Способ получения боридных покрытий из борной кислоты

Авторы патента:

Корнопольцев Василий Николаевич (RU)

Владельцы патента RU 2477337:

Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук (БИП СО РАН) (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "МЕГАРЕСУРС" (ООО "МИП "МЕГАРЕСУРС") (RU)

Изобретение относится к способу химико-термической обработки и может быть использовано для повышения эксплуатационной стойкости изделий. Способ борирования стальных деталей включает приготовление насыщающей шихты, содержащей борсодержащий компонент и активатор фтористый натрий, упаковку деталей в тигле и термообработку. В качестве борсодержащего компонента используют 20-40 мас.% обезвоженной композиционной смеси на основе борной кислоты в виде гранул, которые получают путем приготовления смеси, содержащей 70-74 мас.% H₃BO₃, 24-28 мас.% Al и 2 мас.% NaF, обезвоживания со спеканием полученной смеси и дробления спекшейся композиционной смеси до гранул размером до 2 мм. Обезвоженная борная кислота, являющаяся источником бора при борировании, восстанавливается в процессе термообработки в гранулах. Насыщающая шихта дополнительно содержит разделительную добавку, в качестве которой используют инертные порошки в виде окиси алюминия или окиси магния, или отработанные составы для борирования. Насыщающая шихта дополнительно содержит фтористый натрий NaF 2 мас.%. Термообработку проводят при температуре 800-950°C в течение 3-5 часов. Уменьшается стоимость и время борирования, а также обеспечивается дополнительная регулировка свойств и толщины получаемых покрытий, что позволяет получать качественные покрытия с заданными характеристиками. 1 ил.

Изобретение относится к способу химико-термической обработки и может быть использовано для повышения эксплуатационной стойкости изделий и технологической оснастки из конструкционных сталей и чугунов.

Известны способы диффузионного борирования конструкционных сталей и чугунов (Ворошнин Л.Г. и др. Кавитационно-стойкие покрытия на железоуглеродистых сплавах. / Под ред. М.Н.Бодяко. - М.: Наука и техника, 1987. - 248 с.) из порошков, которые содержат в качестве борсодержащих элементов готовые продукты высокотемпературного синтеза: карбид бора, бор аморфный. Недостатком таких порошковых смесей является высокая стоимость борсодержащих компонентов.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ борирования стальных изделий (RU 2413034 C1, МПК C23C 8/70, 27.02.2011, Игонин В.А и др.), включающий приготовление насыщающей шихты, содержащей борсодержащий компонент карбид бора и активатор фтористый натрий, упаковку деталей в тигле и термообработку при температуре 950 C в течение 6 часов. Предлагаемый состав и режим ХТО позволяет получать на низкоуглеродисто стали боридные покрытия толщиной до 170 мкм. Недостатком способа является использование карбида бора и высокая продолжительность термообработки.

Поиск аналогов по использованию борной кислоты как наиболее доступного борсодержащего компонента для борирования стальных изделий порошковым методом не дал результатов.

Технический результат изобретения - снижение стоимости термодиффузионного борирования в порошках за счет использования в качестве борсодержащего компонента борной кислоты, увеличение скорости нагрева тигля и сокращение времени выдержки за счет использования экзотермической реакции восстановления обезвоженной борной кислоты в процессе проведения термообработки, сокращение количества отходов за счет использования отработанной шихты с ее постоянной регенерацией 20-40 мас.% свежим реакционноспособным составом (гранулами).

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе борирования, включающем приготовление насыщающей смеси с активатором фтористым натрием, упаковку деталей в тигле, наведение на крышке тигля плавкого затвора и термообработку в качестве борсодержащего компонента, используется 20-40 мас.% обезвоженной композиционной смеси на основе борной кислоты в виде гранул, которые получают путем приготовления смеси, содержащей 70-74 мас % H₃BO₃, 24-28 мас.% Al и 2 мас.% NaF, спекания смеси обезвоживанием борной кислоты и дробления полученной композиционной смеси до гранул размером до 2 мм, причем обезвоженная борная кислота, являющаяся источником бора при борировании, восстанавливается в процессе термообработки в гранулах, насыщающая шихта дополнительно содержит разделительную добавку, в качестве которой используют инертные порошки в виде окиси алюминия или окиси магния или отработанные составы для борирования, при этом насыщающая шихта дополнительно содержит фтористый натрий NaF 2 мас.%, а термообработку проводят при температуре 800-950 С в течение 3-5 часов.

Способ осуществляется следующим образом.

Готовится смесь

Смесь тщательно перемешивается до получения однородной массы и размещается на металлическом противне. Полученная смесь обезвоживается нагревом до температуры 300-400°C с получением спекшейся массы. Спек охлаждается до комнатной температуры и дробится до крошки (гранулы) размером до 2 мм.

Приготовленные гранулы смешиваются с разделительной добавкой, в качестве которой могут использоваться инертные порошки в виде окиси алюминия или окиси магния или отработанные составы для борирования.

