RU2365671C1 - Method of hardening titanium alloys in gas environment - Google Patents
Method of hardening titanium alloys in gas environment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2365671C1 RU2365671C1 RU2007145303/02A RU2007145303A RU2365671C1 RU 2365671 C1 RU2365671 C1 RU 2365671C1 RU 2007145303/02 A RU2007145303/02 A RU 2007145303/02A RU 2007145303 A RU2007145303 A RU 2007145303A RU 2365671 C1 RU2365671 C1 RU 2365671C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- nitride
- hardening
- nitrogen
- nitriding
- Prior art date
Links
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, а именно к способам упрочнения металлов азотированием, и может быть использовано при изготовлении деталей из титановых сплавов, работающих при циклических нагрузках.The invention relates to metallurgy, and in particular to methods of hardening metals by nitriding, and can be used in the manufacture of parts from titanium alloys operating under cyclic loads.
Известен способ поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов, включающий отжиг в насыщающей атмосфере и последующее частичное удаление газонасыщенного слоя травлением, о величине которого судят по оптимальному значению перепада микротвердости травленной поверхности по отношению к сердцевине, рассчитываемому по формуле (описание к патенту RU 2205890, МПК7 С22F 1/18, 2001/09/12).A known method of surface hardening of products from titanium and titanium alloys, including annealing in a saturating atmosphere and subsequent partial removal of the gas-saturated layer by etching, the value of which is judged by the optimal value of the microhardness drop of the etched surface relative to the core, calculated by the formula (description of patent RU 2205890, IPC 7 C22F 1/18, 2001/09/12).
Недостатками известного способа являются сложность и высокая трудоемкость используемого метода разрушающего контроля для выявления изменений микротвердости обрабатываемой поверхности при различной глубине травления.The disadvantages of this method are the complexity and high complexity of the used method of destructive testing to detect changes in the microhardness of the treated surface at different etching depths.
Известен способ поверхностного упрочнения титана и титановых сплавов, предусматривающий стадии высокотемпературного азотирования и последующее удаление травлением части газонасыщенного слоя, соответствующей удвоенной величине глубины его зоны h, обладающей повышенной хрупкостью (описание к заявке №2006124054).A known method of surface hardening of titanium and titanium alloys, which includes stages of high-temperature nitriding and subsequent removal by etching of the gas-saturated layer corresponding to twice the depth of its zone h, which has increased fragility (description of application No. 2006124054).
Недостатком способа является потеря дорогостоящего металла при травлении и высокая трудоемкость.The disadvantage of this method is the loss of expensive metal during etching and high complexity.
Известен способ высокотемпературного азотирования хромоникелевых сплавов, легированных титаном, предусматривающий последовательное проведение стадий термообработки с выдержкой в активной газовой среде, содержащей азот, в течение 15 часов и в нейтральной газовой среде аргона в течение 1,5-2,5 часов при температуре 1200°С (описание к патенту RU 2148675, МПК 7 С23С 8/24, С23F 17/00, 26.06.1998).A known method of high-temperature nitriding of chromium-nickel alloys alloyed with titanium, providing for sequential stages of heat treatment with exposure in an active gas medium containing nitrogen for 15 hours and in a neutral gas medium of argon for 1.5-2.5 hours at a temperature of 1200 ° C (description of patent RU 2148675, IPC 7 C23C 8/24, C23F 17/00, 06/26/1998).
Известный способ позволяет повысить жаростойкость и жаропрочность.The known method improves the heat resistance and heat resistance.
Известен способ упрочнения титановых сплавов в газовой среде, включающий высокотемпературное азотирование и восстановительный отжиг в аргоне (Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Москва, Машиностроение, 1965, с.334).A known method of hardening titanium alloys in a gaseous medium, including high-temperature nitriding and reduction annealing in argon (Minkevich AN Chemical-thermal treatment of metals and alloys. Moscow, Mechanical Engineering, 1965, p.334).
Задача изобретения - снижение энергозатрат и повышение циклической выносливости и долговечности конструкций из титановых сплавов.The objective of the invention is to reduce energy consumption and increase cyclic endurance and durability of structures made of titanium alloys.
Технический результат - оптимизация режимов высокотемпературного азотирования для поверхностного упрочнения титановых сплавов.EFFECT: optimization of high-temperature nitriding modes for surface hardening of titanium alloys.
Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения титановых сплавов в газовой среде, включающем высокотемпературное азотирование и восстановительный отжиг в аргоне, азотирование проводят при температуре 700-750°С в течение 10-30 минут, а восстановительный отжиг - при температуре, превышающей температуру азотирования на 100-150°С, в течение времени τотж, выбираемого из условия:The technical result is achieved by the fact that in the method of hardening titanium alloys in a gaseous medium, including high-temperature nitriding and reductive annealing in argon, nitriding is carried out at a temperature of 700-750 ° C for 10-30 minutes, and reductive annealing at a temperature exceeding the nitriding temperature at 100-150 ° C, during the time τ ot , selected from the condition:
где Казот, Кр - эмпирические коэффициенты, учитывающие соответственно скорость образования и скорость растворения нитридного газонасыщенного слоя, where K nitrogen , K p - empirical coefficients, taking into account, respectively, the rate of formation and dissolution rate of the nitride gas-saturated layer,
мкм2/с;μm 2 / s;
Еазот - энергия активации процесса, контролирующего повышение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;E nitrogen is the activation energy of the process that controls the increase in nitrogen concentration in the nitrided embrittled layer, J / mol;
Ер - энергия активации процесса, контролирующего понижение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;E p is the activation energy of the process controlling the decrease in the nitrogen concentration in the nitrided embrittled layer, J / mol;
R - газовая постоянная, Дж/К·моль;R is the gas constant, J / K · mol;
Тазот - температура азотирования, К;T nitrogen - nitriding temperature, K;
Тотж- температура восстановительного отжига, К;T anne — temperature of reductive annealing, K;
τазот - время азотирования, с.τ nitrogen - nitriding time, s.
Сущность технического решения заключается в том, что в процессе восстановительного отжига в поверхностном слое титана понижается концентрация азота в результате развития его диффузии в металлическую основу. Экспериментально установлено, что при проведении восстановительного отжига в течение времени, выбранного из условия (1), происходит перераспределение и снижение концентрации азота в поверхностных слоях до некоторого оптимального значения, обеспечивающего восстановление пластичности и, как следствие этого, повышение выносливости и долговечности азотированного титана.The essence of the technical solution lies in the fact that during the reductive annealing in the surface layer of titanium, the nitrogen concentration decreases as a result of the development of its diffusion into the metal base. It was experimentally established that when conducting reductive annealing for a time selected from condition (1), the nitrogen concentration in the surface layers is redistributed and reduced to a certain optimal value, which ensures the restoration of plasticity and, as a result, an increase in the endurance and durability of nitrated titanium.
Время проведения азотирования в течение τазот≤0,5 часа при температуре Тазот≥700°С и температура проведения восстановительного отжига Тотж≈Тазот+(100-150)°С являются оптимальными для проведения химико-термических процессов с минимальными энергозатратами. При этом значение выбранного температурного режима азотирования является необходимым условием для проведения азотирования титановых сплавов в активной газовой среде азота.The nitriding time for τ nitrogen ≤0.5 hours at a temperature of T nitrogen ≥700 ° С and the temperature of reductive annealing Т anne ≈ Т nitrogen + (100-150) ° С are optimal for carrying out chemical-thermal processes with minimal energy consumption. The value of the selected temperature regime of nitriding is a prerequisite for nitriding titanium alloys in an active nitrogen gas environment.
Значения выбранного температурного режима проведения восстановительного отжига являются необходимыми условиями для возможности реализации способа. Так, после азотирования при 700°С в течение 0,5 часа в случае восстановительного отжига при Тотж<800°С его продолжительность возрастает на порядок. Это приводит к неоправданным дополнительным энергозатратам. При Тотж>850°С продолжительность восстановительного отжига, напротив, сокращается на порядок и более, что приводит к невозможности контроля за процессом и реализацией способа.The values of the selected temperature regime for conducting reductive annealing are necessary conditions for the possibility of implementing the method. So, after nitriding at 700 ° C for 0.5 hours in the case of reductive annealing at T anne <800 ° C, its duration increases by an order of magnitude. This leads to unjustified additional energy costs. At T anne > 850 ° C, the duration of reductive annealing, on the contrary, is reduced by an order of magnitude or more, which makes it impossible to control the process and the implementation of the method.
ПримерExample
Апробирование способа осуществляли на образцах размером 2×5×10 мм из листового сплава ВТ6, которые после полирования и обезжиривания азотировали при температуре Тазот=700°С=973,15 К в течение τазот = 0,5 часа = 30 мин = 1800 с в среде газовой смеси азота (40%) и аргона (60%) при атмосферном давлении. В качестве характеристики состояния поверхности титанового сплава использовали глубину охрупченного слоя и величину микротвердости поверхности, замеренную при нагрузке на индентор 0,2 Н.The method was tested on samples of 2 × 5 × 10 mm in size made of VT6 sheet alloy, which, after polishing and degreasing, were nitrided at a temperature of T nitrogen = 700 ° C = 973.15 K for τ nitrogen = 0.5 hours = 30 min = 1800 c in a gas mixture of nitrogen (40%) and argon (60%) at atmospheric pressure. As a characteristic of the surface condition of the titanium alloy, the depth of the embrittled layer and the surface microhardness measured at a load on the indenter of 0.2 N were used.
