Способ оксидирования деталей и покрытий из никелида титана

(51) С 221 1118 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОИ СОБСТВЕННОСТИ(54) СПОСОБ ОКСИДИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И ПОКРЫТИЙ ИЗ НИКЕЛИДА ТИТАНА(71) Заявитель Панчишных Ярослав Александрович Новополоцкий научноисследовательский инженерно-производственный кооператив НИИПК(72) Автор Панчишных Ярослав Александрович (ВУ)Александрович Новополоцкий научноисследовательский инженерно-производственный кооператив НИИПК (ВУ)(57) СПОСОО оксидирования деталей И ПОКРЫТИЙ ИЗ никелида титана, включающий нагревна воздухе и выдержку, отличающийся тем, что нагрев осуществляют лазерным излучением до температуры 1100-1250 С и выдерживают 0,5-2 с.Изобретение относится к химико-термической обработке металлических материалов,в частности деталей и покрытий на основе никелида титана, и может быть использовано в машиностроении при изготовлении и восстановительном ремонте деталей, работающих на трении типа вала, втулка подшипника.Известен способ химико-термической обработки титановых сплавов, заключающийся в диффузионном насыщении кислородом при 800-950 С в вакууме при остаточном давлении 3-102 - 3-103 мм.рт.ст. 1.Недостатками этого способа являются необходимость объемного обеспечения вь 1 сокой температурой процесса окисления титана, обеспечение чистоты процесса за счет вакуума, его длительность при этом для изделий из никелида титана износостойкость не повышается.Известен способ термического оксидирования на воздухе при температуре 725-825 С и выдержках от 5 до 1 ч 2.Недостатком этого способа является недостаточное повышение износостойкости, низкая прочность, образующегося оксидного слоя из-за его отслаивания и скалывания, большая длительность процесса. Обработанные по этому способу образцы из никелида титана практически не повышают износостойкость.Известен также способ обработки титановых изделий, включающий нагрев в воздушной среде при температуре 400-1000 С в течение 3-8 ч 3.Однако известный способ не обеспечивает получение износостойкого слоя для деталей, работающих на трении. При нагреве в интервале 700-1000 С образующийся окисныйслой не имеет прочной связи с основой И скалывается, при нагреве от 500 до 700 С в течение 3-8 Ч образующаяся окисная пленка очень тонкая И не способна предохранить трущуюся поверхность от задирания. Процесс образования окисного слоя имеет большую длительность.Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ оксидирования изделий из никелида титана, включающий нагрев в атмосфере воздуха при температуре от 500 С до температуры на 10-20 С ниже фазового перехода Т 11 Н 11 Т 11 Н 1 с выдержкой 15-30 часов, при этом образуется тонкий износостойкий слой 4.Однако известный способ имеет следующие недостатки. При нагреве от 500 С до 650 С образующийся износостойкий окисный слой имеет небольшую толщину, что не дает возможности длительной его эксплуатации, на поверхности имеются отслоения окисного слоя и образование при трении микрозадир, резко снижающих время эксплуатации изделий. При нагреве выше 650 С происходит увеличение толщины окисного слоя, но при этом он не имеет прочной связи с основой и скалывается. Процесс образования окисного слоя имеет большую длительность, что не позволяет эффективно использовать его для образования износостойких слоев.Целью предложенного способа является повышение износостойкости изделий и покрытий из никелида титана и сокращение длительности процесса оксидирования.Поставленная цель достигается тем, что в способе оксидирования изделий из никелида титана, включающий нагрев на воздухе и выдержку, нагрев осуществляют лазерным излучением до температуры 1100-1250 С и выдерживают 0,5-2 с. Окисная пленка, образующаяся при температуре на 50-70 С выше температуры распада никелида титана,выдержкой в течение 0,5-2 с имеет хорошие защитные свойства и высокую прочность сцепления с основой. Нагрев поверхности образцов в атмосфере воздуха можно производить по всему объему, либо локально.Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что для создания износостойкого окисного слоя, уменьшения времени его образования, процесс оксидирования и выдержка производится в атмосфере воздуха лазерным излучением до температуры 1100-1250 С и выдержкой в течение 0,5-2 с. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения новизна.Известны технические решения 1, 2, где для увеличения толщины окисного слоя используют повышенную температуру процесса (725-950 С) с выдержкой от 5 до 1 ч, но при этом не получается износостойкого окисного слоя с высокой прочностью сцепления с основой и не снижается длительность процесса. Заявляемое техническое решение позволяет с высокой скоростью получать износостойкий окисный слой, обладающий высокой прочностью сцепления с основой. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию существенные отличия. Опытная проверка предлагаемого способа оксидирования изделий и покрытий из никелида титана произведена следующим образом.Образцы - ролики диаметром 40 мм и высотой 10 мм из никелида титана и из стали 20 с покрытием толщиной 0,4 мм из никелида титана после обезжиривания подвергают нагреву при температурах 1000 С, 1100 С, 1200 С, 1250 С, 1300 С, в течение 0,2-3 секунд лазерным излучением с использованием установки непрерывного действия ЛГН-702 мощностью 800 Вт.Производится сплошная химико-термическая обработка поверхностей трения. При времени воздействия луча, равном 0,2-3,0 с. Обработанные ролики испытывают на трение скольжения со смазкой И-12 А ГОСТ 20 799-88 в паре со стальными вкладышами из стали ШХ 15 твердостью НКС - 60-62 на машине МИ-1 М. Шероховатость образцов после механической обработки соответствует 8 классу по ГОСТ 2789-73.Нагружение на пару вращающийся ролик - неподвижный вкладыш через каждые 2000 оборотов осуществляют ступенчато 8 раз, начиная с 10 кгс/см 2 до 100 кгс/см 2. Если задиране происходит, то при 100 кгс/см 2 Испытание продолжают до 70000 оборотов ролика. Скорость скольжения ролика 0,4 м/с. Площадь качания образцов 200 мм 2.Результаты испытаний приведены в таблице. Из данных таблицы следует, ЧТО износ роликов из никелида титана и остальных роликов с покрытием из никелида титана практически одинаков и составляет 0,0006 г, либо вообще отсутствовал при химико-термической обработке деталей и покрытий из никелида титана в атмосфере воздуха в интервале от 1100 С до температуры 1250 С и выдержкой в течение 0,5-2 с.Результаты испытаний образцов и покрытий из никелида титанания Коэффи- Износ, г Темпера- Время циент Примечание тура, С выдерж- трения роли- вклаки, с ка дыша Без оксидирования 10 0,40-0,60 0,7500 0,020 глубокие следы износа 1000 0,2-3,0 10 0,10-0,40 50000 0,5500 0,018 дорожка износа 1100 0,5-2,0 40 0,08-0,01 0,0040 0,009 состояниеповерхности хорошее без видимого износа0,0009 0,004 состояние поверхности хорошее без видимого износа1250 0,5-2,0 100 0,05-0,09 70000 0,0008 0,003 состояние поверхности хорошее без видимого износа 1300 0,5-2,0 50 01-0,16 50000 0,040 0,020 дорожки износа,отслаиваниеПосле обработки образцов в интервале температур от 1000 С до 1100 С без распада никелида титана независимо от времени выдержки износ образцов возрастает, что связано с наличием на поверхности образцов рыхлого окисного слоя, непрочно связанного с основой, отслаивающегося при трении и повреждающего поверхности трения. При этом плазменный факел вблизи поверхности оксидирования был нестабильным, практически отсутствовало образование жидкой фазы, а следовательно, образование физического контакта,активация контактных поверхностей и объемное взаимодействие было недостаточным для образования качественной износостойкой поверхности.Выдерживание изделий и покрытий из никелида титана в атмосфере воздуха в интервале температур оксидирования от 1100 С до температуры 1250 С более 2 с практически не приводит к повышению толщины окисного слоя, т.к. при этом уменьшается количество кислорода, достигающего поверхности. Оксидный слой образуется, в основном, при ость 1 вании, а различная теплопроводность оксида и материала основания приводит к его скалыванию.