Способ обработки изделий

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э С 23 С 16/34

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ХМл.::

В

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1-..

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3470691/02 (22) 19.07.82 (46) 30.04.93. Бюл. М 16 (71) Научно-производственное объединение

"Мединструмент" (72) И.Ш, Абдуллин, Ю.Н. Блощицын, Г,Ю. Даутов, В.M. Матухнов и М.М. Миронов (54)(57) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ, преимущественно из титана и титановых

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу обработки поверхности изделий из титановых сплавов, и может быть использовано в авиационной, медикоинструментальной и других отраслях промышленности.

Цель изобретения — повышение иэносостойкости обрабатываемой поверхности.

Согласно изобретению поверхность иэ делий из титановых сплавов подвергалась воздействию азотной плазмы, полученной индукционным способом в высокочастотном водоохлаждаемом плазматроне в течение 60 — 3600 с. Диаметр, камеры плазматрона 24 мм, ее длина 300 мм. Внутренний диаметр трехвиткового индуктора

60 мм. Подача плазмообразующего газа в разрядную камеру аксиальная, Изменение параметров плазмы осуществлялось подбором режима работы плазматрона: мощности, рассеиваемой в плазматроне, расхода газа, его давления и расстояния от индуктора до поверхности изделия.

Увеличение температуры поверхности свыше 1000 К, тяжелых частиц плазмы свыше 1000 К и электронного газа плазмы свы... Ы,, 10б?857 Al сплавов, включающий обработку потоком неравновесной ниэкотемпературной плазмы, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения иэносостойкости обрабатываемой поверхности, обработку производят азотной плазмой Со скоростью потока

550 — 700 м/с при температуре тяжелых частиц 850 — 1000 К, а электронного газа 2,3-3,0 10 К. ше 30000 К не приводит к увеличению иэносостойкости поверхности за счет разруше- Я ния упрочненного слоя. Уменьшение температуры поверхности менее 850 К, тяжелых частиц плазмы менее 850 К, электронного газа плазмы менее 23000 К также . не приводит к увеличению износостойкости поверхности за счет недостаточных энерге) тических характеристик плазмы и невоз. можности синтеза на поверхности нитрида титана. С

Вследствие неравновесности плазмы ( индукционного разряда (значительное превышение температуры электронного газа СО над температурой тяжелых частиц и в целом .ц всей плазмы) поверхность, помещенная в плазменный поток, приобретает отрицательный потенциал, причем на микровыступах поверхности он достигает максимальной величины, На этих микровыступах происходит концентрация тока носителей положительного электрического заряда, т.е. концентрация тока ионов, которая здесь достигает максимальной плотности. Столкновение ионов с поверхностью приводит к их рекомбинации и ассоциации

1067857 в молекулы при значительном локальном выделении тепла в зоне рекомбинации (на микровыступах средняя термодинамическая температура обрабатываемой поверхности превышает при этом 1000 К). Под действием тепла микровыступы оплавляются, эаплавляются микротрещины, что ведет к уменьшению шероховатости поверхности, подвергаемой воздействию потока неравновесной плазмы. Одновременно происходит процесс образования на поверхности титановых изделий нитрида титана, который обладает очень высокой износостойкостью. Образование нитрида начинается в момент соударения ионов азота с атомами титана кристаллической решетки поверхности, Образованию валентных связей между атомами титана и ионами азота способствует значительное повышение температуры в месте рекомбинации иона. Однако повышение температуры ведет не только к ускорению синтеза нитрида, но и к ускорению его разложения. Препятствует процессу разложения нитрида титана на поверхности его резкое охлаждение за счет отвода тепла в материал изделия, имеющего температуру

850-1000 К. При таких температурах обеспечивается стабильность нитрида титана как химического соединения, и общее направление реакции сдвинуто в сторону синтеза нитрида титана. Поступление ионов и атомов азота в глубь материала происходит за счет их диффузии через поверхностный слой нитрида титана, что приводит к образованию на поверхности изделия слоя нитрида титана определенной толщины (5 — 20 мкм). Прирост толщины слоя нитрида титана замедляется со временем и не увеличивается с превышением времени обработки 3600 с. При времени обработки, меньшем чем 60 с, увеличения износостойкости поверхности не происходит за счет малой толщины синтезированной пленки нитрида.

Пример, Проводят обработку изделий из титанового сплава марки ВТ-6. Мощность, рассеиваемая в плаэмотроне, составляла 3,75 кВт при напряжении на плазматроне 2 кВ. Расстояние от плазматрона до обрабатываемой поверхности 50 мм, расходазота1,8 10 кг/с, времяобра-4 ботки 600 с.

Температура потока азотной плазмы составляла 1000 К, температура электронного газа 30000 К, скорость потока 700 м/с.

При этом после обработки шероховатость поверхности уменьшилась с 0,62 до

0,24 мкм, а износостойкость увеличилась по сравнению с необработанным изделием в 8 раз и по сравнению с изделием, обработанным по известному способу (прототипу) в 6,7 раз, Данные по обработке изделий известным и предлагаемым способами приведены в табл, 1 и 2.

