular pressing with the formation of an ultrafine-grained structure, in which the workpiece is heated to 600 ° C and subjected to six pressing cycles in a snap having two channels with an intersection angle of 120 °, while after each cycle the workpiece is rotated around the longitudinal axis 90 °, and nitriding is carried out in a glow discharge at a temperature of 400-450 ° C.

Images