РАСПЛАВ ДЛЯ БОРИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ Российский патент 1995 года по МПК C23C8/68 

В настоящее время в качестве конструкционных материалов широко используются изделия из титана и его сплавов. Однако, высокая химическая активность титана приводит к снижению его физико-механических характеристик как следствие высокой степени коррозии. Поэтому в большинстве случаев для эксплуатации в агрессивных средах изделия из титана нуждаются в защитных покрытиях.

Эксплуатационные покрытия для защиты титана были впервые разработаны в ИХС РАН, в том числе покрытия, которые наносятся шликерно-обжиговым методом. Эти покрытия, состоящие из стеклообразных фритт, оксидного наполнителя и бентонита (так называемые стеклокерамические покрытия) предохраняют титан и его сплавы от коррозии в кипящей воде, паре до 450^оС, в некоторых кислотах покрытия обладают хорошими электроизоляционными свойствами.

Покрытия нашли применение в судостроительной и горно-металлургической промышленности.

Однако наряду с рядом достоинств стеклокерамические покрытия обладают и определенными недостатками, к ним относятся недостаточная механическая прочность и трудоемкость в изготовлении. Кроме того, при эксплуатации при высоких температурах защищаемый металл реагирует со стекломатрицей покрытий, что приводит к отслаиванию последних. Поэтому необходим более надежный метод защиты титана и его сплавов, каким может быть метод образования реакционно связанного слоя на поверхности метала.

В литературе описан способ вакуумного борирования титана аморфным бором при 1000-1400^оС. Толщина образующихся боридных слоев составляет 3-5 мкм. Метод вакуумного борирования требует специального технологического оборудования и не позволяет использовать изделия сложной конфигурации.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является расплав для борирования изделий из титана и его сплавов, который содержит буру и восстановитель, но не содержит активатора, обеспечивающего равномерную смачиваемость поверхности металла, в связи с чем полученное покрытие не обладает сплошностью и беспористостью, что в свою очередь не позволяет получить достаточную коррозионную стойкость изделий из титана и его сплавов.

Заявленное изобретение "Расплав для борирования изделий из титана и его сплавов" содержит буру, восстановитель и дополнительно активатор при следующем соотношении компонентов, мас. % : Бура 94,5-96,5 Восстановитель 3,0-5,0 Активатор 0,5-1,5
Расплав в качестве восстановителя содержит, по крайней мере, одно вещество из группы - алюминий, карбид бора, борид кобальта или борид молибдена.

Расплав, кроме того, содержит в качестве активатора нашатырь NH₄Cl и метафосфат натрия NaPO₃.

При использовании расплава буры легирующий элемент бор, содержащийся в связанном виде, переводится в активное состояние вследствие его восстановления неорганическим восстановителем, добавленным в расплав. Введение неорганического восстановителя и активатора в расплав буры служит для образования реакционно связанного ровного беспористого соя на поверхности титана.

В качестве неорганического восстановителя может быт использован алюминий, карбид бора, бориды кобальта и молибдена.

В качестве активатора используется нашатырь или метафосфат натрия, при этом качество боридного слоя одно и то же (табл. 1).

Известно применение неорганического восстановителя - алюминия при обработке железных конструкций методом безэлектролизного насыщения. При этом происходит сильный разогрев конструкции как следствие значительного экзотермического эффекта взаимодействия алюминия с кислородом. В заявляемом решении синтезируемый диборид титана требует для своего образования больших энергетических затрат (теплота образования диборида титана составляет 680 ккал/моль), что не приводит к сильному разогреву титана и его структурной деформации.

Заявляемый расплав для борирования может быть приготовлен и нанесен следующим образом. Прокаленная до 500^оС бура измельчается на шаровой мельнице с измельченными до такой же консистенции порошками алюминия и нашатыря. В ванну загружается взвешенное количество компонентов и защищаемая деталь таким образом, чтобы вся поверхность детали была покрыта смесью порошков. Ванна разогревается до требуемой температуры. После изотермической выдержки остатки буры удаляются кипячением в горячей воде.

Исследование металла, подвергнутого нагреву в ванне с помощью сканирующей электронной микроскопии, показало наличие на его поверхности беспористого слоя. Результаты рентгенофазового анализа и рентгенофотоэлектронной спектроскопии подтвердили образование на поверхности титана фазы диборида титана. Данные по микротвердости и по взаимодействию с соляной кислотой также дали положительный эффект.

Некоторые характеристики заявляемых материалов и интервалов составов компонентов и свойств реакционно связанного слоя на поверхности титана (микротвердость прототипа - титана - 150 кг/мм²) приведены в табл. 1.

Применение расплава для борирования титана и его сплавов по сравнению с известными расплавами обеспечивает следующие преимущества: на поверхности изделий из титана и его сплавов формируется беспористый слой диборида титана, обеспечивающий защиту от воздействия агрессивных сред (воздух, пар, вода, кислоты) получение боридных покрытий не требует дорогостоящего оборудования, позволяет формировать реакционно связанный слой на изделиях любой конфигурации путем использования ванн, шликеров, паст и т.д. отличается простотой производства, низкой стоимостью и недефицитностью сырья, пригодностью для многократного использования.

Влияние химической природы неорганических восстановителей на толщину и характеристики боридного соля приведено в табл. 2.

Расплав для борирования изделий из титана и его сплавов, содержит, мас. % : буру 94,5 - 96,5, восстановитель 3,0 - 5,0, активатор 0,5 - 1,5. В качестве восстановителя расплав может содержать по крайней мере одно вещество, выбранное из группы, содержащей алюминий, карбид бора, борид кобальта или борид молибдена, а в качестве активатора нашатырь или метафосфат натрия. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. РАСПЛАВ ДЛЯ БОРИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ, содержащий буру и восстановитель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит активатор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Бура - 94,5 - 96,5
Восстановитель - 3,0 - 5,0
Активатор - 0,5 - 1,5
2. Расплав по п.1, отличающийся тем, что он в качестве восстановителя содержит по крайней мере одно вещество, выбранное из группы алюминий, карбид бора, борид кобальта или борид молибдена. 2. Расплав по п.1, отличающийся тем, что он в качестве активатора содержит нашатырь или метафосфат натрия.