Лого Сделано у нас
89

На пермском предприятии «Ионные Технологии» отработан метод упрочнения деталей из титановых сплавов

 2022 г. ООО "Ионные Технологии", Россия, Пермь. Ионное азотирование титановых сплавов 2022 г. ООО "Ионные Технологии", Россия, Пермь. Ионное азотирование титановых сплавов © www.procion.ru

Специалисты пермской компании «Ионные Технологии» разработали и успешно освоили процесс поверхностного упрочнения деталей из сплава титана ВТ20. Запуск технологии ионно-вакуумного азотирования титана существенно расширил технологические возможности предприятия, теперь в Перми умеют упрочнять не только широкий ряд марок сталей, но и титан.

Различные титановые сплавы имеют массовое применение в современной промышленности. Отличительной особенностью металлического титана является удачное сочетание трех качеств: низкая плотность, высокая прочность и отличная коррозионная стойкость. Плотность титана на 60% меньше плотности стали и в 1.7 раз больше плотности алюминия. Удельная прочность некоторых титановых сплавов почти в два раза больше удельной прочности легированных высокопрочных сталей. Титановый сплав — это легкий, прочный и не подверженный коррозии материал.

На текущий момент основным потребителем конструкционных сплавов титана является авиакосмическая промышленность. В современном летательном аппарате на долю титана может приходиться до 10% ненагруженного веса. Из титана выполняют элементы несущих конструкций и корпусов, крепеж, обшивку, детали и узлы шасси. Жаропрочные титановые сплавы используются при производстве турбореактивных и ракетных двигателей — из этого материала выполняют диски, валы, лопатки турбин, сопла, способные длительное время функционировать при температуре до 600 °C.

Благодаря отличным антикоррозионным свойствам материал широко используется в судостроении и химической промышленности. Из титана изготавливают гребные винты, химические реакторы, емкостные аппараты, детали трубопроводов. Помимо всего перечисленного, титан является биологически нейтральным материалом, не обладающим антигенной активностью, благодаря чему он получил широкое распространение в производстве биосовместимых протезов и имплантов.

Однако титан обладает рядом недостатков, из-за которых он заметно проигрывает сталям — высокой склонностью к налипанию и большим коэффициентом трения в паре практически со всеми материалами, что существенно сужает сферу его промышленного применения. К тому же этот материал отличают сравнительно низкие показатели поверхностной твердости и износостойкости.

Разработка эффективных методов устранения перечисленных недостатков является актуальной задачей для современной индустрии. Перспективным подходом в этом направлении может являться применение различных методов модификации рабочих поверхностей, в частности методов поверхностного упрочнения.

Одним из прогрессивных методов поверхностного упрочнения является ионно-вакуумное азотирование (ИВА). В процессе ионно-вакуумного азотирования на поверхностных и приповерхностных слоях металла происходит образование нитридов, которые формируют модифицированный слой с высокими показателями твердости и износостойкости.

Технология позволяет существенно улучшить триботехнические и антифрикционные свойства рабочих поверхностей деталей, при этом данный метод практически не изменяет геометрию изделия, отличается высокой чистотой процесса и повторяемостью результатов.

В современной промышленности технология ИВА наиболее широко применяется для упрочнения стальных поверхностей. Пермская компания «Ионные Технологии» обладает практическим опытом упрочнения более чем на 100 марках сталей. На территории современной России и бывшего Советского Союза столь высокий уровень компетенций в области технологии ионно-вакуумного упрочнения — вещь уникальная. Дело в том, что промышленное упрочнение какой-либо марки стали невозможно без создания и отработки отдельного технологический процесса, что всегда требует подбора параметров обработки, лабораторных исследований модифицированных слоев и эксплуатационных испытаний упрочненных изделий. Накопленный «Ионными Технологиями» многолетний практический опыт работы с различными сталями позволяет специалистам пермской компании решать задачи разработки новых «стальных» техпроцессов в оперативном режиме.

Однако титан — совсем другое дело. По сравнению со сталями, поверхностное упрочнение титановых сплавов имеет ряд существенных технологических особенностей; процесс, в частности, идет при более высоких температурах и требует более продолжительной изотермической выдержки, что, в свою очередь, приводит к необходимости модификации ионно-вакуумного оборудования.