Температуру потока плазмы и поверхности обрабатываемых изделий определяли хромель-алюмелевыми термопарами, тари10 рованными по образцовому термометру, и в соответствии с табличными данными температуру электронного газа измеряли двойным электрическим зондом, скорость потока плазмы определяли трубкой Пито из кварца. В таблицах приведены режимы обработки и характеристики изделий из титана и титановых сплавов, обработанных по известному и предлагаемому Способам, Из анализа экспериментальных дан20 ных, приведенных в таблицах, следует, что износостойкость титановых иэделий, обработанных по предлагаемому способу, в 2,5—

2 раз выше, чем износостойкость титановых изделий, обработанных по известному способу (прототипу). Одновременно с увеличением износостой кости и роисходит уменьшение шероховатости поверхности как при обработке по известному, так и по . предлагаемому способу. Значительное (в

30 2,5 — 7 раз) увеличение износостойкости титановых иэделий происходит при обработке их поверхности неравновесной азотсодержащей плазмой в течение 60 — 3600 с, имеющей скорость потока 550-700 м/с, 35 температуру тяжелых частиц 850-1000 К, температуру электронного газа 2,3-3,0 104

К, температуру поверхности изделий 8501000 К.

Наиболее эффективно предлагаемый

40 способ может быть использован в промышленности, выпускающей изделия, эксплуатирующиеся в жестких условиях и имеющих сложную конфигурацию, там, где требуется повышенная надежность иэделия, напри45 мер в промышленности авиационных двигателей. Обработка поверхности полок титановых лопаток компрессора турбореактивных двигателей позволит уменьшить их износ, что может улучшить эксплуатацион50 ные характеристики двигателей, а.также ресурс их работы.

Обработка поверхности титановых сплавов по предлагаемому способу может быть с успехом использована в промышлен55 ности медицинских инструментов для увеличения износостойкости и улучшения функциональных свойств особо ответственных, дорогостоящих, например, офтальмологических инструментов из титана.

1067857

Ренины обработки титановых сплавов и хзрактеристнкл обрабо генных поверхностей

Таб)ТИЦа1

1 парка

Износогтойкость после обрабз1ки

Время обрабо тки, с

10есохозатость поверхности, нкн

Скорость потока плазн, и/с

Температура, К

П рирода плазмы

Способ обработки сплава после обработповерхности сплава электронюго газа тяжелых частиц до обработки относиВ циктельно необрабо" лах таиных иэделий

Способ ппаэненной обработки поверхности

100 600 0,62 0,20 8950 1,05

300 600 0,62 0,26 8695 1,02

500 600 0,62 0,21ь 10228 1 2

ВТ 6

600

400 10000

600 15000

800 20000 аргон

700 изделий (прототип) 10228

68 l 9G

9888

l 2

7,5

6,2

8,0

0,32

0,25

0,22

0,62

600

1000

800 20000

850 23000

900 25000

1000 30000

1050 35000

ВТ-6

600

0,62

0,62

0,62

600

o,24

720

О,62

0,62

600

1050

0,41

0,26

1,21

1000

ОТ-4-2

То же

Предаагае° е1й

7.3

8,4

0,22

6,2

Р,22

1,22

gD0

1000

ВТ-1-0

Предлагаемый

То we

О ° 62

0,62

0,62

0,62

9,1

l0,3

l o 5

1,. 28

i 050

Износостойкость дисков иэ титановых сплавов и режиьы их упрочнения

Таблица 2

Износостойкость после обработки

Убыль нассы нижнего диска, х!0 кг

Ренин обработки

Нонент трения

Н и

Нарна сплава

Способ обработки

Природа плазмы тентература, К тяжелых электрон- поверх-. частмц ного газа ности сплава

400 10000 400 время обработки, с скорость потока плавны, н/с относитоль"" ю необработанных изделий з циклах

100 600

300 600

500 600

8950 l, 05

8695 1, 02

10228 1,2

58

58

l 18

118

ВТ-6

Способ плазменной обработки позе рхтеьсти изделий {протоАргон

700

600 15000

800 20000

119 тим) 61

58

59

1000

10228 1,2

6390о 7,5

52850 6,2

68lg0 8,0

600

120

800 20000

850 23000

900 25000

1000 3000

ST-6

600

Азот

Предлагаемый (обработка изделий иэ титановых сплавов иизкотентера121

600

117

118

600

700

6.0 О

600 турной плазмой) 60

I 18

ОТ-4-2

600

8ОО

800

Предлвrae

1000

То we

120

120

600

120

600

1000

119

118

121

600

lOOD

1050

BOO

1050

П реял агаенят

ВТ-1-0

То же

600

122

l21

118

118

Предлагае» азот

° вяз (обработка иэделий из титановых сплавов низкотен ературной плазмой) 800 20000

850 23000

900 25000

1000 30000

1050 35000

800 2000

850 23000

g00 25000

1000 30000

1050 35000

20000 ь

35000

500 600

550 600

600 600

700 600

720 600

500 600

550 600

600 600

700 600

720 600

720

0,62

0,62

0,62

0,62

0,62

0,62

0,68

0,50

0,22

0,22

0,22

0,90

57

58

61

61

57

9926

59882

50859

10008

4628

4522

9888 l,l6

9926 1,21

59882 7,3

68905 8,4

50859 6;2

10008 1,22

4628 1, 31

38150 9,1

36390 10 3

37100 lo,5

4522 1,28