PL181781B1 - Sposób wytwarzania na metalicznych powierzchniach materialów warstw borkówodpornych na scieranie PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania na metalicznych powierzchniach materialów warstw borków odpornych na scieranie, znamienny tym, ze trójfluorek boru stanowiacy nosnik boru miesza sie z wodorem i, korzystnie, z argonem oraz azotem, przy czym otrzymany gaz chemicznie czynny zawiera 1-35% obj. trójfluorku boru, a w tak otrzymanym gazie chemicznie czyn- nym, przeprowadza sie za pomoca wyladowania plazmowego wodór molekularny w wodór atomowy w zakresie cisnien 1 do 10 · 102 Pa. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania na metalicznych powierzchniach materiałów warstw borków odpornych na ścieranie.

Z opisu patentowego US 3,677,799 jest znany sposób niskotemperaturowego osadzania powłoki z boru na substrat, obejmujący dostarczanie gazowej mieszaniny wodoru i związku boru do strefy powlekania zawierającej substrat i przykładanie energii elektrycznej o wystarczająco dużej częstotliwości do tej strefy w postaci impulsowej dla ustanowienia w niej gazowych substancji wzbudzanych borem - wodorem zdolnej do nakładania żądanej powłoki borowej na substrat.

Wytwarzanie warstw borków odpornych na ścieranie w praktyce następuje najczęściej przy zastosowaniu środków zawierających bor, na przykład w postaci proszków, past lub granulatów.

Sposoby te wymagają, co jest niekorzystne, dużego nakładu pracy przy pakowaniu, rozpakowywaniu i czyszczeniu części. Czyszczenie przeprowadza się za pomocą kombinacji płukania i szczotkowania lub obróbki strumieniowo-ciernej. Ponieważ proszki, pasty i granulaty stosuje się tylko jednokrotnie, powstają również problemy przy usuwaniu zużytych środków zawierających bor, a stanowiących odpad.

Poza tym znane jest także stosowanie ciekłych środków zawierających bor, na przykład w postaci stopionych soli. Wszystkie te sposoby nie znalazły jednak zastosowania ze względu na problemy generalnie związane z kąpielami solnymi, a dotyczącymi bezpieczeństwa przy posługiwaniu się nimi, czyszczeniem części po obróbce i usuwaniem kąpieli względnie ich produktów odpadowych jako odpadu.

181 781

Wzbogacanie borem następuje korzystnie w zakresie ciśnień od 1 do 10 · 10² Pa, pod wpływem wyładowania plazmowego, znanego na przykład z urządzeń do nanoszenia powłok w plazmie. Wyładowanie plazmowe może przebiegać impulsowo.

Wymagane przy obróbce temperatury wynoszące korzystnie 400°C do 1200°C, a szczególnie korzystnie 850°C do 950°C, wytwarzane są przez samą plazmę, lub przede wszystkim w zakresie wysokich temperatur powyżej 900°C, wytwarzane są ze wspomaganiem ogrzewania dodatkowego.

Korzystnie, czas obróbki wynosi 30 do 240 min, a szczególnie korzystnie 30 do 120 min.

Grubość warstw borków reguluje się zwykle za pomocą czasu obróbki, przy czym wraz ze wzrastającym czasem wzrasta również grubość warstwy borków.

Dodatkowo gaz chemicznie czynny może zawierać jeszcze argon i/lub azot. Za pomocą tych gazów można sterować aktywnością przechodzenia boru i uzyskiwać wystarczające nagrzanie próbek za pomocą plazmy. Skład gazu chemicznie czynnego może zmieniać się w szerokich granicach zależnie od warunków obróbki i materiału przeznaczonego do wzbogacania borem.

Sposób według wynalazku nadaje się zwłaszcza do wzbogacania borem warstwy powierzchniowej stopów żelaza.

W sposobie według wynalazku molekularny wodór zawarty w gazie czynnym chemicznie, pod wpływem wyładowania plazmowego przechodzi w wodór atomowy. Wodór atomowy redukuje halogenek boru (BY₃) i umożliwia przez to oddawanie boru do powierzchni obrabianego przedmiotu.

BY₃ + 3H->B + 3 HY

B + x Me-> MexB

Za pomocą plazmy może jednak dojść do przejścia BY₃ w BY₂, przy czym mogą wtedy zachodzić następujące reakcje:

BY2 —> B + 2 BY3

B + x Me-> MexB

W związku ze wzbogacaniem borem obrabiany materiał poddaje się obróbce końcowej, aby utworzony ewentualnie FeB przemienić w Fe2B. Uzyskuje się to za pomocą procesu wyżarzania następującego po obróbce wzbogacającej borem, przy czym przerywa się wtedy dopływ halogenku boru, a obrabiany przedmiot utrzymuje się jeszcze przez pewien czas w temperaturze obróbki. Długość czasu trwania tej obróbki dyfuzyjnej dobiera się zależnie od ilości istniejącego FeB i wynosi zwykle 20 do 60 min.

