Повышение износостойкости поверхности двухфазных титановых сплавов азотированием в тлеющем разряде с полым катодом Золотов Илья Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1. Анализ методов повышения износостойкости титановых сплавов на основе поверхностного структурно-фазового модифицирования 9

1.1 Анализ методов повышения износостойкости поверхности титановых сплавов9

1.2 Механизм взаимодействия титана и азота 11

1.3 Газовое азотирование титана и титановых сплавов 14

1.4 Особенности ионного азотирования титана и титановых сплавов 16

2. Объект, методы и методики исследований 38

2.1 Объект исследований, область применения исследуемых материалов 38

2.2 Описание модернизированной установки ЭЛУ-5 для ионного азотирования в тлеющем разряде 39

2.3 Методика измерения микротвердости 41

2.4 Методика металлографического исследования азотированного слоя 42

2.5 Методика фрактографического исследования 43

2.6 Метод рентгеноструктурного анализа 43

2.7 Методика рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии 44

2.8 Методика определения износостойкости обработанных образцов 45

2.9 Метод склерометрии 47

2.10 Метод зондовых измерений 47

3. Исследование параметров плазмы при ионном азотировании титановых сплавов в ТРПК 49

3.1 Обзор предложенных моделей с полым катодом 49

3.2 Компьютерное моделирование плазмы ТРПК 56

3.3 Результаты моделирования 58

3.4 Результаты зондовых измерений 62

4. Результаты исследований структурно-фазового состава и механических свойств поверхности титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 после ионного азотирования с в ТРПК 65

4.1 Влияние состава рабочего газа на микротвердость поверхности и толщину упрочненного слоя титанового сплава ВТ3-1 после ионного азотирования в ТРПК65

4.2 Исследование влияния азотирования в ТРПК на структуру и микротвердость поверхностного слоя сплавов ВТ6 и ВТ3-1 68

4.3 Исследование морфологии поверхности изломов образцов из титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-

4.4 Исследование влияния азотирования в ТРПК на фазовый состав поверхности титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 74

4.5 Исследование влияния азотирования в ТРПК на износостойкость титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 79

4.6 Исследование свойств поверхности образцов из титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1, азотированных в ТРПК, методом склерометрии 88

5. Разработка технологии модификации поверхности деталей из титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1 в ТРПК 92

5.1 Выбор технологических режимов азотирования в ТРПК 92

5.2 Технология азотирования в ТРПК детали «рычаг скважинного профилометра»95

Основные выводы и результаты 100

Список литературы

• Газовое азотирование титана и титановых сплавов
• Методика металлографического исследования азотированного слоя
• Компьютерное моделирование плазмы ТРПК
• Исследование влияния азотирования в ТРПК на структуру и микротвердость поверхностного слоя сплавов ВТ6 и ВТ3-1

Введение к работе

Актуальность тематики диссертационной работы. В настоящее время титановые сплавы имеют широкое применение во многих областях машиностроения, таких как авиационная и космическая промышленность, автомобилестроение. Важное место титановых сплавов среди конструкционных материалов обусловлено уникальным сочетанием их физико-механических и технологических свойств: относительно низкая плотность, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, жаропрочность. Однако их применение лимитировано рядом недостатков, связанных со свойствами поверхности титана и его сплавов. Низкая твердость и, как следствие, износостойкость поверхности, склонность к налипанию, большие коэффициенты трения в паре с подавляющим количеством материалов ограничивают применение титановых сплавов для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного трения и износа.

Анализ современной литературы показал, что легированием и термической обработкой не удается существенно повысить износостойкость титановых сплавов. Были предприняты попытки устранить этот недостаток с помощью химико-термической обработки. Наибольшие успехи были достигнуты при азотировании, и этот процесс, хотя и ограниченно, но применяется в промышленном масштабе.

Существенным недостатком процесса газового азотирования титановых сплавов является большая длительность обработки – до нескольких десятков часов, поэтому наиболее перспективным методом является ионное азотирование, которое позволяет наряду с большой скоростью насыщения получать целенаправленно контролируемую структуру поверхностного слоя при сохранении механических свойств основы материала с учетом условий эксплуатации изделий.

