Способ плазменного борирования

Изобретение относится к способу получения износоустойчивых металлических поверхностей. Способ плазменного борирования металлической поверхности из титана, из сплава на основе титана, из стали или из феррохрома включает введение в реакционную камеру КВХ₄, в котором Х представляет собой галоген, нагревание КВХ₄ при температуре, достаточной для выделения ВХ₃, и приложение плазменного разряда к ВХ₃ для создания активированных борсодержащих частиц для диффундирования в металлическую поверхность. В альтернативном способе осуществления изобретения проводят термическое разложение КВХ₄ с образованием КХ и ВХ₃, направляют ВХ₃ в плазму, сформированную инертным газом, при этом состав и условия формирования плазмы подбирают так, что ВХ₃ разлагается на BX₂ ⁺и X^-, и осуществляют диффундирование ВХ₂ ⁺ в металлическую поверхность. Получается износостойкая металлическая поверхность, полученная без изменения объема субстрата при борировании, осуществляемом при сниженном расходе ядовитых химикатов. 2 н. и 11 з.п. ф-лы.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение касается способа получения износоустойчивых металлических поверхностей.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Борирование известно в повышении износоустойчивости металлических поверхностей. Известны разнообразные способы борирования металлических поверхностей. Такие способы создают борный слой на металлической поверхности. Типично эти способы используют реакционноспособные соединения бора, которые диффундируют в металлическую поверхность. Такие реакционноспособные соединения бора включают газообразный диборан и тригалогениды бора, в том числе BCl₃ и BF₃.

Один способ борирования металлических поверхностей представляет собой способ «твердой засыпки». В этих способах источник бора находится в форме твердого порошка, пасты или в гранулах. Металлическая поверхность засыпается твердым источником бора и затем нагревается для высвобождения и переноса борсодержащих частиц в металлическую поверхность. Этот способ имеет многие недостатки, включая необходимость применения огромного избытка источника бора, приводящего к чрезмерному образованию токсичных отходов.

Еще один способ борирования металлических поверхностей использует плазменный заряд для способствования переносу бора к металлической поверхности. Обычно способы плазменного борирования применяют диборан, BCl₃ или BF₃, где плазменный заряд сообщается газообразному борсодержащему реагенту, чтобы высвободить реакционноспособные борсодержащие частицы. См., например, патенты США 6306225 и 6783794. Однако эти способы используют коррозионно агрессивные и высокотоксичные газы, и тем самым трудны для реализации в промышленном масштабе.

Процессы плазменного борирования имеют ряд преимуществ, включающих скорость и локализованное нагревание субстрата. Этим предотвращается изменение объема металла в борированном куске вследствие отжига и устраняются дополнительные термические обработки для восстановления первоначальной микроструктуры и кристаллической структуры. В результате этого желательно иметь процесс плазменного борирования, который сохраняет преимущества плазменной обработки, в то же время снижая опасности и расходы, связанные с ядовитыми химикатами.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение представляет способ борирования металлической поверхности. Согласно способам настоящего изобретения КВХ₄, в котором Х представляет собой галоген, представлен как источник бора. Применение КВХ₄ имеет то преимущество, что это твердое вещество, которое является легкодоступным и простым в обращении. В некоторых вариантах осуществления КВХ₄ вносится в твердой форме в присутствии борируемой металлической поверхности. Теплота подводится так, что КВХ₄ выделяет газообразный ВХ₃, к которому подводится плазменный заряд. Не вдаваясь в какую-нибудь конкретную теорию, представляется, что плазменный заряд имеет результатом формирование одной или более активных борсодержащих частиц, которые диффундируют в металлическую поверхность. Как здесь применяемый, термин «активированные борсодержащие частицы» касается любой одной или более борсодержащих частиц, создаваемых приложением плазменного заряда к газу, образованному при нагревании КВХ₄. В некоторых вариантах исполнения одна или более активированных борсодержащих частиц включают, но не ограничиваются таковыми, В⁺, ВХ⁺, ВХ₂ ⁺ и ВХ₃ ⁺.

Применяемый в описании термин «борирование» относится к процессу внедрения борсодержащего слоя в металлическую поверхность.