В 2021 году для решения задачи разработки технологического процесса поверхностного упрочнения титановых сплавов из состава сотрудников компании «Ионные Технологии» была выделена рабочая группа инженеров исследователей. В группу вошли инженер-исследователь Соколова Ирина Сергеевна и инженер-технолог Князев Андрей Александрович.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы группы проводились на титановом сплаве марки ВТ20 — популярном конструкционном материале, который применяется для изготовления деталей и конструкций, способных длительное время функционировать при температурах от минус 70 °C до плюс 500 °C.

В результате проведенных работ удалось разработать режим ионно-вакуумного упрочнения титана, приводящий к формированию на поверхности детали модифицированного слоя толщиной 45 мкм, твердость которого в 2,5 раза превышала исходную твердость неупрочненной поверхности.

Ниже приводим подробные данные металлографического исследования образцов титана марки ВТ20, упрочненных методом ионно-вакуумного азотирования, эта информация может быть полезна для специалистов-материаловедов, конструкторов, инженерно-технических работников.

В таблице представлены результаты измерения твердости основы и поверхностной твердости образца из титанового сплава ВТ20 после ИВА при нагрузках HV1, HV0.3 и HV0.1. Для более точного измерения глубины упрочненного слоя была выбрана нагрузка HV0.05, шаг 15-20 мкм от поверхности образца до его основы. Хрупкость определяли по виду отпечатка по шкале ВИАМ.

Таблица 1 - Характеристики азотированного слоя на титановом сплаве ВТ20

Твердость основы сплава HV0.1, кгс

320

Поверхностная твердость HV1, кгс

440 — 470

Поверхностная микротвердость HV0.3, кгс

535 — 620

Поверхностная микротвердость HV0.1, кгс

810 — 870

Глубина слоя по микротвердости hс, мкм

45

Хрупкость по шкале ВИАМ

I балл, не хрупкий

Твердость поверхности титанового сплава ВТ20 увеличилась в 2.5 раза с 320 до 840 HV0.1, за счет изменения поверхностного слоя структуры (рис. 1).

 2022 г. ООО "Ионные Технологии", Россия, Пермь. Микроструктура образца упрочненного образца из титанового сплава ВТ 20 2022 г. ООО "Ионные Технологии", Россия, Пермь. Микроструктура образца упрочненного образца из титанового сплава ВТ 20 © www.procion.ru

Рисунок 1 — Микроструктура образца упрочненного образца из титанового сплава ВТ20: а — при увел. в 50 раз; б — при увел. в 100 раз

Структура основы рассматриваемого сплава имеет дуплексное строение. При увеличении х50 на поверхности образца наблюдается тонкая нитридная зона 2 — 3 мкм (рис. 1а). На рисунке 1б виден структурно модифицированный поверхностный слой, за счет которого изменяются механические свойства сплава.

Во время процесса ионного азотирования (в импульсной плазме тлеющего разряда) ионы азота, ускоряясь электрическим полем, бомбардировали поверхность образца, таким образом, создавали условия для активной диффузии атомарного азота в кристаллическую решетку сплава. Поэтому сформировался азотированный слой с повышенной твердостью. Глубина проникновения азота вглубь образца составила 45 мкм (рис. 2).

 2022 г. ООО "Ионные Технологии", Россия, Пермь. Распределение микротвёрдости по глубине азотированного слоя на образце из титанового сплава ВТ20 2022 г. ООО "Ионные Технологии", Россия, Пермь. Распределение микротвёрдости по глубине азотированного слоя на образце из титанового сплава ВТ20 © www.procion.ru

Рисунок 2 — Распределение микротвёрдости по глубине азотированного слоя на образце из титанового сплава ВТ20

Из представленных результатов металлографических исследований видно, что обработка методом ИВА повышает контактную прочность поверхности титанового сплава ВТ20, что, в целом, приводит к увеличению эксплуатационной надежности этого материала, а также делает сплав более универсальным промышленным материалом.

В рамках сотрудничества с кафедрой «Механики композиционных материалов и конструкций» Пермского Национального Исследовательского Политехнического Университета об основных итогах исследований было доложено на научно-практической конференции с международным участием «Химия. Экология. Урбанистика».