В результате азотирования на поверхности образцов формировался охрупченный слой глубиной ≈ 1 мкм. Микротвердость при этом составляла 9-10 ГПа.As a result of nitriding, a brittle layer with a depth of ≈ 1 μm was formed on the surface of the samples. The microhardness was 9-10 GPa.
Для выбранного режима азотирования сплава ВТ6 экспериментально (по методике проведения экспериментов для определения численных значений констант скорости и энергии активации процессов роста и растворения оксидных пленок на поверхности титановых сплавов, приведенной в работе Бондарь А.В., Пешков В.В., Киреев Л.С., Шурупов В.В. Диффузионная сварка титана и его сплавов. - Воронеж: Издательство Воронежского Государственного Университета, 1998 с.29-50) установлены численные значения коэффициентов, учитывающих соответственно скорость образования и скорость растворения нитридного газонасыщенного слоя, Казот=3,5·107 мкм2/с и Кр=6,3·106 мкм2/с, а также значения энергии активации процесса, контролирующего повышение концентрации азота в охрупченном слое, Еазот=203000 Дж/моль и энергии активации процесса, контролирующего понижение концентрации азота в охрупченном слое, Ер=215000 Дж/моль.For the selected nitriding regime of the VT6 alloy experimentally (according to the experimental technique for determining the numerical values of the rate constants and activation energy of the processes of growth and dissolution of oxide films on the surface of titanium alloys, given in the work of Bondar A.V., Peshkov V.V., Kireev L. S., Shurupov VV Diffusion welding of titanium and its alloys. - Voronezh: Publishing house of the Voronezh State University, 1998 p.29-50) numerical values of the coefficients are taken into account, taking into account the formation rate, respectively dissolution rate of the nitride layer of gas-saturated, nitrogen-K = 3.5 × 10 7 m 2 / s and K p = 6.3 × 10 6 mm 2 / s, and the process value of the activation energy, controlling increase of nitrogen concentration in the embrittled layer, E nitrogen = 203000 J / mol and the activation energy of the process controlling the decrease in nitrogen concentration in the embrittled layer, E p = 215000 J / mol.
Затем образцы отжигали при температуре Тотж=800°С в среде аргона высшего сорта в течение времени τотж=45 минут.Then the samples were annealed at a temperature T anne = 800 ° С in the medium of argon of the highest grade for a time τ anne = 45 minutes.
Время проведения восстановительного отжига рассчитывали по зависимости (1): The duration of the reductive annealing was calculated according to the dependence (1):
При проведении восстановительного отжига при температуре Тотж=850°С время выдержки согласно зависимости (1) выбирается равным соответственно τотж≅15 мин (882 с).When conducting reductive annealing at a temperature of T anne = 850 ° C, the holding time according to dependence (1) is chosen equal to, respectively, τ anne ≅15 min (882 s).
Измерение микротвердости образцов после восстановительного отжига показало, что она составляет (2,9-3,1) ГПа, т.е. значительно меньше микротвердости исходной азотированной поверхности (9-10) Гпа, и соизмерима с микротвердостью сплава ВТ6 в состоянии поставки (2,95 ГПа).Measurement of the microhardness of the samples after reductive annealing showed that it is (2.9-3.1) GPa, i.e. significantly less than the microhardness of the initial nitrided surface (9-10) GPa, and is comparable with the microhardness of the VT6 alloy in the delivery state (2.95 GPa).
Образцы испытывали на повторно-статическое растяжение, и результаты испытаний показали, что количество циклов N до разрушения по сравнению с образцами в состоянии поставки возросло на 12-17%.The samples were tested for re-static tension, and the test results showed that the number of N cycles before failure compared with the samples in the delivery state increased by 12-17%.