Известно, что при ионном азотировании титановых сплавов, как и при других методах азотирования, на их поверхности формируется нитридная пленка, отрицательно влияющая на эффективность процесса, так как скорость диффузии азота в нитриде титана во много раз меньше, чем в - и -фазах. Поэтому разработка эффективного способа удаления нитридной пленки в течение процесса является актуальной задачей. Ее решение позволит получить расширенные технологические возможности, более полно контролировать распределение свойств в поверхностных слоях титановых сплавов за счет управления параметрами технологического процесса.

Степень разработанности темы. Известен ряд работ (Арзамасов Б.Н., Панайоти Т.А., Братухин А.Г., Елисеев Ю.С., Соловьев Г.В., Вершинин Д.С., Ка-шаев Н., Ахмадеев Ю.Х., Коваль Н.Н. и др.), посвященных исследованию ионного азотирования титана и его сплавов. В этих работах наблюдается тенденция поиска способа интенсификации данного процесса, так как из-за большой длительности и малых толщин упрочненного слоя он мало используется на практике. Также известно, что применение тлеющего разряда с полым катодом для ионного азотирования сталей позволяет существенно повысить кинетическую эффективность процесса диффузионного насыщения. Однако данный относительно простой в реализации способ практически не рассматривался относительно азотирования титановых сплавов.

Цель работы: установление взаимосвязи структуры, фазового состава и механических свойств с износостойкостью поверхности двухфазных титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 при ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом (ТРПК).

В диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать особенности ТРПК вблизи обрабатываемой поверхности при ионном азотировании.

2. Исследовать влияние ионного азотирования в ТРПК на структуру и фазовый состав поверхностного слоя двухфазных титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1.

3. Исследовать влияние ионного азотирования в ТРПК на микротвердость поверхностного слоя двухфазных титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1.

4. Исследовать влияние ионного азотирования в ТРПК на износостойкость двухфазных титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1.

5. Разработать способы и технологический процесс ионного азотирования деталей из титановых сплавов в тлеющем разряде с полым катодом.

Научная новизна:

6. Разработан и исследован способ ионного азотирования титановых сплавов в тлеющем разряде с полым катодом (ТРПК), отличающийся тем, что азотирование проводят в вакуумной камере в газовой смеси 20% азота и 80% аргона при температуре 800С путем вакуумного нагрева в плазме ТРПК, причем плазму повышенной плотности с максимумом концентрации ионов 3,510¹⁶ м^-3 формируют в катодной полости, образованной поверхностями детали и технологического экрана с геометрической прозрачностью ~40%, изготовленного из титанового сплава.

7. Установлено, что азотирование в плазме ТРПК приводит к образованию на поверхности титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 нитридов титана различного стехиометрического состава и к увеличению количества -фазы. Светлый диффузионный слой образован - и -фазами, насыщенными азотом, что обеспечивает повышение микротвердости поверхности до 1100 HV_0,1 для сплава ВТ6 и до 970 HV_0,1 для сплава ВТ3-1.

8. Установлено, что азотирование в ТРПК титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1 при температуре 800С в течение 8 ч ведет к увеличению поверхностной микротвердости в 1,1-1,2 раза и образованию модифицированного слоя в 1,6-1,8 раза больше по сравнению с традиционным ионным азотированием за счет повышения градиента концентрации насыщающего элемента вблизи обрабатываемой поверхности и интенсивного распыления нитридной пленки.

9. Установлено, что азотирование титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1 в ТРПК в течение 8 часов в газовой смеси 20% азота и 80% аргона при температуре 800C позволяет повысить износостойкость в 1,2-1,4 раза по сравнению с ионным азотированием и в 8-9 раз по сравнению с исходным состоянием за счет формирования твердого модифицированного слоя.

Практическая ценность работы:

Распределение концентрации ионов и других параметров плазмы в катодной полости, кинетика роста упрочненного слоя на поверхности титановых сплавов

ВТ6, ВТ3-1 могут применяться при назначении режимов ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом (ТРПК).

Разработанные способы модификации поверхности титановых сплавов в ТРПК позволяют значительно интенсифицировать процесс роста упрочненного слоя при азотировании, а также значительно сократить себестоимость обработки вследствие уменьшения расхода насыщающих газов и энергозатрат.

В рамках диссертационной работы был разработан перспективный технологический процесс ионного азотирования детали «рычаг скважинного профиле-мера» в ТРПК, внедренный на предприятии ООО «НПО Геопром», показал экономическую эффективность и целесообразность применения, при этом износостойкость деталей повысилась в 2–3 раза.

