Спосіб зміцнення титанових сплавів в газовому середовищі

 

Винахід відноситься до металургії, а саме до способів зміцнення металів азотування, і може бути використане при виготовленні деталей з титанових сплавів, що працюють при циклічних навантаженнях.

Відомий спосіб поверхневого зміцнення виробів з титану і титанових сплавів, що включає відпал в насичуючому атмосфері і подальше часткове видалення газонасищенного шару травленням, про розміром якого судять за оптимального значення перепаду мікротвердості травленной поверхні по відношенню до серцевини, що розраховується за формулою (опис до патенту RU 2205890, МПК7С22F 1/18, 2001/09/12).

Недоліками відомого способу є складність і висока трудомісткість використовуваного методу руйнівного контролю для виявлення змін мікротвердості оброблюваної поверхні при різній глибині травлення.

Відомий спосіб поверхневого зміцнення титану і титанових сплавів, що передбачає стадії високотемпературного азотування і подальше видалення травленням частини газонасищенного шару, що відповідає подвоєної величини глибини його зони h, володіє підвищеною крихкістю (опис до заявки №2006124054).

Недоліком способу є втрата до�ования хромонікелевих сплавів, легованих титаном, що передбачає послідовне проведення стадій термообробки з витримкою активної газової середовищі, що містить азот, протягом 15 годин і в нейтральній газовій середовищі аргону протягом 1,5-2,5 годин при температурі 1200°С (опис до патенту RU 2148675, МПК 7 С23С 8/24, С23F 17/00, 26.06.1998).

Відомий спосіб дозволяє підвищити жаростійкість і жароміцність.

Відомий спосіб зміцнення титанових сплавів в газовому середовищі, що включає високотемпературне азотування і відновлювальний відпал в аргоні (Мінкевич О.М. Хіміко-термічна обробка металів та сплавів. Москва, Машинобудування, 1965, с.334).

Завдання винаходу - зниження енерговитрат і підвищення циклічної витривалості і довговічності конструкцій з титанових сплавів.

Технічний результат - оптимізація режимів високотемпературного азотування для поверхневого зміцнення титанових сплавів.

Технічний результат досягається тим, що в способі зміцнення титанових сплавів в газовому середовищі, що включає високотемпературне азотування і відновлювальний відпал в аргоні, азотування проводять при температурі 700-750°С протягом 10-30 хвилин, а відновлювальний відпал при температурі, що перевищує темп" width="112" />

де Казот,р- емпіричні коефіцієнти, що враховують відповідно швидкість освіти і швидкість розчинення нитридного газонасищенного шару,

мкм2/з;

Еазот- енергія активації процесу, що контролює підвищення концентрації азоту в охрупченном азотування шарі, Дж/моль;

Ер- енергія активації процесу, що контролює зниження концентрації азоту в охрупченном азотування шарі, Дж/моль;

R - газова постійна, Дж/К·моль;

Тазот- температура азотування, К;

Тотж- температура відновлювального відпалу, К;

τазот- час азотування, с.

Сутність технічного рішення полягає в тому, що в процесі відновлювального відпалу в поверхневому шарі титану знижується концентрація азоту в результаті розвитку його дифузії в металеву основу. Експериментально встановлено, що при проведенні відновлювального відпалу протягом часу, вибраного з умови (1), відбувається перерозподіл і зниження концентрації азоту в поверхневих шарах до деякого оптимального значення, що забезпечує відновлення пластичності і, як наслідок цього, підвищення витривалості і боргів�турі Тазот≥700°С і температура проведення відновлювального відпалу Тотж≈Тазот+(100-150)°С є оптимальними для проведення хіміко-термічних процесів з мінімальними енерговитратами. При цьому значення обраного температурного режиму азотування є необхідною умовою для проведення азотування титанових сплавів в активній газовому середовищі азоту.