Как здесь применяемый, термин «плазма» касается ионизированного газа, и термин «плазменный заряд» касается электрического тока, подведенного к газу для формирования плазмы. В некоторых вариантах осуществления плазма согласно настоящему изобретению включает одну или более активированных борсодержащих частиц, включающих, но не ограниченных таковыми, В⁺, ВХ⁺, ВХ₂ ⁺ и ВХ₃ ⁺, в которых каждый Х представляет собой галоген.

Как здесь применяемый, термин «тлеющий разряд» касается типа плазмы, образованной пропусканием тока с напряжением от 100 В до нескольких киловольт через газ. В некоторых вариантах осуществления газ представляет собой аргон или какой-то другой благородный газ.

В некоторых вариантах исполнения каждый Х представляет собой хлор, и KBX₄ представляет собой KBCl₄.

В других вариантах осуществления каждый Х представляет собой фтор, и KBX₄ представляет собой KBF₄.

В некоторых вариантах исполнения настоящее изобретение представляет способ борирования металлической поверхности, включающий стадии:

(а) внесение КВХ₄, в котором каждый Х представляет собой галоген;

(b) нагревание КВХ₄ при температуре, достаточной для высвобождения ВХ₃; и

(с) приложение плазменного заряда к ВХ₃ для создания одной или более активированных борсодержащих частиц для диффундирования в металлическую поверхность.

В других вариантах исполнения настоящее изобретение представляет способ борирования металлической поверхности, включающий стадии:

(а) внесение КВХ₄, в котором каждый Х представляет собой галоген, в присутствии металлической поверхности;

(b) нагревание КВХ₄ при температуре, достаточной для высвобождения ВХ₃; и

(с) приложение плазменного заряда к ВХ₃ для создания одной или более активированных борсодержащих частиц для диффундирования в металлическую поверхность.

В некоторых вариантах исполнения борируемая металлическая поверхность представляет собой железосодержащий металл. Железосодержащие металлы хорошо известны специалисту в данной области техники и включают стали, феррохромы с высоким содержанием хрома и титановые сплавы. В некоторых вариантах осуществления железосодержащий металл представляет собой нержавеющую сталь или сталь 4140. В других вариантах исполнения нержавеющая сталь избирается из сортов стали 304, 316, 316L. Согласно одному варианту осуществления железосодержащий металл представляет собой сталь, избираемую из сортов 301, 301L, А710, 1080 или 8620. В других вариантах исполнения борируемая металлическая поверхность представляет собой титан или титансодержащий металл. Такие титансодержащие металлы включают титановые сплавы.

В других вариантах осуществления КВХ₄ вносится в твердой форме в камеру, содержащую борируемую металлическую поверхность. КВХ₄ нагревается для высвобождения ВХ₃. Плазменный заряд прилагается к противолежащей стороне камеры для создания плазмы, включающей одну или более активированных борсодержащих частиц. Температура, при которой КВХ₄ нагревается, является достаточной для выделения из него ВХ₃. В некоторых вариантах исполнения КВХ₄ нагревается при температуре от 700 до 900°С.

Количество КВХ₄, используемое в способах согласно настоящему изобретению, представляется в количестве, достаточном для поддержания давления от около 10 до около 1500 Па внутри реакционной камеры. В некоторых вариантах исполнения давление составляет от около 50 до около 1000 Па. В других вариантах осуществления давление составляет от около 100 до около 750 Па. Специалисту-технологу будет понятно, что термическое разложение КВХ₄ с образованием ВХ₃ имеет результатом повышение давления внутри реакционной камеры. Не вдаваясь в какую-нибудь конкретную теорию, представляется, что число молей образуемого газообразного ВХ₃ может быть рассчитано путем измерения роста давления.

В некоторых вариантах осуществления газообразный водород вводится в камеру с КВХ₄ и получаемым при его термическом разложении ВХ₃. Не вдаваясь в какую-нибудь конкретную теорию, представляется, что элементарный водород облегчает разложение ВХ₃ на одну или более активированных борсодержащих частиц при воздействии плазменного заряда. В некоторых вариантах исполнения газообразный водород вводится в количестве, которое равно количеству высвобождаемого ВХ₃ или составляет молярный избыток сравнительно с последним.