Основные положения, выносимые на защиту:

10. Способ азотирования титановых сплавов в вакууме, отличающийся тем, что азотирование проводят в вакуумной камере в газовой смеси 20% азота и 80% аргона при температуре 750-800С путем вакуумного нагрева в плазме повышенной плотности тлеющего разряда с полым катодом (ТРПК), причем плазму повышенной плотности формируют между деталью и экраном, выполненным с отверстиями и изготовленным из титанового сплава.

11. Результаты исследования параметров плазмы ТРПК, образованным с помощью сетчатого экрана: распределения концентрации и средней энергии заряженных частиц, скорости ионизационных процессов, потенциала плазмы, полученные в результате компьютерного моделирования и зондовых измерений.

12. Совокупность экспериментальных данных о влиянии азотирования в ТРПК на структуру и фазовый состав поверхностного слоя титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1.

13. Зависимости изменения микротвердости и износа поверхностного слоя образцов из титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1, прошедших традиционное ионное азотирование и азотирование в ТРПК.

Достоверность результатов диссертации подтверждается применением современных методов исследования структуры и физико-механических свойств материалов, использованием современного высокоточного оборудования и стандартизованных методик, соответствием полученных результатов с данными других исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на региональных и всероссийских научно-технических конференциях «Интеграция науки, образования и высокотехнологичного производства как основной фактор инновационного развития» (г. Уфа, 2012-2014 гг.), «Вакуумная наука и техника» (г. Сочи, 2014 г.), «Физика низкотемпературной плазмы» (г. Казань, 2014 г.); международном конгрессе «Energy Fluxes and Radiation Effects» (г. Томск, 2014 г., 2016 г.); международной конференции «Gas Discharge Plasmas and Their Applications» (г. Томск, 2015 г.); международной конференции «Material and Manufacturing Technology» (о-в Бали, 2015 г.); международном научно-техническом семинаре «Моделирование производственных технологий» (г. Уфа, 2015 г.); международной научно-технической школе-семинаре «Материаловедение и металлофизика легких сплавов» (г. Екатеринбург, 2015 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 10 научных публикациях, из них 5 – статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 5 – статьи в изданиях, индексируемых в реферативной базе «Scopus»; также получено 3 патента РФ на изобретения.

Личный вклад автора заключается в участии в постановке цели и задач, планировании и проведении экспериментов, анализе полученных результатов, формулировании выводов, положений, научной новизны, а также в написании статей по теме диссертации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений, изложена на 115 страницах, содержит 59 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 101 наименований.

Газовое азотирование титана и титановых сплавов

Технология ионного азотирования широко применяется в современном машиностроительном производстве [1, 11]. Данный метод поверхностного упрочнения имеет ряд преимуществ перед печным азотированием: возможность управления структурой и составом упрочненного слоя, возможность проведения низкотемпературного насыщения, сокращение времени нагрева и охлаждения деталей, депассивация поверхности при обработке за счет ионного травления, сокращение расхода рабочих газов. Также ионное азотирование является более экологичным процессом и требует меньших энергетических затрат [20, 34, 88].

В связи с возможностью управления строением упрочненного слоя, возможно поступление на операцию ионного азотирования как деталей, имеющих окончательные размеры, так и деталей, имеющих припуск на дальнейшую механическую обработку, например, для удаления нитридного слоя [20].

Последовательность фазовых превращений в поверхностном слое титановых сплавов в процессе насыщения поверхности азотом определяется изотермой на диаграмме состояния Ti — N, соответствующей рабочей температуре процесса [70]. Вследствие формирования градиента концентрации азота в материале, после ионного азотирования титановых сплавов на их поверхности формируется модифицированный слой, который состоит двух зон: нитридной зоны и расположенной ниже диффузионной зоны.

Нитридная зона имеет золотистый цвет и высокую микротвердость (до 1000...2000 HV0,1), что свидетельствует о том, что он состоит преимущественно из -фазы (мононитрида титана TiN). Данная зона металлографически выявляется в виде светлого слоя толщиной до 10 мкм на поверхности сплава. Под внешним нитридным слоем находится более темная зона толщиной 1...3 мкм, представленная преимущественно -фазой (промежуточный нитрид титана Ti2-3N). Данная зона, образуется в процессе охлаждения из нитрида -фазы [20]. С повышением температуры азотирования относительная толщина нитридного слоя уменьшается, а подслоя Ti2-3N – увеличивается. По данным рентгеноструктурного анализа [19], после ионного азотирования при 900С интенсивность линий от кристаллографических плоскостей -фазы больше, а от плоскостей -фазы меньше, чем после обработки при 800 С. Это объясняется более интенсивным катодным распылением при повышенных рабочих температурах, а также , распадом мононитрида TiN при. По мере удаления от поверхности сплава концентрации азота в нем уменьшается, что приводит к плавному уменьшению твердости диффузионной зоны до значений, соответствующим твердости основы (рисунок 1.4). Поэтому по изменению микротвердости от поверхности вглубь образца оценивается толщина диффузионного слоя.

