способ получения боридных покрытий из борной кислоты

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.