СПОСОБ БОРИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ ДЛЯ ЭМАЛИРОВАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C23C8/42 C23D3/00 

Изобретение относится к области эмалирования стали, а именно к способу предварительной обработки поверхности стальных изделий для их дальнейшего эмалирования и может быть использовано при производстве стальных эмалированных изделий различного назначения и разнообразной конфигурации.

Известен способ низкотемпературного электролизного борирования стали (Ворошнин Л. Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. - М.: Металлургия, 1978. - 240 с.) в расплаве состава, мас.%:
Li₂CO₃ - 10 - 12
K₂CO₃ - 25 - 27
Na₂CO₃ - 20 - 22
Li₂B₄O₇ - 10 - 12
K₂B₄O₇ - 4 - 5
Na₂B₄O₇ - 6 - 7
Восстановителя - 25 - 15
заключающийся в приготовлении расплава, непосредственном проведении борирования изделий в тигле с расплавом при температуре 550 - 1050^oC в течение 2 - 10 ч, выгрузке изделий из ванны-тигля, их закалке, остывании и очистке от остатков расплава.

Недостатками данного способа являются: длительное (до 10 ч) применение высоких температур (до 1050^oC), использование большого количества реактивных материалов для получения расплава, а также необходимость закалки и дальнейшей очистки борированных изделий от остатков расплава.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ борирования в электролитах борсодержащих соединений (SU 678085 A, 05.08.79, Б.И. N 23), при котором борирование осуществляют в электролите, состоящем из водного раствора углекислого калия и глицерина с добавкой порошка карбида бора при следующем соотношении компонентов мас.%:
Углекислый калий - 5 - 15
Глицерин - 40 - 60
Карбид бора (зернистость N5 - 6) - 5 - 35
Вода - Остальное
при плотности тока 0,3 - 0,9 А/см², напряжении 180 - 220 В и температуре электролита 50 - 80^oC, поверхности образца 650 - 950^oC.

Однако к недостаткам данного способа можно отнести необходимость использования специальной установки, обеспечивающей необходимость регулирования электрических параметров процесса, а также использование энергоемкого высокотемпературного нагрева поверхности металлических изделий до 650 - 950^oC.

Задачей данного изобретения является создание такого способа борирования поверхности стали, который не требует дополнительной обработки металла (например, травления) перед его борированием, исключает использование высоких температур, электрического тока, специальных установок, а также редких и дорогостоящих реактивных материалов и может быть использован в качестве простого и не энергоемкого способа предварительной обработки поверхности стали при ее эмалировании стеклоэмалевыми покрытиями.

Технологический результат достигается тем, что нагрев поверхности стали осуществляют до 390 - 410^oC и непосредственное борирование проводят без применения электрического тока в электролите с температурой 18 - 25^oC, содержащем в мас.%: буру 3,0 - 7,0; боргидрит калия 0,4 - 0,6; воду остальное, после чего применяют промывку холодной водой и сушку при температуре 70 - 100^oC.

При осуществлении способа получения более качественного стеклоэмалевого покрытия на борированной поверхности в раствор электролита дополнительно вводят углекислый калий в количестве до 1,0 мас.%.

1. Следует отметить, что предварительный нагрев стальных изделий до температуры 390 - 410^oC приводит к значительной экономии энергетических ресурсов, в отличии от обычно применяемого при борировании металлов нагрева до 650 - 1050^oC.

2. По заявляемому способу проведение процесса борирования стали не требует дополнительного нагрева раствора электролита и происходит в электролите комнатной температуры (18 - 25^oC) без использования электрического тока и специальных установок, что также приводит к экономии энергетических материальных затрат.

3. Применение нового компонента в составе электролита, а именно добавка боргидрида калия (KBH₄) в количестве 0,4 - 0,6 мас.% позволяет интенсифицировать процесс борирования стали без применения электрического тока за счет того, что с введением боргидрита калия в растворе электролита увеличивается количество активного борирующего агента, чего нельзя достигнуть дополнительным введением известного компонента - буры, т.к. при введении буры более указанных 7 мас.% в растворе электролита выпадает осадок (из-за малой растворимости буры) и электролит становится непригодным для борирования стали.

4. Использование заявляемого способа позволяет расширить область применения борирования металлов, так как полученный в результате борирования стали по данному способу диффузионный боридный слой на поверхности стали позволяет, в дальнейшем, получать на ней качественные стеклоэмалевые покрытия.

Следовательно, предлагаемый способ борирования металла впервые позволяет использовать борирование стали как метод предварительной подготовки поверхности металла под его дальнейшее эмалирование. При этом, заявляемый способ является более эффективным, чем известные способы подготовки стали для ее эмалирования, так как данный способ позволяет исключить стадии обезжиривания, травления и нейтрализации поверхности металла при его двухслойном эмалировании, а также стадию никелирования (либо нанесения другой пленки) при его однослойном эмалировании. Кроме того, по предлагаемому способу борирования стали в растворе электролита впервые исключается использование электрического тока, пропускаемого через электролит; это компенсируется добавкой дополнительного борирующего агента (KBH₄), который и повышает эффективность процесса борирования.

Борирование стали по предлагаемому способу осуществляется по следующей технологии: приготовление раствора электролита осуществляется на водяной бане до полного растворения всех компонентов в воде с последующим остыванием электролита на воздухе; нагрев стальных изделий до температуры 390 - 410^oC с выдержкой при этой температуре 5 - 15 мин; непосредственно борирование разогретых изделий в растворе электролита предлагаемого состава в течение 10 - 15 мин. без использования электрического тока (температура раствора электролита 18 - 25^oC); промывка изделий в холодной воде; сушка борированных изделий при температуре 70 - 100^oC.