По форме -фазы структура (+)-сплавов может быть двух типов: пластинчатой или глабулярной. Пластинчатая структура титановых сплавов характеризуется наличием сравнительно крупных исходных -зерен расчленен пластины параллельны и имеют одинаковую кристаллографическую ориентировку. Пластины -фазы разделены прослойками -фазы, имеющими кристаллографическую ориентировку, общую в пределах всего исходного зерна. Такую пластинчатую структуру часто называют игольчатой перекристаллизованной или видмаштеттовой [19].

Распределение микротвердости (1) и относительный концентрации азота (2) по толщине диффузионной зоны после ионного азотирования титана [20] На рисунке 1.5 показана микроструктура нелегированного титана марки ВТ1-0 и сплава ВТ6 после ионного азотирования выше температуры полиморфного превращения.

Авторы [79] установили, что после азотирования титана и сплава ВТ6 температуре 800оС в поверхностном слое под тонким нитридным слоем ( 2 мкм) наблюдается зона большой толщины, микротвердость которой изменяется от 900…1000 HV0,05 до твердости основы. Резкой границы между азотированным слоем и основой не наблюдается. После ионного азотирования при 950-1000оС (выше температуры полиморфного превращения) под внешним нитридным слоем формируется плохо травящаяся зона с микротвердостью 1000…1200 HV, что соответствует твердому раствору азота в i (рисунок 1.5, а).

Микроструктура титана (а) и сплава ВТ6 (б) после ионного азотирования при 950oС (а) и 1000 oС (б) в течение 3 ч. при увеличении 312,5 [79] Толщина альфированной зоны увеличивается при повышении температуры и времени азотирования. Растворимость азота в i при температурах насыщения высокая и может достигать, согласно диаграмме состояния [70], более 20% ат. Это и является одной из причин значительного упрочнения за счет -фазы.

После азотирования при 950-1000оС наблюдается структурная граница между зоной -твердого раствора, не претерпевшего превращения (альфированной зоной) и зоной -твердого раствора, образовавшегося при охлаждении из -твердого раствора. Следовательно, фазовая граница, появляющаяся при высокой температуре диффузионного насыщения, фиксируется при нормальной температуре. Обусловлено это тем, что структура -фазы, образовавшейся в результате распада -фазы, и структура -фазы, не претерпевающей фазового превращения, различаются [19].

Под слоем -твердого раствора расположен материал основы, структура и твердость которого могут изменяться только в результате превращений при нагреве и охлаждении во время процесса. Так, мелкокристаллическую структуру, незначительно отличающуюся от исходной, сохраняет титан, азотированный при температуре ниже 900С. При температуре азотирования выше 900С наблюдается значительный рост кристаллов как диффузионной зоны, так и основного металла (рисунок 1.5).

При ионном азотировании титана и его сплавов при рабочих температурах ниже температурах полиморфного превращения концентрация азота в -фазе возрастает до тех пор, пока не достигнет предела его растворимости в этой фазе при данной температуре. При этом формируется нитридный слой с более высоким содержанием азота, поэтому концентрация азота при переходе от нитридной зоны к альфированному слою изменяется скачкообразно. В процессе азотирования при температурах выше полиморфного превращения -фаза насыщается азотом до предела растворимости в этой фазе при рабочей температуре; при дальнейшем насыщении азотом также формируется внешний нитридный слой. При охлаждении насыщенная азотом -фаза претерпевает обратное превращение в -твердый раствор.

В работах [35, 93] исследовано влияние структурно-фазового состава титановых сплавов и состава плазмообразующей смеси на особенности формирования модифицированных слоёв при низкотемпературном азотировании в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления.

Методика металлографического исследования азотированного слоя

Объектом исследований является технология ионного азотирования титановых сплавов ВТ6, ВТ3-1 в ТРПК. В частности, было исследовано влияние режимов ионного азотирования в ТРПК, таких как состав рабочего газа, время выдержки, на изменение микроструктуры, фазового состава, микротвердости поверхностного слоя титановых сплавов, а также исследовались характеристики тлеющего разряда.

