RU2687616C1

RU2687616C1 - Method for low-temerature ion nitriding of titanium alloys with constant pumping of a gas mixture

Info

Publication number: RU2687616C1
Application number: RU2018112729A
Authority: RU
Inventors: Камиль Нуруллаевич Рамазанов; Рашид Денисламович Агзамов; Юлдаш Гамирович Хусаинов; Алексей Александрович Николаев; Айнур Фирганович Тагиров; Роман Сергеевич Есипов; Эдуард Леонидович Варданян
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2019-05-15

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 operating in wear conditions, in medicine and other industries. 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. Nitriding is carried out in a glow discharge at temperature of 400–450 °C with constant pumping, at which argon is pumped from vacuum chamber and said gas mixture is simultaneously fed thereto to maintain pressure of 300 Pa. Gas mixture is supplied as the above gas mix containing 20 wt% nitrogen and 80 wt% argon.EFFECT: higher efficiency of low-temperature ion nitriding of titanium alloys.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, работающих в условиях износа, в медицине и других отраслях промышленности.The invention relates to the metallurgical industry, in particular to the chemical heat treatment of the surface of products made of titanium alloys, and can be used in the manufacture of engine parts operating in conditions of wear, in medicine and other industries.

Известен способ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов (патент РФ 2427666, С23С 8/36. 21.12.2009), который проводят при помощи нагрева поверхности изделия в среде азота, при этом нагрев осуществляют концентрированным тепловым источником с плотностью мощности 10³-10⁴Вт/см², силой тока 80-150 А и скоростью перемещения источника относительно изделия 0,005-0,01 м/с.There is a method of hardening the surface of products made of titanium alloys (RF patent 2427666, С23С 8/36. 12/21/2009), which is carried out by heating the surface of the product in a nitrogen atmosphere, while heating is carried out with a concentrated heat source with a power density of 10 ³ -10 ⁴ W / cm ² , current strength 80-150 A and the speed of movement of the source relative to the product is 0.005-0.01 m / s.

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

- трудоемкость процесса, связанная с установкой и выверкой изделия в приспособлении;- the complexity of the process associated with the installation and alignment of the product in the device;

- снижение эффективности диффузии азота, так как процесс проводят в среде азота, что приводит к образованию сплошной нитридной пленки на поверхности.- reduction in the efficiency of diffusion of nitrogen, since the process is carried out in a nitrogen atmosphere, which leads to the formation of a continuous nitride film on the surface.

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 p=2 10²Па, 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.Known is a method of low-temperature nitriding in a plasma arc nonself low pressure commercially pure titanium BT1-0 (RF Patent 2434075, 23.03.2010 S23S 8/24.), Which is carried out under the following regime: the vacuum chamber is evacuated to a pressure p = 2 February ¹⁰ Pa, then the working gas {Ar, N ₂ ) is fed through the cathode cavity. After that, a voltage of ~ 70 V to the discharge gap is applied. As a result, a low pressure diffusion arc is ignited with a heated cathode. As the plasma-forming mixture, a nitrogen-argon gas mixture is used. Nitriding is performed at a temperature of ~ 420 ° C.

- 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 the surface quality due to the fact that during the process in this type of discharge, cathode erosion products may hit the surface of the processed products;

- Неравномерное распределение плотности ионного тока.- Uneven distribution of ion current density.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов (патент РФ 2633867, С23С 8/36. 18.10.2017), который проводят при следующем режиме: вакуумная камера откачивается до давления р=10 Па, затем продувается камера рабочим газом при давлении ~1330 Па. После этого откачивается камера до давления 20-30 Па и подается на электроды напряжение и возбуждается тлеющий разряд. После 5-10 минутной обработки по режиму катодного распыления напряжение понижается до рабочего, а давление повышается до 150 Па. Азотирование проводят в плазме тлеющего разряда в вакуумной камере с использованием газовой смеси 15 мас. % азота и 85 мас. % аргона при температуре ~420-500°С.После обработки изделие охлаждается вместе с вакуумной камерой под вакуумом.The closest in technical essence and the achieved effect to the claimed method is the low-temperature ion nitriding of titanium alloys chamber working gas at a pressure of ~ 1330 Pa. After that, the chamber is pumped out to a pressure of 20–30 Pa and a voltage is applied to the electrodes and a glow discharge is excited. After 5-10 minutes of treatment according to the cathode sputtering mode, the voltage drops to the operating one, and the pressure rises to 150 Pa. Nitriding is carried out in a glow discharge plasma in a vacuum chamber using a gas mixture of 15 wt. % nitrogen and 85 wt. % argon at a temperature of ~ 420-500 ° C. After processing, the product is cooled together with a vacuum chamber under vacuum.

