СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО БОРИРОВАНИЯ
PROCEDURE FOR PLASMA BORIDING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение касается способа получения износоустойчивых металлических поверхностей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
3
3
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 BCl и BF.
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.
3
3
Еще один способ борирования металлических поверхностей использует плазменный заряд для способствования переносу бора к металлической поверхности. Обычно способы плазменного борирования применяют диборан, BCl или BF, 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
4
4
4
4
3
4
2
3
+
+
+
+
Настоящее изобретение представляет способ борирования металлической поверхности. Согласно способам настоящего изобретения КВХ, в котором Х представляет собой галоген, представлен как источник бора. Применение КВХ имеет то преимущество, что это твердое вещество, которое является легкодоступным и простым в обращении. В некоторых вариантах осуществления КВХ вносится в твердой форме в присутствии борируемой металлической поверхности. Теплота подводится так, что КВХ выделяет газообразный ВХ, 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 КВХ. В некоторых вариантах исполнения одна или более активированных борсодержащих частиц включают, но не ограничиваются таковыми, В, ВХ, ВХ  и ВХ .
Применяемый в описании термин «борирование» относится к процессу внедрения борсодержащего слоя в металлическую поверхность.
+
+
+
+
2
3
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, ВХ  и ВХ , 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.
4
4
В некоторых вариантах исполнения каждый Х представляет собой хлор, и KBX представляет собой KBCl.
4
4
В других вариантах осуществления каждый Х представляет собой фтор, и KBX представляет собой KBF.
В некоторых вариантах исполнения настоящее изобретение представляет способ борирования металлической поверхности, включающий стадии:
4
(а) внесение КВХ, в котором каждый Х представляет собой галоген;
4
3
(b) нагревание КВХ при температуре, достаточной для высвобождения ВХ; и
3
(с) приложение плазменного заряда к ВХ 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:
4
(а) внесение КВХ, в котором каждый Х представляет собой галоген, в присутствии металлической поверхности;
4
3
(b) нагревание КВХ при температуре, достаточной для высвобождения ВХ; и
3
(с) приложение плазменного заряда к ВХ 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.
4
4
3
4
3
4
В других вариантах осуществления КВХ вносится в твердой форме в камеру, содержащую борируемую металлическую поверхность. КВХ нагревается для высвобождения ВХ. Плазменный заряд прилагается к противолежащей стороне камеры для создания плазмы, включающей одну или более активированных борсодержащих частиц. Температура, при которой КВХ нагревается, является достаточной для выделения из него ВХ. В некоторых вариантах исполнения КВХ нагревается при температуре от 700 до 900°С.
4
4
3
3
Количество КВХ, 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 КВХ с образованием ВХ имеет результатом повышение давления внутри реакционной камеры. Не вдаваясь в какую-нибудь конкретную теорию, представляется, что число молей образуемого газообразного ВХ может быть рассчитано путем измерения роста давления.
4
3
3
3
В некоторых вариантах осуществления газообразный водород вводится в камеру с КВХ и получаемым при его термическом разложении ВХ. Не вдаваясь в какую-нибудь конкретную теорию, представляется, что элементарный водород облегчает разложение ВХ на одну или более активированных борсодержащих частиц при воздействии плазменного заряда. В некоторых вариантах исполнения газообразный водород вводится в количестве, которое равно количеству высвобождаемого ВХ или составляет молярный избыток сравнительно с последним.
3
4
В некоторых вариантах осуществления газообразные ВХ 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. КВХ 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
4
4
3
2
Стальная деталь помещается в реакционную камеру вместе с 50 г KBF в тигеле из нитрида бора. Реакционная камера вакуумируется до давления 0,01 Па. Тигель нагревается до температуры 900°С, приводящей к разложению KBF с образованием BF. Газовая смесь H/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.