В качестве материалов для исследования были выбраны титановые сплавы ВТ6 и ВТ3-1.

Титановый сплав ВТ-6 (ГОСТ 19807-91) относится к деформируемым +-сплавам. Данный материал относится к числу наиболее распространенных в машиностроении среди титановых сплавов, и имеет широкий спектр применения благодаря удачному сочетанию легирующих компонентов. Применяется для изготовления деталей мелко- и крупногабаритных штампосварных и сборных конструкций летательных аппаратов, работающих при температуре до 400…450С, также находит широкое применение в других отраслях промышленности, к примеру, в медицине для изготовления имплантируемых штифтов и других частей протезов, где вопрос о повышении износостойкости данного сплава также является весьма актуальным.

Титановый сплав ВТ3-1 (ГОСТ 26492-85) относится к высокопрочным +-сплавам. Данный сплав нашел широкое применение в авиационном машиностроении благодаря высокой удельной прочности и хорошим жаропрочным свойствам при умеренных температурах. Сплав ВТ3-1 хорошо деформируется в горячем состоянии, поэтому из него получают катаные, прессованные и кованые прутки, катаные и прессованные профили, различные поковки и штамповки, полосы, плиты, раскатные кольца, трубы. В авиастроении данный сплав применяется преимущественно для изготовления деталей авиационных двигателей, длительно работающих при температурах до 400С.

Химический состав титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 приведен в таблице 2.1. Модернизация установки включает в себя: - подключение к установке источника питания с постоянным напряжением до 2 кВ и силой тока до 15 А; - установку регулятора расхода газов, позволяющего производить подачу рабочих газов в вакуумную камеру в определенных соотношениях; - изготовление и установку анода для реализации обработки в тлеющем разряде; - изготовление и установку специальных вводов для исключения попадания вакуумной камеры под потенциал катода; - разработку, изготовление и установку специальных диэлектрических экранов, необходимых для изоляции вводов электродов в вакуумной камере и устранения зажигания разряда на ввод катода; - разработку и изготовление приспособлений, позволяющих размещать обрабатываемую деталь и специальный экран (сетку) на определенном расстоянии от детали; - подключение дистанционного пульта управления источником питания, обеспечивающего плавную регулировку и контроль параметров разряда; - установку и подключение инфракрасного пирометра «Термикс» для контроля температуры.

Схема экспериментов по азотированию образцов в тлеющем разряде с эффектом полого катода, представлена на рисунке 2.2.

Для определения микротвердости азотированных поверхностей применялся метод измерения по Виккерсу. При испытании алмазный наконечник в виде правильной четырехгранной пирамиды вдавливается в испытуемый участок образца под воздействием нагрузки Р (от 0,05 до 5,0 Н), приложенной в течении определенного периода времени. После удаления нагрузки измерялись диагонали d квадратного отпечатка, оставшегося на поверхности образца. Величина микротвердости HV определяется как отношение нагрузки Р к условной площади боковой поверхности полученного отпечатка по формуле: (аЛ 2-P-sin UJ f HV = (2.1) d где Р-нагрузка, Н; =136 - угол между противоположными гранями пирамиды при вершине; d - среднее арифметическое длин диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

Испытания проводились при нагрузке 0,98 Н (0,1 кг). При нанесении отпечатков необходимо следить, чтобы расстояние от края образца до первого отпечатка составляло бы не менее 1,5 диагоналей, а между двух отпечатков не менее двух диагоналей большего из них.

Измерения проводились на микротвердомере Struers Duramin-1 (рисунок 2.3). Эффективная толщина слоя определялась по кривой распределения твердости до значения твердости основы. Рисунок 2.3. Микротвердомер Struers Duramin – 1

При изготовлении микрошлифов возможно скалывание азотированного слоя, поэтому образцы заливались в эпоксидный клей. Для выявления структуры азотированного слоя титановых сплавов применялся раствор азотной и плавиковой кислоты. Фотографии микроструктур шлифов получали с помощью оптического микроскопа Olympus GX-51 (рисунок 2.4) при увеличении х50.

Для исследования свойств поверхностного слоя образцов, прошедших азотирование в ТРПК, были проведены фрактографические исследования. Образцы были подвергнуты механическому разрушению путем динамического изгиба при комнатной температуре. Морфология поверхности полученных изломов была исследована на растровом электронном микроскопе JEOL.

