Azotowanie jonowe stopów tytanu: proces i właściwości

Azotowanie jonowe poprawia właściwości stopów tytanu poprzez zwiększenie twardości powierzchniowej, odporności na zużycie, odporności na zatarcia oraz odporności na korozję w środowiskach redukujących, przy jednoczesnym zachowaniu odporności rdzenia na pękanie oraz jego plastyczności. Rozwiązuje to problem słabej odporności tytanu na zużycie i zatarcia oraz jego ograniczonej odporności na korozję w środowiskach redukujących. Proces ten znajduje zastosowanie w przemyśle petrochemicznym, obronnym oraz w produkcji sprzętu medycznego.

Temperatura azotowania oraz czas trwania procesu decydują o twardości i głębokości utwardzenia. Prawidłowo poddane obróbce powierzchnie mają barwę złocistożółtą.

Kruchość wodorowa stanowi poważny problem. Powszechnie stosuje się mieszaniny azotu i argonu, a nawet czysty azot. W przypadku stosowania atmosfery zawierającej wodór, takiej jak mieszanina azotu i wodoru lub amoniak, należy przerwać dopływ wodoru, gdy po azotowaniu element ostygnie do temperatury 600°C, aby zmniejszyć ryzyko kruchości.

Azotowanie jonowe tytanem przeprowadza się w temperaturze powyżej 800 °C. Jako urządzenie można wykorzystać piec do azotowania jonowego z ogrzewaniem zewnętrznym lub konwencjonalny piec z zimnymi ściankami. Aby podgrzać elementy do wymaganej temperatury i zapewnić jej równomierność, prostym rozwiązaniem jest umieszczenie wokół obrabianego elementu katody pomocniczej o tym samym potencjale. Działa ona jako dodatkowe obwodowe źródło ciepła, zmniejsza straty ciepła promieniowania, przyspiesza nagrzewanie i poprawia równomierność temperatury.

Urządzenia przeznaczone do obróbki tytanu muszą osiągać temperaturę około 900°C, przy czym wszystkie uszczelnienia muszą zachowywać niezawodność. Należy zamontować jedną lub więcej całkowicie metalowych osłon przeciwradiacyjnych między obrabianym elementem a pokrywą pieca oraz między stołem katodowym a płytą podstawy pieca.

Ponieważ tytan wykazuje silne powinowactwo do tlenu w temperaturze 900°C, ciśnienie cząstkowe tlenu należy utrzymywać na jak najniższym poziomie. Głównymi czynnikami kontrolnymi są czystość gazu oraz szybkość wycieku z pieca. Zaleca się stosowanie specjalnego pieca do azotowania jonowego tytanu, aby substancje zaadsorbowane podczas obróbki innych materiałów nie zanieczyszczały procesu obróbki tytanu.