SK282806B6 - Spôsob výroby boridových vrstiev na povrchy kovových materiálov odolných proti oteru - Google Patents

Abstract

Je opísaný spôsob výroby boridových vrstiev na povrchu kovových materiálov odolných proti oteru, ktorého podstata spočíva v tom, že sa ako nosič bóru zmieša aspoň jeden halogenid bóru zvolený zo skupiny zahrnujúcej fluorid boritý, bromid boritý a jodid boritý s vodíkom a prípadne s argónom a/alebo dusíkom na prípravu reakčného plynu, ktorý obsahuje 1 až 35 % objemových halogenidu bóru a takto získaná zmes sa pomocou plazmového výboja tak aktivuje, že sa umožní prechod bóru z plazmy na povrch kovu.ŕ

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobu výroby boridových vrstiev na povrchy kovových materiálov odolných proti oteru.

Doterajší stav techniky

Výroba boridových vrstiev odolných proti oteru sa vykonáva v praxi väčšinou pri použití pevných boračných materiálov, napríklad vo forme práškov, pást alebo granulátov.

Tieto spôsoby vyžadujú nevýhodne vysoké náklady na prácu pri balení, rozbaľovaní a čistení častí. Čistenie sa vykonáva pomocou kombinácie mytia a kefovania alebo vrhania. Vzhľadom na to, že prášky, pasty a granuláty sú iba raz použiteľné, vznikajú problémy tiež pri likvidácii spotrebovaného boračného činidla.

Okrem toho je známe tiež použitie kvapalných boračných činidiel, napríklad vo forme tavenín solí. Všetky tieto spôsoby sa však nedajú vykonávať vzhľadom na problémy, zásadne spojené so soľnými kúpeľmi so zreteľom na bezpečnosť použitia, čistenia dielov po spracovaní a likvidácii kúpeľov, prípadne ich produktov odbúravania.

V súvislosti s tým sa vykonávali rôzne pokusy boridácie s plynnými boračnými činidlami (postup CVD). Pri použití organických zlúčenín bóru (bórtrimetyl, bórtrialkyl) prebieha prevažne nauhlíkovanie namiesto borácie a pri použití dibóranu dochádza k bezpečnostné - technickým problémom kvôli jedovatosti a nebezpečenstvu explózie.

Použitie chloridu boritého ako bór poskytujúceho média sa nemôže presadiť na základe prevádzkových problémov pri tvorbe vrstvy. Pôvodom týchto problémov je tvorba chlorovodíka, nastávajúca pri borácii v zmesiach BC1₃ - H₂.

Pri borácii materiálov na báze železa pomocou chloridu boritého prebiehajú nasledujúce základné reakcie:

BC1₃ + 3 H₂ + 2 Fe-> 2 FeB+6 HCI

BC1₃ + 3 H₂ + 4 Fe -> 2 Fe₂B + 6 HCI.

Plynný chlorovodík, ktorý vznikol pri borácii pomocou chloridu boritého, reaguje so železom podkladového materiálu za tvorby ľahko prchavého chloridu železnatého:

HCI + Fe -> FeCl₂

Chloridy železa majú pri teplotách spracovania v rozmedzí 500 °C až 1200 °C, prichádzajúcich do úvahy pri použití, vysoké tlaky pár, takže dochádza k trvalému silnému odparovaniu chloridov železa. To vedie k tvorbe otvorov medzi boridovou vrstvou a podkladovým materiálom, čo sa už vytýkalo ako nedostatok pri BC1₃ - postupe. Potlačenie tvorby otvorov je možné iba vtedy, keď sa podarí pri začiatku borácie v priebehu krátkeho času vyrobiť tesne uzatvorenú boridovú vrstvu. To je prevádzkovo - technicky tak ťažké, že sa doteraz spoľahlivo a reprodukovateľné nepodarilo.

Okrem čisto termického variantu CVD - borácie sú známe tiež pokusy o boráciu, podporovanú plazmou (PACVD - borácia). Tu sa používal iba dibóran a chlorid boritý s nevýhodami, známymi už z termického postupu CVD. Súhrn známych postupov sa nachádza v Review „Engineering the Surface with Boron Based Materials,,, Surface Engineering 1985, Vol. 1, č. 3, str. 203 - 217.