Используемый в настоящей работе метод рентгеноструктурного анализа позволил определить фазовый состав исследуемых материалов. Качественный фазовый анализ проводился рентгеноструктурным методом сравнения относительной интегральной интенсивности дифракционных линий и экспериментальных значений межплоскостных расстояний с эталонными межплоскостными расстояниями.

Рентгеноструктурные исследования проводились на дифрактометре общего назначения ДРОН–4–07 с фокусировкой гониометра по Бреггу–Брентано с неподвижной рентгеновской трубкой и вращающимся образцом, и счетчиком. А также на рентгеновском дифрактометре фирмы Shimadzu XRD–6000, который является компактным дифрактометром общего назначения с вертикальным гониометром. Весь контроль за работой оборудования, включая проведение измерения, осуществлялся с помощью компьютера.

Прецизионные дифрактометрические съемки проводили с шагом движения счетчика в 0,02 градуса для областей интенсивной рентгеновской дифракции и 0,1 градуса для областей фона. Время накопления импульсов в одной точке составляло соответственно 10 с и 5 с. Физические профили рентгеновских пиков получали путём выделения из экспериментальных профилей соответствующих инструментальных профилей с помощью гармонического анализа.

Компьютерное моделирование плазмы ТРПК

Для интенсификации процесса ионного азотирования титановых сплавов в данной работе предлагается использовать полый катод. Катодная полость образуется между поверхностью детали и экраном, устанавливаемым на небольшом расстоянии (5-7 мм) от нее. В результате вблизи обрабатываемой поверхности образуется область с плазмой повышенной плотности, то есть с увеличенной концентрацией ионов компонентов рабочей смеси – азота и аргона, что в свою очередь ведет к увеличенному градиенту насыщающего элемента и эффективному распылению образуемой в течение процесса нитридной пленки, которая затрудняет диффузию азота вглубь сплава.

Для выявления влияния состава рабочей смеси газов на свойства поверхности титановых сплавов ВТ3-1 и ВТ6, азотированных в разряде с полым катодом, была проведена серия экспериментов по азотированию образцов в атмосфере газов, содержащих различные объемные доли азота и аргона.

Образцы из титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 были подвергнуты азотированию в ТРПК при температуре 800С в течение 4 ч в рабочих смесях азота и аргона с различными процентными содержаниями. На рисунке 4.1 приведены микроструктуры поперечных шлифов образцов из титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1, полученных с помощью оптического микроскопа.

Фотографии микроструктур поперечных шлифов образцов из титанового сплава ВТ3-1, азотированных в ТРПК при температуре 800С в рабочих смесях газов с различным содержанием азота и аргона в течение 4 ч Анализ полученных фотографий микроструктур показал, что светлый слабо травящийся слой имеет большую толщину у образцов, азотированных в рабочей смеси с более высоким содержанием аргона. У образца, прошедшего азотирование в смеси, содержащей 80% Ar и 20% N2, толщина светлого слоя составляет около 70 мкм, он плавно переходит в микроструктуру основы, в то время как на образцах, азотированных в смесях с большей долей светлый слой представлен в виде пленки толщиной в несколько микрометров.

Полученные в результате анализа данные позволяют сделать вывод о том, что азотирование в ТРПК в рабочих смесях с небольшим содержанием азота приводят к образованию хорошо различимого светлого диффузионного слоя толщиной около 70 мкм, плавно переходящего в микроструктуру основы. Увеличение доли азота в рабочей смеси до значений 60-80% приводит к образованию на поверхности сплавов тонкой светлой нетравящейся пленки.

Для оценки толщины получаемого упрочненного слоя после азотирования в ТРПК в рабочих смесях с различными процентными содержаниями азота и аргона, были получены профили микротвердости по глубине слоя, полученные путем измерения микротвердости на поверхности поперечных шлифов. Полученные в результате измерений зависимости микротвердости от расстояния от поверхности образцов из титанового сплава ВТ3-1 приведены на рисунке 4.2.

Распределение микротвердости поверхностных слоев образцов из титанового сплава ВТ3-1, азотированных в ТРПК в рабочих смесях с различным процентным содержанием азота и аргона в течение 4 ч Анализ полученных распределений показал, что азотирование в ТРПК обоих сплавов в рабочей смеси с содержанием азота 20% позволяет получить наибольшие значения как поверхностной микротвердости, так и толщины упрочненного слоя. Толщина этого слоя после азотирования втечение 4 ч составляет 70-90 мкм, микротвердость плавно уменьшается до значений микротвердости основы, что является одним из основных требований, предъявляемых к азотированному слою.