Sposób przeprowadza się, na przykład, w znanym urządzeniu nadającym się do nanoszenia powłok w plazmie. Zawiera ono następujące podstawowe części.

Recypient próżniowy (reaktor, w którym umieszcza się obrabiane części. Reaktor powinien być ogrzewany i umożliwiać pracę w zakresie temperatur 400°C do 1200°C.

Układ pompujący służący do tworzenia próżni w reaktorze i do nastawiania ciśnienia roboczego.

Jednostkę zasilającą gazem, do mieszania i dozowania mieszanki chemicznie czynnej.

Zasilanie energią impulsów plazmy, do wytwarzania i podtrzymywania wyładowania plazmowego w reaktorze, przy czym wprowadzaną moc zmienia się w szerokich granicach za pomocą częstotliwości impulsowania względnie szerokości impulsów.

Układ do neutralizacji gazu i usuwania odpadów, oraz układ do sterowania i nadzorowania parametrów roboczych, który steruje i nadzoruje przebieg procesu.

181 781

W przeszłości istniały równe próby wzbogacenia warstwy powierzchniowej stali borem, zwane dalej skrótowo wzbogacaniem borem, przy których stosowano gazowe środki zawierające bor (sposób CVD). Przy zastosowaniu organicznych związków boru (trójmetyl boru, trójakryl boru) następowało przeważnie nawęglenie zamiast wzbogacenia borem, a przy zastosowaniu diboranu występowały problemy techniczne związane z bezpieczeństwem, ze względu na wielką toksyczność i niebezpieczeństwo wybuchu.

Zastosowanie trójchlorku boru jako ośrodka dozującego bor nie było praktycznie możliwe ze względu na problemy z utworzeniem warstwy, związane immanentnie ze sposobem. Powodem tych problemów jest występujące zawsze tworzenie się chlorowodorku przy wzbogacaniu borem w mieszankach BCf-HĘ.

Przy wzbogacaniu borem stopów żelaza z zastosowaniem trójchlorku boru, zachodzą następujące podstawowe reakcje:

BCl₃ + 3 H2 + 2 Fe-> 2 FeB + 6 CHI

BC13 + 3 H2 + 4 Fe-> 2 Fe2B + 6 CHl

Powstający przy wzbogaceniu borem z zastosowaniem BCl₃ chlorowodór, reaguje z żelazem materiału podłoża tworząc łatwo lotne chlorki żelaza

HC1 + Fe-> FeCl2

Chlorki żelaza, przy stosowanych temperaturach obróbki w zakresie 500°C do 1200°C, mają tak wysokie ciśnienie pary, że dochodzi do stałego, silnego odparowania chlorku żelaza. Prowadzi to do tworzenia się pęcherzy pomiędzy nanoszoną warstwą borków i materiałem podłoża, co jest zasadniczą wadą sposobu przy użyciu BCl₃.

Uniknięcie tej wady możliwe j^:^t tylko wtedy, gdy uda się przy wzbogacaniu borem wytworzyć w bardzo krótkim czasie przylegającą warstwę borków. Jest to tak trudne technicznie, że do tej pory nie udało się tego dokonać w sposób pewny i powtarzalny.

Oprócz czysto termicznej odmiany wzbogacania borem sposobem CVD, znane są także próby wzbogacania borem przy użyciu plazmy (sposób - PACVD). Stosuje się przy tym dotychczas tylko diboran i trójchlorek boru, przy czym obarczone jest to wadami znanymi z termicznego sposobu CVD.

Zestawienie wspomnianych sposobów znajduje się w publikacji „Engineering the Surface with Boroń Based Materials”, Surface Engineering 1985 r., t. 1, nr 3, str. 203-217.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie sposobu do wytwarzania na metalicznych powierzchniach materiałów warstw borków odpornych na ścieranie, który nie posiada wymienionych wad.

Sposób wytwarzania na metalicznych powierzchniach materiałów warstw borków odpornych na ścieranie, według wynalazku charakteryzuje się tym, że trój fluorek boru stanowiący nośnik boru miesza się z wodorem i, korzystnie, z argonem oraz azotem, przy czym otrzymany gaz chemicznie czynny zawiera 1-35% obj. trójfluorku boru, a w tak otrzymanym gazie chemicznie czynnym, przeprowadza się za pomocą wyładowania plazmowego wodór molekularny w wodór atomowy w zakresie ciśnień 1 do 10 · 10² Pa.

