СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО АЗОТИРОВАНИЯ В ПЛАЗМЕ НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОГО ДУГОВОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВТ6 И ВТ16
PROCEDURE FOR LOW TEMPERATURE NITRIDING IN PLASMA OF NON-SELF-MAINTAINED ARC DISCHARGE OF LOW PRESSURE OF TITANIUM ALLOYS BT6 AND BT16

Изобретение относится к металлургической промышленности, а именно к химико-термической обработке поверхности изделий из титановых сплавов ВТ6 и ВТ16, и может быть использовано для повышения эксплуатационных характеристик медицинского инструмента.
Известен способ ионного азотирования в плазме дугового разряда титановых сплавов при температуре 500-600°с в смеси газов азот-аргон [1]. С помощью данного метода можно эффективно проводить процесс азотирования титановых сплавов ВТ6 и ВТ20. Указанный способ азотирования не позволяет проводить процесс для титановых сплавов в наноструктурном (НС) и/или субмикрокристаллическом (СМК) состояниях, так как при указанных температурах процесса в титановых сплавах в НС и СМК состоянии начнется процесс рекристаллизации. Еще одним недостатком ионного азотирования в плазме дугового разряда является тот факт, что при проведении процесса в данном типе разряда возможно попадание продуктов эрозии катода на поверхность обрабатываемых изделий.
-2
2
Наиболее близким по своим признакам, принятым за прототип, является способ низкотемпературного азотирования титана и его сплавов в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления [2]. Процесс азотирования титановых сплавов ВТ1-0 в состоянии поставки, ВТ6 в состоянии поставки, ВТ6 СМК, ВТ16 в состоянии поставки, ВТ16 СМК, ВТ16 закаленный проводился в следующем режиме: вакуумная камера откачивалась до давления р=2·10 Па, затем через катодную полость подавался рабочий газ (Ar, N). После этого подавалось напряжение ~70 В на разрядный промежуток. В результате чего происходило зажигание диффузионной дуги низкого давления с накаленным катодом. В качестве плазмообразующей смеси использовались смеси газов аргон-азот в процентном соотношении (5:95, 12,5:87,5, 25:75). Азотирование выполняли при температуре ~420°С в течение 1 часа. Но этот способ не может быть применен для азотирования титановых сплавов ВТ6 и ВТ16 в различных структурных состояниях в силу того, что используемая температура 420°С и состав газовой смеси при проведении процесса азотирования могут существенно снизить эффективность обработки. Это приведет к формированию тонких модифицированных слоев, которые не обеспечат достаточный уровень технологических характеристик, таких как твердость, износостойкость и коррозионная стойкость. Указанные режимы азотирования титановых сплавов проводятся в течение 1 часа, увеличение длительности процесса может привести к началу рекристаллизации ВТ6 и ВТ16 в СМК и НС состояниях.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационных характеристик изделий из титановых сплавов ВТ6 и ВТ16 в различных структурных состояниях, а именно в крупнозернистом, СМК и НС.
Поставленная задача решается тем, что использован способ низкотемпературного азотирования в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления титановых сплавов ВТ6 и ВТ16 в различных структурных состояниях, включающий азотирование титановых сплавов ВТ6 и ВТ16 в крупнозернистом, субмикрокристаллическом и наноструктурном состояниях, используя в качестве плазмообразующей смеси азот-аргон, причем азотирование выполняется при температуре 450°С и используется ионная и электронная компонента плазмы. Время азотирования и количество аргона в плазмообразующей смеси зависит от требуемой толщины и структурно-фазового состава модифицированного слоя.
Предлагаемый способ низкотемпературного азотирования в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления титановых сплавов ВТ6 и ВТ16 позволяет улучшить качество и свойства поверхности изделий из них, при этом сохранить структуру в объеме материала, предварительно сформированную с помощью методов интенсивной пластической деформации. Также стоит отметить, что предлагаемый способ позволяет варьировать время азотирования в зависимости от требуемой толщины модифицированных слоев. Такой результат был получен за счет проведения процесса при температуре 450°С в газовой среде азот-аргон с процентным содержанием аргона от 5 до 95% и использовании элионного режима.