В некоторых вариантах осуществления газообразные ВХ₃ и необязательный водород вносятся в плазму потоком инертного газа, например аргона. Плазма позволяет ускорить диффузию реакционноспособных элементов и обеспечить высокоскоростное воздействие реакционноспособных борсодержащих частиц на обрабатываемую металлическую поверхность. В некоторых вариантах исполнения плазма представляет собой плазму тлеющего разряда. Субстрат может быть любым материалом, который пригоден для применения в способах плазменной обработки, например стали или титановые сплавы. КВХ₄ может быть подвергнут разложению в отдельной камере для разложения, соединенной с плазменной камерой, или же как разложение, так и плазменная обработка могут происходить в отдельных зонах одиночного реакционного сосуда.

Как здесь описанные, способы согласно настоящему изобретению включают стадию приложения плазменного заряда для создания одной или более активированных борсодержащих частиц. В некоторых вариантах осуществления плазменный заряд представляет собой пульсирующий плазменный заряд. В других вариантах исполнения прилагается плазменный заряд, в котором напряжение регулируется от около 0 до около 800 В. В еще других вариантах осуществления сила тока составляет около 200 А максимально.

Прочие варианты исполнения изобретения будут очевидны специалисту-технологу из рассмотрения описания или практики раскрытого здесь изобретения. Предполагается, что описание и примеры рассматриваются только как иллюстративные, с истинными пределами и смыслом изобретения, указанными нижеследующими пунктами формулы изобретения.

ПРИМЕР

Стальная деталь помещается в реакционную камеру вместе с 50 г KBF₄ в тигеле из нитрида бора. Реакционная камера вакуумируется до давления 0,01 Па. Тигель нагревается до температуры 900°С, приводящей к разложению KBF₄ с образованием BF₃. Газовая смесь H₂/Ar с 10%-ным содержанием водорода добавляется в реакционную камеру до давления 500 Па. Электрический разряд прилагается при напряжении 600 В и силе тока 150 А. Реакция продолжается в течение около 3 часов или до тех пор, пока не достигается желаемое внедрение бора.

1. Способ борирования металлической поверхности из титана, из сплава на основе титана, из стали или из феррохрома, включающий введение в реакционную камеру КВХ₄, в котором Х представляет собой галоген, нагревание КВХ₄ при температуре, достаточной для выделения ВХ₃, и приложение плазменного разряда к ВХ₃ для создания активированных борсодержащих частиц для диффундирования в металлическую поверхность.

2. Способ по п.1, в котором КВХ₄ вводят в реакционную камеру, содержащую металлическую борируемую поверхность.

3. Способ по п.1, в котором активированные борсодержащие частицы выбирают из В⁺, ВХ⁺, ВХ₂ ⁺ или ВХ₃ ⁺.

4. Способ по п.3, в котором плазменный разряд представляет собой плазму тлеющего разряда.

5. Способ по п.1, в котором КВХ₄ нагревают при температуре от 700 до 900°С.

6. Способ по п.1, в котором дополнительно в камеру с КВХ₄ вводят газообразный водород.

7. Способ по п.6, в котором газообразный водород вводят в потоке аргона.

8. Способ плазменного борирования металлической поверхности из титана, из сплава на основе титана, из стали или из феррохрома, включающий введение в реакционную камеру КВХ₄, в котором Х представляет собой галоген, термическое разложение КВХ₄ с образованием КХ и ВХ₃, направление ВХ₃ в плазму, сформированную инертным газом, при этом состав и условия формирования плазмы подбирают так, что ВХ₃ разлагается на ВХ₂ ⁺ и X^-, и осуществляют диффундирование ВХ₂ ⁺ в металлическую поверхность.

9. Способ по п.8, в котором Х представляет собой фтор.

10. Способ по п.8, в котором Х представляет собой хлор.

11. Способ по п.8, в котором Х представляет собой бром.

12. Способ по п.8, в котором дополнительно в камеру с КВХ₄ вводят газообразный водород.

13. Способ по п.12, в котором газообразный водород вводят в потоке аргона.