Úlohou predloženého vynálezu je vypracovanie spôsobu výroby proti oteru odolných boridových vrstiev na ko vových materiáloch, ktorý by nebol zaťažený uvádzanými nevýhodami.

Podstata vynálezu

Uvedená úloha bola podľa predloženého vynálezu vyriešená vypracovaním spôsobu, ktorého podstata spočíva v tom, že sa ako nosič bóru zmieša aspoň jeden halogenid bóru zvolený zo skupiny zahrnujúcej fluorid boritý, bromid boritý a jodid boritý' s vodíkom a prípadne argónom a/alebo dusíkom na prípravu reakčného plynu, ktorý obsahuje 1 až 35 % objemových halogenidu bóru a takto získaná zmes sa pomocou plazmového výboja tak aktivuje, že sa umožní prechod bóru z plazmy na povrch kovu.

Reakčný plyn môže dodatočne obsahovať ako nosič bóru chlorid boritý.

Výhodne obsahuje reakčný plyn 5 až 20 % objemových halogenidu bóru, obzvlášť výhodne obsahuje 5 až 15 % objemových halogenidu bóru.

Výhodne obsahuje reakčný plyn 20 až 90 % objemových vodíka, obzvlášť výhodne obsahuje 20 až 50 % objemových vodíka.

Výhodne obsahuje reakčný plyn fluorid boritý.

Obzvlášť výhodne sa ako halogenid bóru použije fluorid boritý.

Reakčný plyn sa do priestoru spracovania privádza v množstve výhodne 0,5 až 2 1 za minútu, obzvlášť výhodne asi 11/min.

Borácia sa vykonáva výhodne za tlaku v rozmedzí 0,1 až 1,0 kPa za pôsobenia plazmového výboja, ako je napríklad známe zo zariadenia na poťahovanie za pôsobenia plazmy.

Potrebné teploty spracovania výhodne 400 °C až 1200 °C, obzvlášť výhodne 850 °C až 950 °C sa dosahujú pomocou samotnej plazmy alebo predovšetkým vo vysokoteplotnej oblasti nad 900 °C za podpory dodatočného vykurovania.

Výhodne je čas spracovania 30 až 240 minút, obzvlášť výhodne 30 až 120 minút.

Hrúbka boridovej vrstvy sa zvyčajne riadi časom spracovania, pričom so zvyšujúcim sa časom spracovania sa tiež zväčšuje hrúbka vrstvy.

Ako ďalšie plyny môže reakčný plyn obsahovať ešte argón a/alebo dusík. Tým sa dá riadiť aktivita prenosu bóru a dosiahne sa dostatočné ohriatie vzoriek plazmou. Zloženie reakčného plynu sa tak môže meniť v širokých medziach vždy podľa podmienok spracovania a boridovaného materiálu.

Spôsob podľa predloženého vynálezu je vhodný najmä na boráciu železných materiálov.

Pri spôsobe podľa predloženého vynálezu sa pomocou plazmového výboja prevedú molekuly vodíka, obsiahnuté v reakčnom plyne, na atomámy vodík. Atomámy vodík redukuje halogenid bóru (BY₃) a umožňuje tým prenos vodíka na povrch spracovávaného materiálu. Tento prenos je možné znázorniť pomocou nasledujúcej reakčnej schémy:

ΒΥ₃ + 3 H —> B + 3 BY

B + xMe -> Me_xB.

Je možné tiež prevedenie BY₃ na BY₂ pomocou plazmy, pričom potom môžu prebiehať nasledujúce reakcie:

BY₂ -> B + 2 BY₃

B + x Me -> Me_xB.

V nadväznosti na boráciu je možné podrobiť boridovaný materiál následnému spracovaniu, aby sa eventuálne vytvorený FeB premenil na Fe₂B. Toto sa môže napríklad dosiahnuť procesom žíhania v nadväznosti na spracovanie boráciou tak, že sa skončí prívod halogenidu bóru a spracovávaný materiál sa nechá ešte určitý čas pri teplote spracovania. Čas tohto difúzneho spracovania sa riadi podľa množstva prítomného FeB a je zvyčajne 20 až 60 minút.