Claims (1)
,
где Казот, Кр - эмпирические коэффициенты, учитывающие соответственно скорость образования и скорость растворения нитридного газонасыщенного слоя, мкм2/с;
Еазот - энергия активации процесса, контролирующего повышение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;
Ер - энергия активации процесса, контролирующего понижение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;
R - газовая постоянная, Дж/Кмоль;
Тазот - температура азотирования, К;
Тотж - температура восстановительного отжига, К;
τазот - время азотирования, с. A method of hardening titanium alloys in a gaseous medium, including high-temperature nitriding and reductive annealing in argon, characterized in that nitriding is carried out at a temperature of 700-750 ° C for 30-10 minutes, and reductive annealing at a temperature exceeding the nitriding temperature by 100- 150 ° C, during the time τ ot , selected from the condition:
,
where K nitrogen , K p - empirical coefficients, respectively taking into account the rate of formation and dissolution rate of the nitride gas-saturated layer, μm 2 / s;
E nitrogen is the activation energy of the process that controls the increase in nitrogen concentration in the nitrided embrittled layer, J / mol;
E p is the activation energy of the process controlling the decrease in the nitrogen concentration in the nitrided embrittled layer, J / mol;
R is the gas constant, J / Kmol;
T nitrogen - nitriding temperature, K;
T anne — temperature of reductive annealing, K;
τ nitrogen - nitriding time, s.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007145303/02A RU2365671C1 (en) | 2007-12-06 | 2007-12-06 | Method of hardening titanium alloys in gas environment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007145303/02A RU2365671C1 (en) | 2007-12-06 | 2007-12-06 | Method of hardening titanium alloys in gas environment |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007145303A RU2007145303A (en) | 2009-06-20 |
RU2365671C1 true RU2365671C1 (en) | 2009-08-27 |
Family
ID=41025278
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007145303/02A RU2365671C1 (en) | 2007-12-06 | 2007-12-06 | Method of hardening titanium alloys in gas environment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2365671C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2558320C1 (en) * | 2014-05-21 | 2015-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Surface hardening of titanium alloys in vacuum |
RU2611251C2 (en) * | 2015-06-15 | 2017-02-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method for high density plasma nitridng |
-
2007
- 2007-12-06 RU RU2007145303/02A patent/RU2365671C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
МИНКЕВИЧ А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. - М.: Машиностроение, 1965, с.325, с.334. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2558320C1 (en) * | 2014-05-21 | 2015-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Surface hardening of titanium alloys in vacuum |
RU2611251C2 (en) * | 2015-06-15 | 2017-02-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method for high density plasma nitridng |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007145303A (en) | 2009-06-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Vojtěch et al. | Surface treatment of NiTi shape memory alloy and its influence on corrosion behavior | |
JP6217840B2 (en) | Nitriding method and method for manufacturing nitrided parts | |
DK2702183T3 (en) | Method of inserting hardening of a cold-deformed member of a passive alloy. | |
EP2841617A1 (en) | Method for solution hardening of a cold deformed workpiece of a passive alloy, and a member solution hardened by the method | |
KR20170037646A (en) | Enhanced activation of self-passivating metals | |
JP4947932B2 (en) | Metal gas nitriding method | |
JP2015514874A5 (en) | ||
EP1712658B1 (en) | Method for surface treatment of metal material | |
RU2365671C1 (en) | Method of hardening titanium alloys in gas environment | |
Wang et al. | Enhanced fatigue performance and surface mechanical properties of AISI 304 stainless steel induced by electropulsing-assisted ultrasonic surface rolling process | |
JP2015501882A (en) | Methods for improving the mechanical properties of products made of metals and alloys | |
RU2562185C1 (en) | Modification method of surface of items from titanium alloys in vacuum | |
De las Cuevas et al. | Loss of ductility due to decarburation and Mn depletion of a coarse-grained TWIP steel | |
RU2558320C1 (en) | Surface hardening of titanium alloys in vacuum | |
JP2002302715A (en) | Method for manufacturing steel product | |
JP2013112877A (en) | Carburizing treatment method | |
Li et al. | Alloy surface activation by immersion in aqueous acid solution | |
Conradie et al. | Alpha case characterization of hot rolled titanium | |
RU2309184C1 (en) | Method of enhancing ductility of low-carbon plain killed steels | |
JP4494996B2 (en) | Passivation membrane removal method | |
Lelong | Low Pressure Carbonitriding of Steel Alloys with Boron and Niobium Additions Larissa Vilela Costa, Kip O. Findley Advanced Steel Processing & Products Research Center, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, USA lvilelacostaQmines. edu, kfindley (G) mines. edu | |
Aghazadeh-Mohandesi et al. | Effects of nitriding at low nitrogen partial pressures on yield and fatigue in some stainless steels | |
Parlak et al. | Surface treatment effects on chemical milling performance of L-PBF produced Ti6Al4V ELI | |
Pichuhin et al. | Endurance of VT1-0 titanium alloy subjected to solid-solution surface hardening | |
JPH10306365A (en) | Surface hardened titanium material, method for hardening surface of titanium material and product thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20101207 |