RU2625518C2

RU2625518C2 - Method of nitridation of titanic alloys in glow discharge

Info

Publication number: RU2625518C2
Application number: RU2015147092A
Authority: RU
Inventors: Камиль Нуруллаевич Рамазанов; Владимир Васильевич Будилов; Лиана Наилевна Заббарова; Расим Фаритович Хуснутдинов; Илья Владимирович Золотов
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2017-07-14
Also published as: RU2015147092A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method of nitridation of products from titanic alloys in a glow discharge involves carrying out of the noted nitriding in a nitrogen-argon gas mixture, using the noted nitrogen-argon gas mixture with a percentage ratio of 60% N₂ to 40% Ar, and the noted nitriding in a glow discharge is carried out in magnetic field at a temperature of 650-750°C for 4 hours, voltage in the discharge gap of 450-550 V and pressure in a vacuum chamber of 10^-1-1 Pa.

EFFECT: process of surface saturation with nitrogen ions during ion nitriding of titanic alloys is intensified, and a developed diffusion zone on a titanium base of the order of 50-70 mcm is obtained.

1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к машиностроительной промышленности, а именно к химико-термической обработке поверхности изделий из титанового сплава и может быть использовано для повышения эксплуатационных характеристик изделий.The invention relates to the engineering industry, in particular to chemical-thermal surface treatment of products from titanium alloy and can be used to improve the operational characteristics of the products.

Известен способ низкотемпературного азотирования в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления технически чистого титана BT-0 (RU №2434075 C1, МПК C23C 8/24, 2011 г.). В данном способе азотирование реализовано в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления за счет использования в качестве плазмообразующей смеси газов азот-аргон. При этом азотирование выполняется при температуре 400°C и используют ионную и электронную компоненту плазмы. Время азотирования и количество аргона в плазмообразующей смеси устанавливается в зависимости от требуемой толщины модифицированного слоя.A known method of low-temperature nitriding in a plasma of a non-self-sustaining low-pressure arc discharge of technically pure titanium BT-0 (RU No. 2434075 C1, IPC C23C 8/24, 2011). In this method, nitriding is realized in a plasma of a non-self-sustaining low-pressure arc discharge due to the use of nitrogen-argon gases as a plasma-forming mixture. In this case, nitriding is performed at a temperature of 400 ° C and the ionic and electronic components of the plasma are used. The nitriding time and the amount of argon in the plasma-forming mixture is set depending on the required thickness of the modified layer.

Недостатком аналога является невысокая производительность и малая глубина азотированного слоя, необходимость использования сложного оборудования и специальных источников ионов, а также потребность в высоком вакууме (10^-2 Па).The disadvantage of the analogue is the low productivity and shallow depth of the nitrided layer, the need to use sophisticated equipment and special ion sources, as well as the need for a high vacuum (10 ^-2 Pa).

Известен способ азотирования в плазме тлеющего разряда (RU №2409700 C1, МПК C23C 8/36, 2011), включающий азотирование в тлеющем разряде и закалку, для осуществления которого проводят вакуумный нагрев изделий в плазме азота повышенной плотности. Плазму азота повышенной плотности формируют в кольцевой области вращения электронов, захваченных магнитным полем, силовые линии которого параллельны обрабатываемой поверхности, при этом электронное облако максимально локализовано у детали-катода.A known method of nitriding in a glow discharge plasma (RU No. 2409700 C1, IPC C23C 8/36, 2011), including nitriding in a glow discharge and hardening, for which vacuum heating of products in a high-density nitrogen plasma is carried out. An increased density nitrogen plasma is formed in the annular region of rotation of electrons captured by a magnetic field, the lines of force of which are parallel to the surface being treated, while the electron cloud is maximally localized at the cathode part.

Недостатком аналога является отсутствие возможности азотирования титановых сплавов.The disadvantage of this analogue is the lack of the possibility of nitriding of titanium alloys.