Недостатком прототипа является нарушение соотношения газовой смеси при длительном проведении процесса и увеличение концентрации вредных примесей, например остаточного кислорода, что замедляет диффузию азота в материал и приводит к увеличению длительности обработки.The disadvantage of the prototype is a violation of the ratio of the gas mixture during long-term process and an increase in the concentration of harmful impurities, such as residual oxygen, which slows down the diffusion of nitrogen into the material and leads to an increase in processing time.

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

Техническим результатом является повышение эффективности процесса низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов.The technical result is to increase the efficiency of the process of low-temperature ion nitriding of titanium alloys.

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, 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 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 problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the method of low-temperature ion nitriding products from titanium alloys, which include supplying a vacuum gas with the above-mentioned products to a plasma-forming gas mixture containing nitrogen and argon, unlike the prototype, nitration is carried out -450 ° C with constant pumping, at which argon is pumped out of the vacuum chamber and at the same time a gas mixture is fed into it to maintain a pressure of 300 Pa in it, while as the said gas see Thou serves a gas mixture containing 20 wt. % nitrogen and 80 wt. % argon.

В вакуумной камере в процессе ионного азотирования присутствует остаточный кислород, что является вредной примесью в связи с тем, что при нагреве происходит активное образование оксидной пленки на поверхности титанового сплава. Это связано с тем, что скорость взаимодействия титана с кислородом в 50 раз выше, чем с азотом [Фоминых В.П., Яковлев А.П. Ручная дуговая сварка. М.: Высш. шк., 1986. С. 192-193]. Образовавшаяся оксидная пленка замедляет диффузию азота вглубь титанового сплава, что ведет к увеличению длительности обработки, либо приводит к необходимости повышать напряжение или увеличивать концентрацию аргона в газовой смеси, для того чтобы тяжелые атомы аргона распыляли оксидную пленку, оба этих фактора ведут к повышению температуры процесса. Поэтому проведение процесса ионного азотирования с постоянной прокачкой газовой смеси позволяет снизить температуру диффузионного насыщения азотом поверхности титановых сплавов. Суть постоянной прокачки заключается в том, что во время всего процесса происходит откачка насосом, параллельно этому при помощи регулятора расхода газа подается в вакуумную камеру газовая смесь в таком соотношении, чтобы поддерживать постоянное рабочее давление. Постоянная прокачка газовой смеси позволяет:Residual oxygen is present in the vacuum chamber during ion nitriding, which is a harmful impurity due to the fact that an active formation of an oxide film on the surface of the titanium alloy occurs during heating. This is due to the fact that the rate of interaction of titanium with oxygen is 50 times higher than with nitrogen [Fominykh V.P., Yakovlev A.P. Manual arc welding. M .: Higher. shk., 1986. p. 192-193]. The resulting oxide film slows down the diffusion of nitrogen into the titanium alloy, which leads to an increase in processing time, or results in the need to increase the voltage or increase the argon concentration in the gas mixture, so that the heavy argon atoms spray the oxide film, both of these factors increase the process temperature. Therefore, carrying out the process of ionic nitriding with constant pumping of the gas mixture allows to reduce the temperature of diffusion saturation of the surface of titanium alloys with nitrogen. The essence of the constant pumping is that during the whole process the pump is pumped out, in parallel with the gas flow regulator, the gas mixture is supplied to the vacuum chamber in such a ratio to maintain a constant working pressure. Continuous pumping of the gas mixture allows you to:

- поддерживать постоянство соотношения газовой смеси;- to maintain the constancy of the ratio of the gas mixture;

- производить удаление остаточного кислорода из вакуумной камеры во время всего процесса ионного азотирования.- remove residual oxygen from the vacuum chamber during the entire process of ion nitriding.