Насыщающая шихта готовится предварительным восстановлением состава, содержащего 30-40 мас.% гранул, 58-68 мас.% разделительной добавки и 2 мас.% активатора. Процесс приготовления шихты совмещается с предварительной термообработкой порошковой разделительной добавки в герметичном контейнере до температуры 900-950°C. Затем контейнер охлаждается на воздухе, вскрывается и приготовленная шихта извлекается.

Для химикотермической обработки стальных деталей используют приготовленную шихту с добавлением к ней 20-40 мас.% свежих гранул. При втором режиме термообработки (950°C, 4 ч.) с добавлением 30 мас.% гранул и 2% активатора на обработанных образцах толщина диффузионного покрытия на стали 45 составляет до 70-100 мкм, микротвердостью HV 1200-1500. При третьем режиме (950°C, 4 ч.) с добавлением 30 мас.% свежих гранул на стали получены покрытия (Фиг.1) толщиной до 100-150 мкм с микротвердостью до HV 1700-2300.

При указанных концентрациях компонентов насыщающая смесь спекается незначительно и достаточно легко освобождает объем контейнера после ХТО. Полученный состав с гранулами легко размалывается.

При уменьшении количества восстановителя в гранулах ниже указанной величины из-за высокой концентрации остаточного борного ангидрида термообработанная смесь значительно спекается. При увеличении количества восстановителя резко снижается реакционная способность приготовляемых смесей из-за образования в них боридов металла восстановителя, а при применении в качестве восстановителя алюминия на поверхности стальных изделий образовываются бороалитированные покрытия, которые отличаются более светлым цветом, лучшей чистотой поверхности, но имеют в 1,5-2 раза меньшую толщину и микротвердостью.

Увеличение количества гранул в шихте для ХТО приводит к значительному спеканию шихты. Уменьшение концентрации гранул снижает интенсивность образования боридных покрытий.

Совмещенный способ получения боридных покрытий с использованием гранул на основе борной кислоты позволяет сократить время выдержки контейнеров в печи и обеспечить достаточную концентрацию легирующего компонента за счет использования экзотермической реакции восстановления обезвоженной борной кислоты в процессе термообработки. За счет использования в качестве источника бора борной кислоты предлагаемый способ позволяет уменьшить стоимость борирования. За счет варьирования состава и концентрации вводимых реакционных гранул обеспечивается регулировка свойств и толщина получаемых покрытий. Предложенный способ борирования стальных изделий позволяет расширить исследовательские работы по получению покрытий с заданными характеристиками, например, для получения комплексных боридных покрытий.

Способ борирования стальных деталей, включающий приготовление насыщающей шихты, содержащей борсодержащий компонент и активатор фтористый натрий, упаковку деталей в тигле и термообработку, отличающийся тем, что в качестве борсодержащего компонента используются 20-40 мас.% обезвоженной композиционной смеси на основе борной кислоты в виде гранул, которые получают путем приготовления смеси, содержащей 70-74 мас.% H₃BO₃, 24-28 мас.% Al и 2 мас.% NaF, обезвоживания со спеканием полученной смеси, дробления спекшейся композиционной смеси до гранул размером до 2 мм, причем обезвоженная борная кислота, являющаяся источником бора при борировании, восстанавливается в процессе термообработки в гранулах, насыщающая шихта дополнительно содержит разделительную добавку, в качестве которой используют инертные порошки в виде окиси алюминия или окиси магния или отработанные составы для борирования, при этом насыщающая шихта дополнительно содержит фтористый натрий NaF 2 мас.%, а термообработку проводят при температуре 800-950°C в течение 3-5 ч.

Изобретение относится к металлургии и машиностроению, а именно к химико-термической обработке стальных деталей и может быть использовано для упрочнения рабочих органов сельхозтехники, применяемых при обработке почв по современным энерго- и ресурсосберегающим технологиям (плуги-плоскорезы, стрельчатые лапы, долота-рыхлители, долотообразные лемеха и пр.), большая часть поверхности которых в процессе работы находится в почве.

Порошкообразный состав для борирования стальных изделий // 2413034

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении, станкостроении, на предприятиях строительной индустрии и в других отраслях промышленности.

Способ борирования углеродистой стали // 2293789

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано для поверхностного упрочнения инструмента и деталей машин.

Способ комбинированного борирования углеродистой стали // 2210617

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, изготовленных из углеродистой стали.

Способ бороазотирования стальных изделий в псевдоожиженном слое // 2194793

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке и может найти широкое применение в машиностроении, повышая долговечность деталей машин.

Способ борирования винтовых поверхностей деталей // 2191219

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов и сплавов в порошковых средах, а именно к борированию винтовых передач, например винтов, червяков и т.

Способ бороникелирования стальных изделий в псевдоожиженном слое // 2190688

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может найти широкое применение в машиностроении для повышения долговечности деталей машин.

Способ электроннолучевого борирования стали и чугуна // 2186872

Способ и состав для борохромирования стальных изделий в псевдоожиженном слое // 2157859

Изобретение относится к химико-термической обработке. .