Trójfluorek boru stanowiący nośnik boru miesza się z wodorem i, korzystnie, z argonem.

Trójfluorek boru stanowiący nośnik boru miesza się z wodorem i, korzystnie, z azotem.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku stosuje się gaz chemicznie czynny zawierający 20-90% obj. H2 i doprowadza się go do przestrzeni reakcyjnej w ilości od 0,5 do 2 1na minutę.

Wodór molekularny przeprowadza się w wodór atomowy za pomocą wyładowania plazmowego w zakresie temperatur od 850°C do 950°C.

Obróbkę plazmową przeprowadza się w czasie pomiędzy 30-240 min.

181 781

Przykład 1.Po wprowadzeniu do reaktora próbki ze stali 100°C nastąpiło nagrzanie jej w plazmie pochodzącej z wyładowania jarzeniowego prądu stałego o stałej częstotliwości impulsowania (4 kHz) przy ciśnieniu 10 · 10² Pa. Nagrzewanie próbek dokonuje się dodatkowo przez ogrzewanie reaktora, co skraca czas nagrzewania. Nagrzewanie i ochładzanie próbki dokonuje się w mieszaninie argonu i wodoru o stosunku 1 : 1. Po osiągnięciu temperatury próbki wynoszącej 850°C do nośnika boru dodaje się trójfluorek boru tak, że powstaje mieszanina gazu czynnego chemicznie o składzie 45% obj. wodoru, 40% obj. argonu i 15% obj. trójfluorku boru. Mieszaninę gazów doprowadza się do reaktora w ilości 1 l/min. Czas trwania obróbki plazmą wynosi 200 min.

Na szlifie metalograficznym widać warstwę borków średniej grubości 42 pm. Mikrotwardość wynosi 1800 HV_{0 05}. Strefa wolna jest od FeB.

Przykład 2. Po wprowadzeniu do reaktora próbki z hasteloju B (stop niklu z 64% niklu, 28% molibdenu, 5,5% żelaza i 1,25% kobaltu) nastąpiło nagrzanie jej w plazmie pochodzącej z wyładowania jarzeniowego prądu stałego i przy stałej częstotliwości impulsowania (4 kHz). Za pomocą wyładowania plazmowego przy ciśnieniu 10 · 10² Pa, próbka została nagrzana do temperatury 850°C. Gęstość mocy sterowana była przez zmianę szerokości impulsów. Nagrzewanie próbki nastąpiło wyłącznie za pomocą wyładowania jarzeniowego. Nagrzewanie i ochładzanie próbki następowało w mieszaninie argonu i wodoru o stosunku 1:1. Po osiągnięciu temperatury obróbki do nośnia boru dodano trójchlorku boru tak, że powstała mieszanina chemicznie czynna o składzie 45% obj. wodoru, 45% obj. argonu i 10% obj. trójfluorku boru. mieszaninę gazów doprowadzano do reaktora w ilości 1 l/min. Czas trwania obróbki wynosił 240 min.

Na szlifie metalograficznym widać warstwę borków średniej grubości 50 pm. Mikrotwardość wynosiła 2400 HV0 05.

181 781

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz

Cena 2,00 zł.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania na metalicznych powierzchniach materiałów warstw borków odpornych na ścieranie, znamienny tym, że trój fluorek boru stanowiący nośnik boru miesza się z wodorem i, korzystnie, z argonem oraz azotem, przy czym otrzymany gaz chemicznie czynny zawiera 1-35% obj. trójfluorku boru, a w tak otrzymanym gazie chemicznie czynnym, przeprowadza się za pomocą wyładowania plazmowego wodór molekularny w wodór atomowy w zakresie ciśnień 1 do 10 · 10² Pa.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że trójfluorek boru stanowiący nośnik boru miesza się z wodorem i, korzystnie, z argonem.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że trójfluorek boru stanowiący nośnik boru miesza się z wodorem i, korzystnie, z azotem.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się gaz chemicznie czynny zawierający 20-90% obj. H2.
5. 5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że gaz chemicznie czynny doprowadza się do przestrzeni reakcyjnej w ilości od 0,5 do 21 na minutę.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wodór molekularny przeprowadza się w wodór atomowy za pomocą wyładowania plazmowego w zakresie temperatur od 850°C do 950°C.
7. 7. Sposób według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że obróbkę plazmową przeprowadza się w czasie pomiędzy 30-240 min.