Полученные экспериментальные данные и их анализ свидетельствуют о том, что азотирование в ТРПК сплавов ВТ6 и ВТ3-1 наиболее эффективно проходит в рабочих смесях с небольшими (15-20%) объемными долями азота. Азотирование в смесях с большим содержанием азота, несмотря на высокий градиент насыщающего элемента, менее эффективно, так как оно способствует образованию нитридной пленки, создающей барьер для диффузии азота вглубь материала. Большое содержание аргона в рабочей смеси ведет к интенсивному травлению нитридной пленки во время процесса и, как следствие, получению больших диффузионных слоев. К тому же, высокое содержание аргона в рабочей смеси позволяет проводить более интенсивный нагрев до рабочей температуры и проводить процесс при более низком напряжении горения разряда.

Для определения влияния азотирования в ТРПК на структуру и микротвердость поверхностного слоя титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1, образцы из этих сплавов были подвергнуты традиционному азотированию в тлеющем разряде и азотированию в ТРПК в течение 8 ч при температуре 800С. Фотографии микроструктуры поверхностного слоя азотированных образцов из титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 приведены на рисунках 4.3, 4.4. а б Анализ микроструктуры поверхностного слоя показывает наличие на поверхности всех образцов светлого слабо травящегося слоя, предположительно состоящего преимущественно из -фазы, так как азот является -стабилизатором титана. Для обоих сплавов азотирование в ТРПК в течение 8 ч позволяет добиться большей величины данного слоя приблизительно в 1,5-2 раза по сравнению с величиной слоя после традиционного азотирования в тлеющем разряде, при этом толщина этого слоя составляет 100 мкм.

С целью определения толщины упрочненного слоя были получены распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя азотированных образцов. Данные распределения для титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 приведены на рисунках Ошибка! Источник ссылки не найден., Ошибка! Источник ссылки не найден..

Как видно из представленных распределений, азотирование титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 в ТРПК в течение 8 ч позволяет получать упрочненные слои в 1,5-2 раза больше по сравнению с традиционным азотированием в тлеющем разряде при том же времени процесса. При этом переход от поверхностной микротвердости к микротвердости сердцевины у образцов, азотированных в ТРПК более плавный, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках азотированного слоя.

Исследование влияния азотирования в ТРПК на структуру и микротвердость поверхностного слоя сплавов ВТ6 и ВТ3-1

Основными технологическими режимами процесса азотирования в ТРПК, как и традиционного ионного азотирования, являются рабочая температура, давление и состав газовой смеси, напряжение горения разряда, а также время диффузионного насыщения.

Рабочая температура процесса выбирается с учетом точек полиморфного превращения обрабатываемого сплава, предыдущей термической обработки, а также геометрической конфигурации обрабатываемой детали. Температура процесса для сплавов ВТ6 и ВТ3-1 при обработке в ТРПК составляет 800С, однако стоит учитывать, что при азотировании тонкостенных деталей или деталей с ажурной геометрией высокая температура может привести к их короблению. В этом случае следует выбирать более низкую температуру обработки, что может привести к увеличению длительности процесса для достижения требуемого слоя.

Для удаления с поверхности материала нитридной пленки во время процесса азотирования, необходимо присутствие в рабочей смеси инертного газа – аргона. К тому же бомбардировка поверхности обрабатываемой детали ионами аргона приводит к более интенсивному ее нагреву до рабочей температуры. Результаты исследования влияния соотношения аргона и азота в рабочей смеси приведены в главе 4. Для обеспечения эффективных кинетических параметров диффузионного насыщения используем смесь 15% азота и 85% аргона.

Давление рабочей смеси задается таким образом, чтобы при заданном расстоянии между поверхностью детали и технологическим экраном в образуемой полости проявлялся эффект полого катода. Экспериментальные данные показывают, что при ширине катодной полости 5-7 мм эффект полого катода проявляется при давлении 60-90 Па. Уменьшение рабочего давления при азотировании в ТРПК снижает риск перехода в область дугового разряда и ведет к увеличению длины свободного пробега частиц.