Проведение процесса азотирования по прототипу при температуре 420°С в плазмообразующей среде газовой смеси азот-аргон с содержанием аргона от 5 до 25% приведет к снижению скорости диффузии азота в материал. Температура 450°С является наиболее приемлемой, так как, с одной стороны, не происходит рекристаллизация, а с другой стороны, скорость диффузии азота будет выше чем при 420°С. Соответственно характеристики модифицированных слоев будут лучше, при этом предварительно сформированная структура в объеме материала НС или СМК состояния сохранятся.
На фиг.1 изображена схема экспериментов по низкотемпературному азотированию в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления: 1 - плазмогенераторы ПИНК; 2 - вакуумная камера; 3 - технологическая оснастка; 4 - образцы; В/Н - источник отрицательного напряжения смещения; ИП-1 и ИП-2 - источники питания плазмогенераторов; ИП-Э - источник питания электронного режима. На фиг.2 изображена морфология поверхности ВТ6 в крупнозернистом состоянии после азотирования.
-5
-3
Азотирование выполняли на ионно-плазменной установке типа ННВ-6.6-И1 (фиг.1). На дверце и верхней стенке вакуумной камеры 2, размерами 600×600×600 мм, располагаются газоразрядные плазмогенераторы ПИНК 1 на основе несамостоятельного дугового разряда низкого давления. Откачка вакуумного объема осуществлялась диффузионным паромасляным насосом Н - 250. Вакуумная камера откачивалась до предельного остаточного давления 3÷5×10 Торр (0.4÷0.65×10 Па). Азотирование осуществлялось в элионном режиме работы установки. Принцип работы схемы элионного азотирования заключается в следующем - в зависимости от режима работы нагрев и поддержание температуры образцов осуществляется электронной и ионной компонентой плазмы. В ионном режиме (фиг.1) стенки вакуумной камеры 2 являются анодом, а на расположенный в центре камеры манипулятор с оснасткой 3 подается от отдельного источника питания (В/Н) отрицательное напряжение смещения, осуществляя, таким образом, очистку, нагрев и проведение процесса азотирования образцов 4 за счет ионной компоненты плазмы. В электронном режиме анодом является манипулятор с оснасткой 3, в этом случае нагрев осуществляется электронной компонентой плазмы, питание разряда происходит от отдельного источника (ИП-Э).
2
Пример 1. В качестве материала исследования был выбран титановый сплав ВТ6 в крупнозернистом состоянии, с размером зерна 7-9 мкм. Процесс проводили при температуре 450°С в смеси газов азот-аргон с процентным соотношением 60% N - 40% Ar. Время азотирования составляло 40 минут. В результате обработки титанового сплава ВТ6 в крупнозернистом состоянии по данному режиму низкотемпературного азотирования в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления удалось повысить поверхностную микротвердость на 95%, при этом на поверхности формируются частицы нитрида титана глобулярной формы размерами от 20 до 100 нм, что также способствует повышению микротвердости поверхности (фиг.2).
2
Пример 2. В качестве материала исследования был выбран титановый сплав ВТ16 в СМК состоянии. Проведения процесса азотирования в течение 60 минут в смеси азот-аргон с процентным соотношением 75% N - 25% Ar позволило повысить поверхностную микротвердость на 72%.
Таким образом, предлагаемый способ низкотемпературного азотирования в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления позволяет проводить процесс для титановых сплавов ВТ6 и ВТ16 как в крупнозернистом состоянии, так и в НС и/или СМК состояниях.
Список литературы
1. А.А.Ильин, С.В.Скворцова, Е.А.Лукина, В.Н.Карпов, О.А.Поляков. Низкотемпературное ионное азотирование имплантатов их титанового сплава ВТ20 в различных структурных состояниях // Металлы, №2, 2005, с.38-44.
2. Д.С.Вершинин, Т.Н.Вершинина, Ю.Р.Колобов, М.Ю.Смолякова, О.А.Дручинина. Низкотемпературное азотирование титана и его сплавов в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления // Сб. трудов 8-ой Международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом», Минск, Беларусь, 23-25 сентября, 2009, стр.160-162.