Спосіб поверхневого зміцнення деталей з титанових сплавів

41429 Предлагаемое изобретение относится к химико-термической обработке (ХТО), в частности, к упрочнению поверхностного слоя титановых деталей, подвергающихся работе на износ. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ поверхностного азотирования деталей из сплавов на основе титана, предусматривающий упрочнение в смеси инертного (аргон+гелий, до 85 об.%) и реактивного (азот, 25-75 об.%) газов. Локальный нагрев обрабатываемой поверхности осуществляется электродуговым разрядом между вольфрамовым катодом и деталью (анодом). Катод перемещается вдоль детали со скоростью 1,5-4,5 м/мин, ток дуги 40-90 А при напряжении 15-22 В. В итоге твердость обрабатываемой детали составляет HV200≥1000 при толщине азотированного слоя 2-15 мкм (Заявка 2661424F, МКИ С23С8/24. Способ поверхностного азотирования деталей из сплавов на основе титана / Dudier Albert (Франция); Pichiney Recherche (Франция). - № 9005839: Заявл. 27.09.90; Опубл. 31.10.91). Согласно известному способу азотирование проводится при атмосферном давлении. Так как в этом случае регулировать концентрацию ввода теплоты затруднительно, во избежание подплавления подложки, обработку рекомендуется проводить кратковременно (секунды). В результате эффект от газонасыщения невысок, толщина упрочненной зоны незначительна. Очевидно, что при этом наблюдается значительный градиент твердости по толщине. Это снижает эксплуатационные свойства упрочненного слоя, становясь причиной его механического разрушения (растрескивание, отколы и т.п.). В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа поверхностного упрочнения деталей из титановых сплавов путем управ-ляемого локального нагрева обрабатываемой поверхности и регулируемого подвода к ней газов-диффузантов из атмосферы, что позволит получить различные толщины альфированного слоя, твердость материала и ее изменение по глубине и, следовательно, повысить эффективность поверхностного упрочнения титановых деталей. Это достигается за счет того, что в способе поверхностного упрочнения деталей из титановых сплавов, при котором аргон подают в зону нагрева дугой, используют дугу косвенного действия, при высоте подъема электродов над деталями 12-16 мм и подаче аргона к электродам расходом 3-4 л/мин. За счет того, что нагрев осуществляется косвенной дугой, есть возможность регулировать тепловложение в обрабатываемую подложку, обеспечивая поддержание необходимого температурного режима (не допуская длительного нахождения металла выше точки полиморфного превращения и подплавления поверхности). Указанная схема нагрева устраняет основной недостаток атмосферных дуг малую их эластичность в управлении, строго ограниченный диапазон параметров, при которых дуговые разряды существуют. Вместе с тем, предлагаемая схема позволяет максимально использовать факт интенсификации диффузии за счет плазмы разряда. Подача аргона - схема и величина расходов - предусмотрена для защиты электродов и регулируемого доступа N2 и О2 воздуха в зону нагрева и формирования, за счет этого, альфированного упрочняемого слоя на поверхности изделий. В отличие от ранее известных решений специальной подачи диффузантов настоящей заявкой не предусмотрено. Высота подъема, электродов над деталями ограничивается значениями 12-16 мм. При высоте менее 12 мм становится затруднительным обеспечивать детальный нагрев обрабатываемой поверхности без опасности ее подплавления или перегрева (перехода в α+β или β-фазу). При высоте более 16 мм теплоперенос теряет свою эффективность, область нагрева расширяется, максимально достижимая температура в ней падает ниже 600-550°K. Учитывая, что аргон