Способ обработки изделий

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК в,.Ц 23 С ИЯ 1БРЕ ПИСА ом злью ыва- дят ое объединение Ю.Н. Блощицын, хнов и М.М. Мироа,3 БОТКИ ИЗДЕЛИЙ, итана и титановых ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(54)(57) СПОСОБ ОБРАпреимущественно из т Изобретение относится к металлургии, в частности к способу обработки поверхности изделий из титановых сплавов, и может быть использовано в авиационной, медико- инструментальной и других отраслях промышленности.Цель изобретения - повышение иэносостойкости обрабатываемой поверхности.Согласно изобретению поверхность иэделий 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 10 б 857 А сплавов, включающий обработку пото неравновесной ниэкотемпературной и мы, отл и ч а ю щи й с я тем, что, с це повышения иэносостойкости обрабат емой поверхности, обработку произво азотной плазмой Со скоростью пот 550 - 700 м/с при температуре тяжелых стиц 850 - 1000 К, а электронного газа -30 10 К. ще 30000 К не приводит к увеличению иэносостойкости поверхности за счет разрушения 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.Вследствие неравновесности плазмы индукционного разряда (значительное превышение температуры электронного газа над температурой тяжелых частиц и в целом 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 ассоциациив 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 вместе 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.П р и м е р, Проводят обработку изделий из титанового сплава марки ВТ. Мощность, рассеиваемая в плаэмотроне, составляла 3,75 кВт при напряжении на плазматроне 2 кВ. Расстояние от плазматрона до обрабатываемой поверхности 50 мм, расход азота 1,8 10 кг/с, время обра ботки 600 с.Температура потока азотной плазмы составляла 1000 К, температура электронного газа 30000 К, скорость потока 700 мыс.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 6,7раз,Данные по обработке изделий извест 5 ным и предлагаемым способами приведенывтабл, 1 и 2.Температуру потока плазмы и поверхности обрабатываемых изделий определялихромель-алюмелевыми термопарами, тари 10 рованными по образцовому термометру, и всоответствии с табличными данными температуру электронного газа измеряли двойным электрическим зондом, скоростьпотока плазмы определяли трубкой Пито из15 кварца. В таблицах приведены режимыобработки и характеристики изделий из титана и титановых сплавов, обработанных поизвестному и предлагаемому Способам,Из анализа экспериментальных дан 20 ных, приведенных в таблицах, следует, чтоизносостойкость титановых иэделий, обработанных по предлагаемому способу, в 2,5 -2 раз выше, чем износостойкость титановыхизделий, обработанных по известному способу (прототипу). Одновременно с увеличением износостой кости и роисходитуменьшение шероховатости поверхностикак при обработке по известному, так и попредлагаемому способу. Значительное (в30 2,5 - 7 раз) увеличение износостойкости титановых иэделий происходит при обработкеих 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 104К, температуру поверхности изделий 8501000 К,Наиболее эффективно предлагаемый40 способ может быть использован в промышленности, выпускающей изделия, эксплуатирующиеся в жестких условиях й имеющихсложную конфигурацию, там, где требуетсяповышенная надежность иэделия, напри 45 мер в промышленности авиационных двигателей. Обработка поверхности полоктитановых лопаток компрессора турбореактивных двигателей позволит уменьшить ихизнос, что может улучшить эксплуатацион 50 ные характеристики двигателей, а.также ресурс их работы.Обработка поверхности титановыхсплавов по предлагаемому способу можетбыть с успехом использована в промышлен 55 ности медицинских инструментов для увеличения износостойкости и улучшенияфункциональных свойств особо ответственных, дорогостоящих, например, офтальмологических инструментов из титана.1067857 Ренины обработки титановых сплаеае и характеристики ограбо таиныхповерхностей Таблица 1 парка Идюсогтоикость после обрабзки Времяобрабоки, с егоховатость поверхности, нкн Скоростьпотокаплазн,н/с Тетература К П риродаплазмы Способобработки сплава послеобработ" поверх"ностисплава электрон" юго газа тяжелыхчастиц до обработки оююсиВ циктеньюнеобрабо" лах таиных иэделий Способ ппаэненной обработкиюеерхности 100 600 0,62 0,20 8950 1, 05 300 600 0,62 0,26 8695 1,02 500 Ьоо о,бг о,гь 0228 ВТ 6 400 600 400 600 еоо 10000 аргон 15000 20000 700 аделинпрототип) 10228 63900 52850 68 до 9888 1,2 7,5 6,2 6,0 0,32 0,25 0,22 0,62 600 600 800 850 9001000 ВТ800 850 , 900 1000 500 55 о 600 20000 0,62 0,62 0,62 23000 600 600 25000 0,24 700 720 30000 35000 0,62 0,62 600 1050 1050 о, 41 0,26 8008509001000 20000 ОТ-2 800 850 То же ПредлагаеМй 7,3 8,4 23000 25000 30000 35000 2000 0,22 9001000 6,2 Р,22 1,22 105080085 О9001000 1050 800 850 ЭОО 1000 1,31,ВТ"0 Предлагаемый То зн 0 62 0,62 0,62 0,62 23000 25000 30000 35000 1 О 3 г.26 1050 1050 дисков иэ титановых сплавов и ренины их упрочнения Износостойкость Табпицаг Износостойкость после о с д д Сю т хи) быль нассы нижнего диска, х 0 кг Ренин обработки ИоненттренияН и Ивркасплава Способ обра- ботки ПРирода плазмы тентература, Кетяжелых электрон- поверх-.частмц юго газа ностисплава400 10000 400 времяобработки, с скоростьпотокаплавны,н/с относитоль"ю необработанных изделий в циклах 00 600 118 58 8950 1, 05 58 8695 102 57 10228 1,2 ВТСпособ плаэнемюй обработки позе рхюсти нзделн прото" Аргон 1300 600 118 500 600 119 600 700 600 15 ооо 800 20000 ткп) 61 58 59 59 80085090010000228 63900 52850 68190 600 600 120 еоо гоооо850 23000 900 250001000 3000 ВТ500 550 600 Азот Предлагаемый )обработка изделий иэ титановых сплавовиизкотентера 121 7,5 6,2 600 117 118 8,0 600 700 ЬОО 600 600 турной плазмой) 6061 118 ОТ-2 7 го 500 550 600 1050еооЕ 5 Оеоо Предлагаенв 1050800850Эбд1000 То же 120 120 600 120 600 1000 119 118 121 600 600 05080085090010001050 1050ЕОО85090010001050 Предлагаена ВТ-0 То жв 600 600 600 600 122 121 116 116 Оредлагаещ азот нй (обработка иэделий изтитановыхсплавовниэкотенлературнойплазмой) 35000 20000 23000 25000 30000 35000 20000 23000 25000 30000 35000 500 600 550 600 600 600 700 600 720 600 500 600 550 600600 600 700 600 720 600 700 720 500 550 600 700 720 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,68 0 50 0,22 0,22 0,22 0,90 60 57 5 Е.60 60 61 61 57 59 992659882669055085910008462836503639037004522 9888 1,69926 1,259882 7,368905 8,450859 6;210008 1,224628. 1,3138150 936390 10,337100 0,54522 1,28 .