Значення обраного температурного режиму проведення відновлювального відпалу є необхідними умовами для можливості реалізації способу. Так, після азотування при 700°С протягом 0,5 години в разі відновлювального відпалу при Тотж<800°З його тривалість зростає на порядок. Це призводить до невиправданих додаткових енерговитрат. При Тотж>850°С тривалість відновлювального відпалу, навпаки, скорочується на порядок і більше, що призводить до неможливості контролю за процесом і реалізацією способу.

Приклад

Опробування способу здійснювали на зразках розміром 2×5×10 мм з листового сплаву ВТ6, які після полірування і знежирення азотований при температурі Тазот=700°С=973,15 До протягом τазот= 0,5 години = 30 хв = 1800 с в середовищі газової суміші а�лава використовували глибину охрупченного шару і величину мікротвердості поверхні, замеренную при навантаженні на індентор 0,2 Н.

В результаті азотування на поверхні зразків формувався охрупченний шар глибиною ≈ 1 мкм. Мікротвердість при цьому становила 9-10 ГПа.

Для вибраного режиму азотування сплаву ВТ6 експериментально (за методикою проведення експериментів для визначення чисельних значень констант швидкості та енергії активації процесів росту і розчинення оксидних плівок на поверхні титанових сплавів, наведеною в роботі Бондар О.В., Пєшков В.В., Кірєєв К.С., Шурупів В.В. Дифузійна зварювання титану та його сплавів. - Воронеж: Видавництво Воронезького Державного Університету, 1998 с.29-50) встановлені чисельні значення коефіцієнтів, що враховують відповідно швидкість освіти і швидкість розчинення нитридного газонасищенного шару, Казот=3,5·107мкм2/з і Кр=6,3·106мкм2/з, а також значення енергії активації процесу, що контролює підвищення концентрації азоту в охрупченном шарі, Еазот=203000 Дж/моль і енергії активації процесу, що контролює зниження концентрації азоту в охрупченном шарі, Ер=215000 Дж/моль.

Потім зразки відпалювали при температурі Тотж=800°С в середовищі аргону ввали по залежності (1):

При проведенні відновлювального відпалу при температурі Тотж=850°С час витримки згідно залежності (1) вибирається рівним відповідно τотж≅15 хв (882 с).

Вимірювання мікротвердості зразків після відновлювального відпалу показало, що вона становить (2,9-3,1) ГПа, тобто значно менше мікротвердості вихідної азотованої поверхні (9-10) Гпа, і порівнянна з мікротвердістю сплаву ВТ6 в стані поставки (2,95 ГПа).

Зразки випробовували на повторно-статичний розтяг, і результати випробувань показали, що кількість циклів N до руйнування порівняно зі зразками в стані поставки зросла на 12-17%.

Спосіб зміцнення титанових сплавів в газовому середовищі, що включає високотемпературне азотування і відновлювальний відпал в аргоні, відрізняється тим, що азотування проводять при температурі 700-750°С протягом 30-10 хв, а відновлювальний відпал при температурі, що перевищує температуру азотування на 100-150°С, протягом часу τотж, яку вибирають з умови:
,
де Казот,р- емпіричні коефіцієнти, що враховують відповідно швидкість освіти і швидкість розчинення нитридного газонасищен� азоту в охрупченном азотування шарі, Дж/моль;
Ер- енергія активації процесу, що контролює зниження концентрації азоту в охрупченном азотування шарі, Дж/моль;
R - газова постійна, Дж/Кмоль;
Тазот- температура азотування, К;
Тотж- температура відновлювального відпалу, К;
τазот- час азотування, с.