Напряжение разряда горения разряда 450-500 В при выбранном давлении позволяет достичь рабочей температуры и поддерживать ее на протяжении всего времени процесса. Азотирование при больших напряжениях ведет к риску растравливания обрабатываемых поверхностей, что может повлиять на шероховатость поверхности и геометрические размеры детали, а также привести к скруглению острых граней.

Время процесса назначается в зависимости от необходимой толщины азотированного слоя. Для определения влияния времени выдержки при рабочей температуре на толщину азотированного слоя был проведен ряд экспериментов. Образцы из титановых сплавов ВТ6 были азотированы в ТРПК при различном времени выдержки: 2 ч, 4 ч, 6 ч, 8 ч, при одинаковых прочих технологических параметрах процесса: давлении рабочей смеси 9 Па, температуре 800С, напряжении 450 В. На рисунке 5.1 изображены фотографии микроструктур поперечных шлифов обработанных образцов.

В результате проведения экспериментов был построен график кинетики роста азотированного слоя, приведенный на рисунке 5.2. Рисунок 5.2. Кинетика роста азотированного слоя на поверхности титанового сплава ВТ6 при азотировании в ТРПК Как и при традиционном азотировании в тлеющем разряде, кинетика роста азотированного слоя при азотировании в ТРПК подчиняется обратному параболическому закону. До времени выдержки 540 мин азотированный слой растет почти линейно, при большем времени обработки скорость роста слоя значительно снижается, приблизительно до 5-10 мкм/час.

Результаты выше приведенных экспериментальных исследований имеют практическое значение и позволяют оценить время выдержки садки, необходимое для получения необходимой толщины азотированного слоя при обработке в ТРПК.

В рамках данной работы был разработан технологический процесс азотирования в ТРПК детали «рычаг скважинного профилемера» (рисунок 5.3) из титанового сплава ВТ6, изготавливаемой на ООО «НПО Геопром». Данная деталь контактирует с стенками нефтяной скважины, сканирует ее профиль, что фиксируется специальными датчиками. При эксплуатации в результате трения о стенки скважины она подвергается интенсивному локальному износу.

Состояние поверхности перед операцией ионного азотирования влияет на качество и толщину полученного слоя. Для ионного азотирования необходимы детали с чистой обезжиренной поверхностью, которые устанавливаются в оснастке (рисунок 5.4). В качестве обезжиривающих средств используется ацетон технический марок «Ч», «ХЧ», «ЧДА» ГОСТ 2603-79. После обезжиривания все операции с деталями выполняются в хлопчатобумажных перчатках. Оснастку так же следует очистить при наличии загрязнений.

Поскольку при азотировании в ТРПК возможно проводить локальную обработку, то не требуется дополнительного экранирования поверхностей. Рисунок 5.4. Детали «рычаг скважинного профилометра», собранные в оснастку

После загрузки деталей в вакуумную камеру, из нее откачивают воздух и продувают аргоном до 1330 Па 2-3 раза для удаления остаточного кислорода. Необходимо обеспечить доступ атомов азота к поверхности детали, для чего необходимо удалить пленку загрязнений, адсорбированные пленки, а также активировать поверхность. Для этого проводят ионную очистку в среде аргона в течение 15 мин, при напряжении 900-1000 В и давлении 10 Па. При этом температура поверхности деталей не должна превышать 350С.

После окончания ионной очистки в вакуумную камеру напускают рабочую смесь газов до давления 90 Па и проводят азотирование в ТРПК при напряжении 450-500 В в течение 8 часов при температуре 800С в смеси газов азота (15%) и аргона (85%).

Скорость нагрева до рабочей температуры и напряжение разряда, необходимое для ее поддержки, определяется общей площадью поверхности садки, а также ее массой.

По окончании времени азотирования питание разряда выключают и детали охлаждаются в вакууме до температуры не более 150С в течение 30-60 мин. Рабочая температура контролируется с помощью термопары и оптического пирометра, давление рабочей смеси – с помощью вакууметра с монометрическим преобразователем, напряжение разряда – с помощью вольтметра. Для обеспечения необходимого состава рабочей смеси используются регуляторы массового расхода газа.

Выводы Разработан технологический процесс азотирования в тлеющем разряде детали «рычаг скважинного профилемера», позволяющий сократить время обработки, расходы электроэнергии и газов рабочей смеси. По разработанному технологическому процессу обработана опытная партия деталей на предприятии ООО «НПО Геопром». Результаты производственных испытаний показали увеличение ресурса деталей в 2,5-3 раза.