подается к электродам, превышение указанного значения высоты вызывает также лавинообразное увеличение присутствия О2 и N2 в пятне нагрева. Это происходит из-за нарушения частичной изоляции зоны нагрева струёй Ar, отходящей от электродов. В результате чрезвычайно быстро на поверхности изделий образуется тонкий слой, состоящий из TiN и TiО2. Данные химические соединения обладают низкой диффузионной подвижностью, препятствуя дальнейшему газонасыщению титановой подложки вглубь. Оптимальная подача аргона Q определяется диапазоном 3-4 л/мин. При Q4 л/мин защита зоны нагрева, наоборот, становится чрезмерной и препятствует заметному поступлению газов-диффузантов. В итоге заметного газонасыщения поверхностного слоя, изменения структуры и твердости не наблюдается. Пример конкретной реализации способа. Испытания проводились на экспериментальной установке, состоящей из штатива с закрепленным на нем вольфрамовым (dW =3 мм, катод) и угольным (dС=5 мм, анод) электродами, а также тележки для перемещения образцов. К вольфрамовому электроду, расположенному в горелке, от баллона подается аргон. Внешняя цепь питания дугового разряда включает сварочный выпрямитель типа ВКСМ-1000 и баластный реостат РБ-300. Использовались образцы из сплавов ВТ20 и АТЗ размерами 100х20х2,5 и 100х20х10 мм. Образцы полировали. Обработку производили многократным об-водом под разрядом всей поверхности образцов (скорость перемещения - 10-50 мм/с). Ток разряда составил 30-60 А при напряжении 56-62 В. Общее время альфирования 1,5-5 мин. Изменения в ходе испытания вносили, варьируя расходом аргона (2-7 л/мин) и высотой подъема электродов над образцами (8-25 мм). После поверхностного упрочнения приготовлялись шлифы образцов, которые затем подверга-ли химическому травлению и последующей подполировке. Производились замеры микротвердости на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 20 г (см. табл.). Металлографические исследования показали, что образцы, подвергнутые поверхностному упрочнению по предложенному способу, имеют высокие служебные свойства получаемых слоев. Микроструктура 41429 диффузной области образцов представлена альфированной и переходной зонами значительной протяженности (фиг. 1). Микротвердость материала плавно падает от 850-880 Мпа на расстоянии 0,01 мм от края образца до 320-350 МПА в глубине (фиг. 2, 1 - высота поднятия h=12 мм, расход аргона q=2,5 л/мин; 2 - h= 12 мм, q=4,0 л/мин; 3 - h=22 мм, q=4,6 л/мин). Упрочнение поверхности достаточно производительно. Учитывая, что обработку можно вести локально, используя стандартные источники питания сварочной дуги, предлагаемый способ упро-чнения титановых деталей является перспек-тивным. 41429 Таблица Толщина образца, мм 2,5 10 Высота поднят. электр., мм 8 11 11 12 12 12 12 14 16 17 22 8 11 11 12 14 16 16 16 16 17 Расход аргона, л/мин 3,2 3,2 4,5 2,9 3,0 4,0 4,1 3,2 3,0 4,0 4,6 3,2 2,8 4,5 3,0 3,5 2,9 3,0 4,0 4,1 4,0 Микротвердость, Протяж. Мпа (на расст. 0,01 диффуз. области, мм мм от края) 830 0,05 820 0,10 670 0,15 890 0,27 880 0,54 850 0,52 800 0,35 870 0,50 850 0,49 790 0,25 770 0,18 820 0,12 840 0,15 670 0,14 870 0,53 865 0,50 890 0,33 880 0,52 860 0,49 850 0,30 840 0,26 Примечания Значительная эрозия поверхности, очаги подплавления материал всех образцов - АТЗ Значительная эрозия поверхности материал всех образцов - ВТ20 Продолжение таблицы Толщина образца, мм Высота поднят. электр., мм 20 25 25 Расход аргона, л/мин 4,6 7,0 4,0 Протяж. Микротвердость, Мпа (на расст. 0,01 диффуз. мм от края) области, мм 810 0,19 650 0,15 770 0,12 Примечания Примечание: данные, представленные в таблице, относятся ко времени обработки 5 мин. 41429 Фиг. 1 41429 Фиг. 2