Наиболее близким по технической сущности является способ низкотемпературного азотирования в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления титановых сплавов ВТ-6 и ВТ-16 (RU №2434074 С1, МПК С23С 8/24, 2011 г.). Данный способ реализуется за счет пластической деформации, которую проводят до азотирования для формирования наноструктурированного или субмикрокристаллического состояния в объеме материала. Азотирование проводят на ионно-плазменной установке типа ННВ-6.6-И1. Процесс проводят при температуре 400°С в смеси газов азот-аргон с процентным соотношением 60% N₂ - 40% Ar, давление в камере 10^-2 Па, напряжение 70 В. Время азотирования 40 минут. После азотирования поверхностная микротвердость повысилась на 5,5%, при этом на поверхности сформировался слой с мелкодисперсными частицам нитрида титана глобулярной формы. Дальнейшее увеличение времени азотирования до 120 минут приводит к увеличению глубины модифицированного слоя до 10 мкм.The closest in technical essence is the method of low-temperature nitriding in a plasma of a non-self-sustaining low-pressure arc discharge of VT-6 and VT-16 titanium alloys (RU No. 2434074 C1, MPK S23C 8/24, 2011). This method is implemented due to plastic deformation, which is carried out before nitriding to form a nanostructured or submicrocrystalline state in the bulk of the material. Nitriding is carried out on an ion-plasma installation type NNV-6.6-I1. The process is carried out at a temperature of 400 ° C in a mixture of nitrogen-argon gases with a percentage of 60% N ₂ - 40% Ar, the pressure in the chamber is 10 ^-2 Pa, the voltage is 70 V. The nitriding time is 40 minutes. After nitriding, the surface microhardness increased by 5.5%, while a layer with fine particles of globular titanium nitride was formed on the surface. A further increase in the nitriding time to 120 minutes leads to an increase in the depth of the modified layer to 10 μm.

Недостатком прототипа является невысокая производительность и малая глубина азотированного слоя, необходимость использования сложного оборудования и специальных источников ионов, а также потребность в высоком вакууме (10^-2 Па).The disadvantage of the prototype is the low productivity and shallow depth of the nitrided layer, the need to use sophisticated equipment and special ion sources, as well as the need for high vacuum (10 ^-2 Pa).

Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности процесса и улучшение эксплуатационных свойств поверхности детали из титановых сплавов.The task of the invention is to increase the productivity of the process and improve the operational properties of the surface of a part made of titanium alloys.

Техническим результатом способа является интенсификации процесса насыщения поверхности ионами азота при ионном азотировании титановых сплавов и получение развитой диффузионной зоны на титановой основе порядка 50-70 мкм.The technical result of the method is the intensification of the process of saturation of the surface with nitrogen ions during ion nitriding of titanium alloys and obtaining a developed diffusion zone on a titanium base of the order of 50-70 microns.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе азотирования изделий из титановых сплавов в тлеющем разряде, включающий проведение указанного азотирования в газовой смеси азот-аргон, согласно изобретению, используют упомянутую газовую смесь азот-аргон процентным соотношением 60% N₂ - 40% Ar, при этом упомянутое азотирование в тлеющем разряде проводят в магнитном поле при температуре 650-750°C в течение 4 часов, напряжении в разрядном промежутке 450-550 В и давлении в вакуумной камере 10^-1-1 Па.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the method of nitriding of titanium alloy products in a glow discharge, including carrying out the specified nitriding in a nitrogen-argon gas mixture, according to the invention, the said nitrogen-argon gas mixture with a percentage ratio of 60% N ₂ - 40% Ar, while the aforementioned nitriding in a glow discharge is carried out in a magnetic field at a temperature of 650-750 ° C for 4 hours, a voltage in the discharge gap of 450-550 V and a pressure in the vacuum chamber of 10 ^-1 -1 Pa.

Наличие магнитного поля при определенных соотношениях между напряжением разряда и давлением плазмообразующего газа приводит к значительному увеличению разрядного тока при некотором снижении напряжения. Увеличение тока разряда обусловлено тем, что в катодной области увеличивается генерация заряженных частиц осциллирующими электронами, захваченными магнитным полем; при этом возрастает число ионов, бомбардирующих поверхность, и число электронов, эмитируемых катодом. Также наложение магнитного поля заметно ускоряет формирование азотированного слоя, а низкое давление способствует более глубокому проникновению диффузии азота вглубь металла.The presence of a magnetic field at certain ratios between the discharge voltage and the pressure of the plasma-forming gas leads to a significant increase in the discharge current with a slight decrease in voltage. The increase in the discharge current is due to the fact that in the cathode region the generation of charged particles by oscillating electrons captured by a magnetic field increases; in this case, the number of ions bombarding the surface and the number of electrons emitted by the cathode increase. Also, the application of a magnetic field significantly accelerates the formation of a nitrided layer, and low pressure promotes a deeper penetration of nitrogen diffusion deep into the metal.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема проведения ионного азотирования на установке ЭЛУ-5.The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the conduct of ion nitriding on the installation of ELU-5.