 

Схожі патенти:

Спосіб хіміко-термічної обробки сталей в порошкових сумішах

Винахід відноситься до галузі металургії, а саме до способів хіміко-термічної обробки сталей, і може бути використане в машинобудуванні для зміцнення сталевих дрібнорозмірних деталей та інструменту

Спосіб хіміко-термічної обробки деталей пар тертя сталей

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до хіміко-термічної обробки деталей з формуванням дифузійних та поверхневих шарів з підвищеною зносостійкістю та високою прирабативаемостью в умовах тертя металу об метал, і може бути використане в машинобудуванні

Спосіб термічної і хіміко-термічної обробки сталевих виробів у вакуумі

Винахід відноситься до галузі термічної і хіміко-термічної обробки і може бути використане в машинобудуванні та інших галузях промисловості для поверхневого зміцнення деталей машин ріжучого інструменту з конструкційних складнолегованих і інструментальних сталей, що працюють при високих контактних напругах і в умовах підвищеного зносу

Спосіб азотування виробів в тліючому розряді з ефектом порожнистого катода

Винахід відноситься до області хіміко-термічної обробки і може бути використане в машинобудуванні та інших галузях промисловості для високотемпературного азотування сталевих деталей машин
Винахід відноситься до хіміко-термічної обробки металів і сплавів і може бути використане для зміцнення поверхні робочих органів технологічного обладнання харчових виробництв транспортної та споживчої тари для пакування харчових продуктів

Спосіб виготовлення тонких, важкорозчинних покриттів (варіанти)

Винахід відноситься до способів виготовлення стабільних поверхневих покриттів за рахунок катодного розпилення, напилення, осадження з ванних або MOCVD і може знайти застосування при захисті та модифікації поверхонь, у тому числі з прихованими структурами, а також при нанесенні функціональних шарів, зокрема, в геліотехніці і техніці матеріалів

Спосіб обробки сталевих виробів

Винахід відноситься до металургії, а саме до хіміко-термічній обробці, і може бути використане для поверхневого зміцнення виробів і підвищення їх експлуатаційної стійкості

Спосіб комбінованого борирования вуглецевої сталі

Винахід відноситься до металургії, зокрема до хіміко-термічній обробці, і може бути використане в машинобудуванні для поверхневого зміцнення деталей машин, виготовлених з вуглецевої сталі

Спосіб зміцнення різального і формотворчого інструменту з теплостійких хромистих сталей

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до хіміко-термічної обробки деталей і інструментів, і може знайти застосування в машинобудуванні, інструментальної промисловості
Винахід відноситься до зварювання, а саме до дифузійного зварювання шаруватих конструкцій з титанових сплавів, переважно криволінійного профілю, і може бути використано, наприклад, при виготовленні теплообмінників силових енергетичних установок

Установка для каталітичного газового азотування сталей і сплавів

Винахід відноситься до пристроїв для хіміко-термічної обробки сталей і сплавів в газових середовищах з використанням автоматичного управління

Спосіб одержання багатошарового покриття

Винахід відноситься до способів виготовлення деталей з зміцненої робочою поверхнею, зокрема до способу одержання багатошарового покриття сталевої або чавунної поверхні

Спосіб плазмового азотування деталей

Винахід відноситься до області поверхневого зміцнення шляхом азотування деталей і може бути використане при виготовленні широкої номенклатури деталей та інструменту
Винахід відноситься до порошкової металургії та способів газової низькотемпературної хіміко-термічної обробки, зокрема до способів азотування металевих матеріалів на основі заліза

Спосіб хіміко-термічної обробки матеріалу на основі сплаву заліза, матеріал на основі сплаву заліза і деталь ступені заглибного відцентрового насоса

Винахід відноситься до порошкової металургії та способів газової низькотемпературної хіміко-термічної обробки, зокрема до способів азотування металевих матеріалів на основі заліза

Спосіб газового азотування виробів в киплячому шарі і установка для його реалізації

Винахід відноситься до технології та обладнання для газового азотування в киплячому шарі каталізатора для низькотемпературної і високотемпературної зміцнюючої обробки поверхонь сталей і сплавів

Спосіб термічної обробки високохромистой інструментальної сталі на вторинну твердість

Винахід відноситься до металургії, а саме термічній обробці високохромистих сталей при виготовленні інструментів та деталей машин
Винахід відноситься до металургії, зокрема до способів азотування, і може бути використане для одержання високоміцних і зносостійких покриттів на виробах з тугоплавких металів і їх сплавів
Up!