Пример 1. Для получения раствора электролита для борирования стали использовали реактивные материалы марок Ч, ХЧ, ЧДА: углекислый калий (K₂CO₃), буру (Na₂B₄O₇), боргидрид калия (KBH₄), а также питьевую или дистиллированную воду. Растворы приготавливали на водяной бане при постоянном помешивании до полного растворения компонентов, а затем остужали на воздухе. Устойчивость растворов не менее 30 суток.

Образцы стали типа 08кп, предназначенные для борирования и дальнейшего эмалирования, нагревали в муфельной печи до температуры 390^oC с выдержкой 5 мин, затем горячими опускали в подготовленный раствор электролита (температура раствора 18 - 25^oC), где выдерживали 10 мин. Затем борированные образцы тщательно промывали в холодной воде от остатков раствора электролита и высушивали при температуре 70 - 100^oC.

Состав раствора электролита для борирования стали был следующим, мас.%:
K₂CO₃ - 0,0
Na₂B₄O₇ - 3,0
KBH₄ - 0,4
Вода - Остальное
Образцы стали, борированные при указанных параметрах, имели чистую поверхность металлического серого цвета с легкой радужной побежалостью. При проверке под металлографическим микроскопом "NEOPHOT-21" при увеличении в • 1000 раз борированных образцов, обработанных затем в растворе пикриновой кислоты (химический метод цветного травления для выявления боридных фаз, описанный в работе Борисенко Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. и др. Химико-термическая обработка металлов и сплавов/Справочник. Под ред. Л.С. Ляховича. - М.: Металлургия, 1981. - 424 с.), выявлено, что боридный слой на поверхности стали, борированной по примеру 1, сплошной, без дефектов. При использовании борированных по указанному способу образцов стали для их дальнейшего эмалирования, на борированной поверхности получения однослойные стеклоэмалевые покрытия удовлетворительного качества, имеющие белок 48,7%, индекс прочности сцепления с борированной сталью H_ср. = 82,84% и термостойкость Δt = 340^oC.

Пример 2. Приготовление раствора электролита и борирование стальных образцов осуществляли по технологии, описанной в примере 1. Параметры проведения процесса борирования следующие: температура нагрева поверхности стали - 400^oC; выдержка при этой температуре - 10 мин; борирование горячих образцов в растворе электролита, имеющем температуру 18 - 25^oC, в течение 15 мин; состав раствора электролита, мас.%:
K₂CO₃ - 0,5
Na₂B₄O₇ - 5,0
KBH₄ - 0,5
Вода - Остальное
Полученные борированные стальные образцы имеют чистую поверхность цвета радужной побежалости. При борировании по данному способу на поверхности стали получен боридный слой, который также исследовали методом цветного травления в растворе пикриновой кислоты, имеющий абсолютную сплошность, без дефектов и позволяющий получить на поверхности борированной стали стеклоэмалевые покрытия, которые по химической стойкости, блеску, прочности сцепления и термостойкости отвечают всем требованиям ГОСТ 24788-81. При этом величина блеска - 55,0%, индекс прочности сцепления H_ср. = 96,34%, термостойкость Δt = 360^oC.

Пример 3. Приготовление раствора электролита и борирование стальных образцов осуществляли по технологии, описанной в примере 1. Однако, параметры проведения процесса борирования были следующими: температура нагрева поверхности стали - 410^oC; выдержка при этой температуре - 15 мин; борированные горячих образцов в растворе электролита, имеющем температуру 18 - 25^oC, в течение 15 мин; состав раствора электролита, мас.%:
K₂CO₃ - 0,5
Na₂B₄O₇ - 5,0
KBH₄ - 0,5
Вода - Остальное
Полученная поверхность борированных образцов была чистая, без посторонних включений и остатков раствора электролита, с интенсивной сине-радужной побежалостью. При проверке методом химического цветного травления боридный слой оказался сплошным, без дефектов. Полученные на нем стеклоэмалевые покрытия имеют блеск - 51,8%, индекс прочности сцепления H_ср. = 95,64% и термостойкость Δt = 340^oC, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 24788-81 к стеклоэмалевым покрытиям на стали.

Изобретение относится к способам химико-термической обработки. Способ борирования поверхности стали для эмалирования включает нагрев поверхности до 390-410^oC и непосредственное проведение борирования без применения электрического тока в электролите с температурой 18-25^oC, содержащем, мас.%: бура 3,0-7,0; боргидрид кадия 0,4-0,6; вода остальное, после чего применяют промывку холодной водой и сушку при температуре 70-100^oC, причем раствор электролита может дополнительно содержать углекислый калий в количестве до 1,0 мас.%. Технический эффект заключается в том, что данный способ позволяет получить на поверхности стали боридный слой, имеющий абсолютную сплошность, а также последующее эмалевое покрытие, которое по химической стойкости, блеску, прочности сцепления и термостойкости отвечает требованиям соответствующего стандарта. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ борирования поверхности стали для эмалирования, отличающийся тем, что осуществляют нагрев поверхности до 390-410^oC и непосредственное проведение борирования без применения электрического тока в электролите с температурой 18-25^oC, содержащем, мас.%:
Бура - 3,0-7,0
Боргидрид калия - 0,4-0,6
Вода - Остальное
после чего применяют промывку холодной водой и сушку при температуре 70-100^oC. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что раствор электролита дополнительно содержит углекислый калий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углекислый калий - До 1,0
Бура - 3,0-7,0
Боргидрид калия - 0,4-0,6
Вода - Остальное