Обработка образцов в интервале температур от 1100 С до температуры 1250 С в течение 0,5-2,0 с позволяет создавать плазменное облако вблизи поверхности и способствует процессу окисления. Подплавление поверхности, соответствующее температуре распаданикелида титана при наличии кислорода, позволяет создавать с большой скоростью окиснь 1 й слой, а массоперенос в подплавленной зоне за счет конвективного перемешивания и диффузии в жидкой и твердой фазе и образование новых очагов химических связей позволяет получать высокую прочность его сцепления с основой.Образование физического контакта при выдержке 0,5-2,0 с достаточно по времени для сближения соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия, происходящего с высокой интенсивностью при оплавлении. Данные температурновременные параметры инициируют химические реакции на поверхности никелида титана с помощью образования надежного плазменного облака и теплового воздействия обеспечивающего оплавление никелида титана на глубину 0,4 мм, что позволяло получать на поверхности износостойкую фазу Т 1 О 2.Подача воздуха в зону оксидирования как объемно, так и специально направленной струей можно осуществлять практически во всех традиционных способах ХТО. При этом температурно-временные параметры являются критерием обеспечения необходимой энергии окислительных реакций, энергией связей, а также существенно влияют на характер структуры.Время развития процессов объемного взаимодействия должно быть минимальным, но достаточным для образования прочных диффузионных связей соединения Т 1 О 2 глубиной 0,4 мм, создания мелкодисперсной структуры.Экспериментально было установлено, что минимальная контактная температура обеспечивающая надежный плазменный факел, рост окисной пленки глубиной 0,3-0,4 мм с высокой ее прочностью сцепления с основой, равна 1100 С.Время термического воздействия 0,5-2,0 с, обеспечивает активацию жидкой фазы за счет ее подвижности и отсутствия дальнего порядка в расположении атомов, твердой фазы термическую в результате термических флуактаций атомов, химическую - результате протекания химических реакций, механическую связанную с высвобождением энергии при выходе на поверхность структурных дефектов типа дислокаций вакансий межузельных атомов под действием деформаций, внешних и внутренних напряжений. Причем данное термическое состояние необходимо выдерживать определенное время, т.к. недогрев или перегрев отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах покрытий, в первом случае износостойкость снижается за счет отсутствия плазменного облака, а следовательно, уменьшения химических реакций оксидирования в глубину, во втором случае - вследствие укрупнения окисной фазы за счет вторичной рекристализации.Нагрев поверхности выше 1300 С независимо от времени обработки приводит к качественному и количественному перераспределению фаз, испарению материалов, причем окисная пленка не является определяющей для образования износостойкой поверхности. Износостойкую поверхность образуют, кроме Т 1 О 2, новые фазы Т 1 Ы 13, Т 12 Ы 1, которые тверже Т 1 О 2 и Т 11 Н. Образовавшиеся твердые фазы и дефекты поверхности, связанные с интенсивным выделением газов и испарением, и неравномерная твердость по поверхности приводит к задирам, а следовательно, к снижению износостойкости.Заявляемый способ химико-термической обработки позволяет применять никелид титана для деталей трения, работающих как со смазкой, так и в сухом трении при давлении 80 кгс/см и более в машинах, к которым предъявляются повышенные требования к износу и коррозионной стойкости.Так, например, детали уплотнения в магистральных насосах работают в условиях сходных с условиями испытаний, использование предлагаемого способа повышения износостойкости рабочих поверхностей позволит повысить износостойкость в 2-3,5 раза по сравнению с существующими способами.Внедрение данного способа в лентопротяжных механизмах, работающих в условиях сухого трения, позволит повысить износостойкость в 2-5 раз.