Vykonávanie spôsobu podľa predloženého vynálezu môže prebiehať napríklad v známom zariadení, vhodnom na poťahovanie pomocou plazmy. Toto pozostáva v podstate z nasledujúcich komponentov:

- Z vákuového respicientu (reaktora) na podávanie spracovávaných dielov. Reaktor by mal byť vyhrievateľný a mal by dovoľovať prácu pri teplote v rozmedzí 400 °C až 1200 °C.

- Z čerpadlového systému na evakuáciu reaktora a nastavenie pracovného tlaku.

- Z plynom zásobujúcej jednotky na miešanie a dávkovanie reakčnej zmesi.

- Z napájania pulz - plazma - prúdom na výrobu a udržanie plazmového výboja vo vákuovom recipiente, pričom použitý výkon môže kolísať pulznou frekvenciou, prípadne pulznou šírkou v širokom rozmedzí.

- Zo systému neutralizácie plynu a likvidácie, ako i systému na riadenie a kontrolu prevádzkových parametrov, ktoré priebeh procesu riadia a kontrolujú.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob výroby boridových vrstiev na povrchy kovových materiálov odolných proti oteru, vyznačujúci sa t ý m , že sa ako nosič bóru zmieša fluorid boritý s vodíkom a prípadne argónom a/alebo dusíkom na prípravu reakčného plynu, ktorý obsahuje 1 až 35 % objemových halogenidu bóru a takto získaná zmes pri tlaku 0,1 až 1,0 kPa pomocou plazmového výboja prevedie molekulárny vodík na atomámy vodík a tento redukuje fluorid boritý a tým sa umožní prechod bóru z plazmy na povrch kovu.
2. 2. Spôsob podľa nároku 1,vyznačujúci sa t ý m , že reakčný plyn obsahuje 20 až 90 % objemových vodíka.
3. 3. Spôsob podľa jedného, alebo obidvoch nárokov 1 a 2, vyznačujúci sa tým, že sa reakčný plyn privádza do priestoru spracovania v množstve 0,5 až 2 1 za minútu.
4. 4. Spôsob podľa jedného alebo niekoľkých z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že sa reakcia vykonáva pri teplote v rozmedzí 850 až 950°C.
5. 5. Spôsob podľa jedného alebo niekoľkých z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že čas spracovania je 30 až 240 minút.

   Príklady uskutočnenia vynálezu

   Príklad 1

   Po vnesení vzorky z ocele 100Cr6 do reaktora sa vykoná zahriatie v plazme jednosmerného sľudového výboja konštantnej pulznej frekvencie (4 kHz) za tlaku 1,0 kPa. Zahriatie vzorky sa vykonáva prídavné cez vyhrievanie reaktora, čím sa čas zahrievania skráti. Zahrievanie a ochladzovanie vzorky sa vykonáva v zmesi argónu a vodíka 1 : 1. Po dosiahnutí teploty spracovania 850 °C sa nosič bóru fluorid boritý pridáva tak, aby vznikla reakčná zmes so zložením 45 % objemových vodíka, 40 % objemových argónu a 15 % objemových fluoridu boritého. Plynná zmes sa do recipientu privádza v množstve 1 1/min. Čas spracovania plazmou je 200 minút.

   Pri metalografickom výbruse sa zistila boridová vrstva so strednou hrúbkou 42 pm. Mikrotvrdosť je okolo 1 800 HV₀₀₅. Vrstva neobsahuje FeB.

   Príklad 2

   Po vnesení vzorky z Hastelloy B do reaktora sa vykonáva zahrievanie v plazme jednosmerného sľudového výboja konštantnej pulznej frekvencie (4 kHz). Pomocou plazmového výboja pri 1,0 kPa sa vzorka zahreje na teplotu 850 °C. Hustota energie sa riadi cez pulznú šírku. Zahriatie vzorky sa vykonáva výhradne cez sľudový výboj. Zahriatie a ochladenie vzorky sa vykonáva v zmesi argónu a vodíka 1 : 1. Po dosiahnutí teploty spracovania sa nosič bóru fluorid boritý pridáva tak, aby vznikla reakčná zmes so zložením 45 % objemových vodíka, 45 % objemových argónu a 10 % objemových fluoridu boritého. Plynná zmes sa privádza do recipientu v množstve 1 1/min, Čas spracovania je 240 minút.

   Pri metalografickom výbruse sa zistila boridová vrstva so strednou hrúbkou 50 pm. Mikrotvrdosť je okolo 2400 HVo.os.