  • 5
    Roman Wyrzykowski Roman Wyrzykowski
    11.01.2219:38:55

    Очень подробный и поэтому очень достоверный материал о том как делается технологический прогресс в современной промышленности — в тесной связи практики и науки.

    Россия обладает уникальными в мировом масштабе технологиями обработки такого неппостого, но замечательного металла кае титан.

    Кстати мне вспомнился недавно вышеший материал про концерн Алмаз-Антей — тот от С-500. Там работает приблизительно 1000 кандидатов наук и 200 докторов наук!!! Это одно из объяснений успехоа этого концерна.

    • 5
      Артем Есаев Артем Есаев
      12.01.2210:37:50

      Роман, на Ваш комментарий кратко ответить не получается))). Проблема комплексная. Мы решили для себя, что от открытой информации гораздо больше пользы, чем от закрытой. Ионное азотирование — технология межотраслевая. Упрочнение металлических поверхностей эта задача актуальна практически для любой отрасли промышленности. Везде где присутствуют сопряженные рабочие поверхности, всегда возникает проблема износа. По большому счету, существует только два варианта решения этого вопроса — используем более дорогой и более износостойкий материал или модифицируем рабочую поверхность. Первый вариант — экстенсивный, второй — интенсивный. Модифицирование металлических поверхностей с помощью азотирование — подход хорошо известный. На многих крупных отечественных предприятиях азотирование применяют, но применяют, как правило, газовое азотирование. Газовое азотирование, по сравнению с ионным азотированием, технология устаревшая, ресурсоемкая, «грязная»… но самое главное, ионное азотирование дает лучшее качество упрочнения. По всей стране газовое азотирование надо менять на ионное. При Советском Союзе межотраслевые НИИ занимались продвижением новых технологий и адаптацией их под нужды той или иной отрасли. Сейчас предприятия предоставлены сами себе и варятся в собственном соку. Большая индустриальная корпорация, может позволить себе научные и конструкторские изыскания, но что делать менее мощным производствам, им ведь тоже необходима и модернизация, и внедрение новых технологий? Именно поэтому мы формируем «Ионные Технологии» как российский межотраслевой центр компетенции по ионной химико-термической обработке металлов — не привязываемся к какой-либо отрасли, работаем со всеми. Мы всегда готовы к совместным НИОКР — предоставьте нам детали, мы проведем их упрочнение, исследуем упрочненные слои, с партнера — только эксплуатационные или заводские испытания упрочненных изделий. Если партнер по совместным НИОКР не против, мы опубликуем информацию по полученным результатам в научном журнале или у нас на сайте. Чем больше в свободном доступе будет конкретной научно-технической информации по результатам упрочнения конкретных сталей, сплавов, деталей, узлов механизмов — тем быстрее настанет тот день, когда повсеместно на российских предприятиях будет применяться та или иная технология упрочнения, что с одной стороны, повысит надежность и качество отечественной продукции, а с другой, существенно подымет уровень ресурсосбережения отечественной индустрии.

      Отредактировано: Артем Есаев~10:41 12.01.22
      • 1
        Нет аватара Евгений Медвежонков
        12.01.2221:09:36

        Согласен с вами. Сами обладаем технологиями ионно-плазменного азотирования, но и дальнейшим развитием этого процесса -нанесением твердых покрытий на азотированную поверхность.

        Www.vaclab.ru

        • 0
          Артем Есаев Артем Есаев
          14.01.2208:53:54

          Евгений, изучаем уже второй день ваш сайт и оборудование. Очень впечатляет, надо сказать. Мы года два назад пытались с Плакартом провести совместные работы по созданию комбинированных покрытий: азотирование + металлизация и металлизация + азотирование. Но Плакарт компания большая и как-то к нам они серьезно не отнеслись. Может нам с вами подумать о какой-нибудь совместной исследовательской работе? У нас своя лаборатория материаловедческая — можем полученные слои изучить… Как считаете можем мы что-то совместное придумать?