Установка состоит из вакуумной камеры 1, магнитной системы 2, системы ввода рабочего газа 3, системы откачки 4 и рабочего стола 5 с образцом 6.The installation consists of a vacuum chamber 1, a magnetic system 2, a system for introducing a working gas 3, a pumping system 4, and a working table 5 with sample 6.

Процесс азотирования осуществляется при температуре 650-750°С, которая существенно превышает точку температуры Кюри. Поэтому предусмотрена система охлаждения магнитной системы, обеспечивающая захват и удержание электронов над образцом.The nitriding process is carried out at a temperature of 650-750 ° C, which significantly exceeds the Curie temperature point. Therefore, a cooling system for the magnetic system is provided, which ensures the capture and confinement of electrons above the sample.

Пример конкретной реализации способаAn example of a specific implementation of the method

В качестве материала для проведения испытаний был выбран титановый сплав ВТ-6. Способ реализовали на модернизированной установке ЭЛУ-5. В вакуумной камере на рабочем столе устанавливается предварительно очищенный образец, который подключают к отрицательному электроду. Затем создается рабочее давление в диапазоне от 10^-1 до 1 Па, после чего вакуумная камера прокачивается смесью газов азот-аргон (60% N₂ - 40% Ar), подается рабочее напряжение 500-600 В. Образец, установленный в вакуумной камере, нагревают до температуры 650-750°C и азотируют в течение 4 часов. Все процессы проходят за один вакуумный цикл, т.е. в одной камере и в одной и той же газовой среде (60% N₂ - 40% Ar), что позволяет максимально снизить вспомогательное время, затрачиваемое на подготовительные операции, которые связаны с использованием разного оборудования и оснастки. При этом глубина азотированного слоя достигает 60-70 мкм.As a material for testing, VT-6 titanium alloy was chosen. The method was implemented on a modernized installation ELU-5. In a vacuum chamber on the working table, a pre-cleaned sample is installed, which is connected to the negative electrode. Then, a working pressure is created in the range from 10 ^-1 to 1 Pa, after which the vacuum chamber is pumped with a mixture of nitrogen-argon gases (60% N ₂ - 40% Ar), an operating voltage of 500-600 V is applied. A sample installed in a vacuum chamber, heated to a temperature of 650-750 ° C and nitrided for 4 hours. All processes take place in one vacuum cycle, i.e. in the same chamber and in the same gas medium (60% N ₂ - 40% Ar), which allows to minimize the auxiliary time spent on preparatory operations associated with the use of different equipment and equipment. The depth of the nitrided layer reaches 60-70 microns.

Необходимо отметить следующие преимущества заявленного способа: большая глубина азотированного слоя, высокая производительность процесса, простота установки, не требующая проектирования специальных приспособлений.It should be noted the following advantages of the claimed method: a large depth of the nitrided layer, high productivity of the process, ease of installation, not requiring the design of special devices.

Таким образом, предлагаемый способ ионного азотирования титановых сплавов при низком давлении позволяет получить глубину диффузионного слоя в титановом сплаве порядка 50-70 мкм.Thus, the proposed method of ion nitriding of titanium alloys at low pressure allows you to get the depth of the diffusion layer in the titanium alloy of the order of 50-70 microns.

Claims

A method for nitriding a titanium alloy product in a glow discharge, comprising carrying out said nitriding in a nitrogen-argon gas mixture, characterized in that said nitrogen-argon gas mixture is used with a percentage of 60% N ₂ to 40% Ar, wherein said nitriding is in a glow the discharge is carried out in a magnetic field at a temperature of 650-750 ° C for 4 hours, a voltage in the discharge gap of 450-550 V and a pressure in the vacuum chamber of 10 ^-1 -1 Pa.