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 the implementation of the method of low-temperature ion nitriding of titanium alloys. FIG. 2 shows a graph of the change in microhardness over 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, обрабатываемая деталь (катод) 2, вакуумная камера 4. 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 5-7-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 300 Па. В качестве рабочего газа используется газовая смесь азота, аргона (N₂ 20% + Ar 80%). Азотирование в тлеющем разряде производят при p=300 Па, I=0,13 А, U=410 В в течение 1 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 (Т=450°С, p=300 Па, длительность - 1 ч, газовая смесь: N₂ 20% + Ar 80%), отличием было то, что в первом случае азотирование проводили с заменой газовой смеси каждые 20 минут, а во втором осуществляли постоянную прокачку газовой смеси. Как видно из фиг. 2 кривая, описывающая результаты без прокачки газовой смеси, пересекает штриховую горизонтальную линию, показывающую исходную микротвердость, в точке со значением 23 мкм, а с постоянной прокачкой в точке 34 мкм, следовательно, толщина упрочненного слоя выше с постоянной прокачкой газовой смеси.The method is carried out using an installation containing: power supply 1, electrode-anode 2, the workpiece (cathode) 2, vacuum chamber 4. In the vacuum chamber 4 (Fig. 1), the part is connected to the negative electrode (cathode) 2, sealed vacuum chamber 4 and pumped air to a pressure of 10 PA. After evacuating the air, the chamber is flushed with argon for 2-5 minutes at a pressure of ~ 1330 Pa, then the vacuum chamber 4 is pumped out to a pressure of 20-30 Pa, the potential difference 1 is applied to the electrodes anode 2 and cathode (part) 3 by means of a power source 1 and ignited glow discharge. At a voltage of 800-900 V, cathode sputtering is performed. After 5-7-minute treatment according to the cathode sputtering mode, the voltage is lowered to the operating state, the foreline pump is turned on and argon is pumped out of the vacuum chamber, then without shutting off the pumping, the working gas is injected. The process of ionic nitriding is carried out with constant pumping, i.e. foreline pump works during the whole process. At the same time include a gas flow regulator, which supplies the working gas in the vacuum chamber 4 in the required ratio to maintain a pressure of 300 Pa. A gas mixture of nitrogen and argon is used as the working gas (N ₂ 20% + Ar 80%). Nitriding in a glow discharge is carried out at p = 300 Pa, I = 0.13 A, U = 410 V for 1 h and a temperature of 450 ° C. After processing, the product is cooled with a vacuum chamber 4 under vacuum. FIG. 2 shows a graph of the change in microhardness over the depth of the nitrided layer after ion nitriding in a glow discharge. Two samples were proazozirovanny under the same modes (T = 450 ° C, p = 300 Pa, duration - 1 hour, gas mixture: N ₂ 20% + Ar 80%), the difference was that in the first case, nitriding was performed with the replacement of gas the mixture every 20 minutes, and in the second carried out a continuous pumping of the gas mixture. As can be seen from FIG. 2, the curve describing the results without pumping the gas mixture crosses the dashed horizontal line showing the initial microhardness at a point with a value of 23 μm, and with constant pumping at a point of 34 μm, therefore, the thickness of the hardened layer is higher with constant pumping of the gas mixture.

Предлагаемый способ низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов позволяет ускорить процесс диффузии азота в материал, тем самым понизить температуру процесса обработки.The proposed method of low-temperature ion nitriding of titanium alloys allows to accelerate the process of diffusion of nitrogen into the material, thereby lowering the temperature of the process.

Claims

The method of low-temperature ion nitriding of products from titanium alloys, including feeding a plasma gas mixture containing nitrogen and argon into a vacuum chamber with the above-mentioned products, characterized in that nitriding is carried out in a glow discharge at a temperature of 400-450 ° C with constant pumping, at which argon is pumped out From the vacuum chamber and at the same time, the said gas mixture is fed into it to maintain a pressure of 300 Pa in it, while a gas mixture containing 20 wt. % nitrogen and 80 wt. % argon.