Способ многокомпонентного лазерного легирования инструментальных сталей // 2074571

Способ поверхностного борирования деталей из стали 40 // 2539128

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к комбинированным способам поверхностного упрочнения деталей из стали 40. Первоначально проводят предварительное поверхностное локальное борирование с использованием лазерного нагрева из обмазки, содержащей бор или его соединения. Затем осуществляют процесс термодиффузионного насыщения бором при нагреве до температуры Т=850-950°С с выдержкой в течение 3-4 часов. Обеспечивается снижение хрупкости борированных слоев, сокращение длительности и снижение температуры процесса термодиффузионного насыщения поверхности деталей при сохранении высокой твердости. 1 табл.

Способ упрочнения стальной поверхности // 2585151

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может найти применение в машиностроении для обеспечения повышения эксплуатационных характеристик деталей машин. Способ упрочнения поверхности стального изделия включает нанесение борсодержащей обмазки и последующую термообработку. В качестве борсодержащей обмазки на поверхность стального изделия наносят гомогенизированную смесь, состоящую из фенолформальдегидной смолы, имеющей коксовое число в отвержденном состоянии не менее 52% (А), борного ангидрида (Б) и карбонила железа (В) в соотношении А:Б:В от 90:8:2 до 50:40:10, с последующей двухстадийной термообработкой. На первой стадии осуществляют нагрев до 200-350°C в течение 2-8 минут с помощью инфракрасной лампы, а затем на второй стадии проводят нагрев с обеспечением температуры обмазки 850-1000°C за счет воздействия газопламенной горелкой в течение 10-30 минут. Обеспечивается повышение эффективности проникания борсодержащих компонентов, снижение температуры и времени насыщения стальной поверхности и упрощение технологии процесса. 1 табл., 1пр.

Способ упрочнения поверхности стального колеса железнодорожного транспорта // 2592651

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для повышения эксплуатационных характеристик трущихся поверхностей колес железнодорожного транспорта и других целей. Способ упрочнения поверхности стального колеса железнодорожного транспорта включает нанесение борсодержащей обмазки, представляющей собой гомогенизированную смесь, состоящую из фенолформальдегидной смолы, имеющей коксовое число в отвержденном состоянии не менее 52% (А), борного ангидрида (Б) и карбонила железа (В) в соотношении А:Б:В от 90:8:2 до 50:40:10, и последующую двухстадийную термообработку. На первой стадии осуществляют нагрев с помощью инфракрасной лампы до 200÷350°С в течение 2÷8 минут, а затем на второй стадии нагрев проводят воздействием газопламенной горелки в течение 10÷30 минут с обеспечением температуры обмазки 850÷1000°С. Обеспечивается повышение эффективности проникновения борсодержащих компонентов, снижение температуры и времени насыщения стальной поверхности колеса и упрощение технологии процесса за счет использования обмазки, содержащей компоненты в виде гомогенизированной смеси до молекулярных размеров. 1табл., 1 пр.

Способ борирования деталей из железоуглеродистых сплавов // 2602217

Изобретение относится к способу химико-термической обработки и может быть использовано для повышения эксплуатационной стойкости изделий и технологической оснастки из железоуглеродистых сплавов. Способ борирования деталей из железоуглеродистых сплавов включает приготовление насыщающей смеси, содержащей активатор и борсодержащий компонент в виде смеси на основе обезвоженной борной кислоты в виде гранул, которые получают путем приготовления смеси, содержащей 70-74 мас. % Н3ВО3, 24-28 мас. % Al, обезвоживания со спеканием полученной смеси и дробления спекшейся композиционной смеси, упаковку деталей в герметичный контейнер и термообработку их при температуре 950°С в течение 3-5 часов. При получении гранул из композиционной смеси на основе обезвоженной борной кислоты дробление спекшейся композиционной смеси осуществляют до гранул размером до 1-5 мм. В насыщающую смесь дополнительно вводят карбид бора и оловяннистую бронзу, а в качестве активатора насыщающей смеси используют натрий фтористый или тетрафтороборат калия. Насыщающая смесь имеет следующий состав, мас. %: карбид бора 30-38, оловяннистая бронза 30-38, композиционная смесь в виде гранул на основе обезвоженной борной кислоты 30 и 2 натрия фтористого или тетрафторобората калия. Обеспечивается упрощение состава смеси для борирования, снижение ее спекаемости, увеличение пластичности полученного покрытия, интенсификация процесса борирования и снижение его стоимости. 2 ил. .

Способ скоростного борирования стальной детали // 2622502

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для упрочнения поверхностей стальных деталей химико-термической обработкой. Способ борирования стальной детали включает предварительную подготовку порошковой смеси, нанесение ее на упрочняемую поверхность, нагрев и насыщение поверхности бором в защитной среде аргона при избыточном давлении (Ризб.), составляющем 100÷200 Па. Порошковая смесь имеет следующий состав, мас.%: карбид бора 80÷85, силицид кальция 3÷5, бура 5÷7, криолит остальное. Нагрев детали с нанесенной порошковой смесью осуществляют токами высокой частоты до температуры 1200÷1300°C в течение 90÷120 с. Обеспечивается интенсифицирование и упрощение процесса борирования, увеличение толщины покрытия до 250-350 мкм, микротвердости - до 2400-2800 HV и его относительной износостойкости в 7,5-10 раз. 3 ил., 1 табл., 2 пр.