  • 3
    Е.Юрий Е.Юрий
    11.01.2223:50:36

       

    Ребят, а можно сделать хотябы небольшое видео процесса или в виде маленького документального фильма — было бы крайне интересно, к тому же плазма это всегда залипательно   

    • 2
      Артем Есаев Артем Есаев
      12.01.2208:18:56

      Юрий, спасибо за интерес к плазме. У Ионных Технологий есть канал на ютубе, там есть несколько роликов с видео процесса упрочнения. К сожалению ссылки в комментариях отключены, но канал легко найти по названию: «ионные технологии".

      А по поводу документального фильма про технологию — это очень хорошая мысль… Надо будет заняться.

      Отредактировано: Лес~19:37 14.01.22
      • 2
        Е.Юрий Е.Юрий
        15.01.2202:51:07

        Да, пока ссылки у Вас не вставляются, это временно.

        ©Видео с youtube.com

        Вот ролик, интересно и красиво.

        Для образца приведу Вам пример советского фильма этой тематики — если будут ролики хотя бы похожие на этот фильм Вы сильно привлечете интерес и к теме, и к науке, Вашему конкретно производству.

        ©Видео с youtube.com

        • 1
          Артем Есаев Артем Есаев
          17.01.2208:47:47

          Хороший фильм. Спасибо за наводку. Что-то в подобном формате надо делать, это точно. Показать наглядно принцип, показать сам процесс, показать широту применения (типы упрочняемых деталей), показать исследования слоев… Будем делать.

          • 0
            Е.Юрий Е.Юрий
            18.01.2215:36:10

            Удачи вам во всем и развития, чтобы развивалась и научная мысль и конструкторская. Будем ждать от вас новых технологий и оборудования.

            П.С. Если будете делать фильм обратите внимание на голос — в фильме он профессиональный, поставленный и четким эмоциональным посылом — если найдете накой это будет великолепно!

            Отредактировано: Е.Юрий~15:41 18.01.22
  • 0
    Владислав Сергеевич Владислав Сергеевич
    13.01.2213:22:36

    Данной технологии уже больше 20 лет. Наука уже давно шагнула дальше в плане упрочняющих ионно-плазменных покрытий. Ребята в Йошкар-Оле (хром-пром) пылят современные нано-покрытия.

    Отредактировано: Владислав Сергеевич~13:22 13.01.22
    • 1
      Артем Есаев Артем Есаев
      13.01.2216:03:31

      Первые промышленные установки ионного азотирования появились в результате сотрудничества двух физиков немца профессора Вейнхельдта и швейцарца доктора Бернхарда Бергхауса. Это случилось еще до начала Второй мировой войны. По окончании войны технология стала активно развиваться в Европе и США. Бергхаус оформил американский патент на технологию в 1955 году. Что касается Советского Союза, у нас наблюдалось и наблюдается до сих пор заметное отставание с этой технологией. Датой начала промышленного освоения ионного азотирования в нашей стране можно считать 16 сентября 1971 года. В это день на горьковском заводе Главуправления Миноборонпрома ГМЗ1 состоялось первое совещание посвященное вопросам развития технологии ИХТО в СССР. На этом совещании решили, что технологию надо развивать, в стране начались работы по созданию собственного оборудования — ионно-вакуумных установок. Но не взлетело, опытные отечественные установки не дотягивали до промышленных немецких или американских — в последствие, на заводах по стране стали закупать импортное оборудование… свое так и не сделали. С середины прошлого века технология активно развивается и совершенствуется, сейчас можно говорить уже о пятом поколении промышленных установок ионного азотирования. Хром-Пром, насколько я могу судить по их сайту, делают вакуумное хромирование. Это другой подход к упрочнению — адгезионное упрочнение, по сути это вакуумная металлизация, в результате которой на обрабатываемой поверхности создается тонкий слой металлического хрома. Ионное азотирование — это диффузионное упрочнение, при такой обработке не происходит создания покрывающего слоя, а происходит модификация поверхности за счет внедрения в нее атомов азота. Происходит диффузия азота в поверхностный слой металла. Диффузионное и адгезионное упрочнения сравнивать между собой большого смысла не имеет, у каждого из этих подходов своя сфера применения и они не особо пересекаются. В современной промышленности идет параллельное активное развитие и методов вакуумной металлизации и методов вакуумной химико-термической обработки.

      Отредактировано: Артем Есаев~16:07 13.01.22
Написать комментарий
Отмена
Для комментирования вам необходимо зарегистрироваться и войти на сайт,