Новая технология борирования: быстрее, дешевле и экологичнее

Источник: phys.org

Нанесение на металлические изделия тонкого слоя бора резко повышает их прочность, устойчивость к износу и коррозии. Но из-за сложности и высокой стоимости процесса он используется не слишком широко. Изобретение специалистов Аргоннской национальной лаборатории (США) Али О. Э. Эрилмаза и Вивекананда Систа поможет в решении этой проблемы. Традиционно борирование происходит путем погружения деталей в нагретую порошковую смесь. Покрытие формируется за счет диффузии атомов бора в поверхность металла, процесс занимает 8-10 часов и идет при температуре +1 000°C. Новая печь работает по электрохимическому принципу. В каждой ячейке имеется три катода (к каждому из них можно прикрепить несколько деталей), четыре анода и жидкий электролит на основе буры (Na₂B₄O₇), распространенного природного минерала. Когда включается электрический ток, ионы бора мигрируют от анодов к катодам и оседают на прикрепленных к ним деталях.

На весь процесс требуется всего 15 минут, рабочая температура — +750°C. Покрытие получается более равномерным и прочным, чем при традиционной обработке, и не соскальзывает с металлической основы при экстремальных условиях использования. При этом экономия энергии составляет примерно 80-90%. А себестоимость слоя толщиной 100 мкм в расчете на 1 кг стали снижается с 75 до 40 центов. Новая технология более безопасна для окружающей среды — в процессе производства не образуются жидкие или твердые токсичные отходы, а также парниковые газы. Электролит не содержит опасных веществ, его не нужно выбрасывать — нужно только пополнять ячейки по мере его расходования. После традиционного борирования детали подвергаются пескоструйной или абразивной обработке для удаления крупных скоплений порошка. Бура нетоксична и растворима в воде, поэтому по новой технологии детали достаточно промыть.

Печь, созданная г. Эрилмазом и его коллегами, разделена на несколько камер разного размера, и вмещает в общей сложности около 17 637 кг электролита. Это действующий образец, полностью готовый к промышленному использованию. Печь может производить миллионы борированных деталей ежегодно. Изобретатели надеются, что их разработка поможет расширить область использования борированных металлов. Детали с таким покрытием могут найти применение в землеройной, горнодобывающей и сельскохозяйственной технике, везде, где металл находится в постоянном контакте с грязью, камнями и минералами. Также возможно изготовление борированных ортопедических имплантатов, уплотнителей для различных труб и насосов и многих других изделий. В будущем г. Эрилмаз планирует уменьшить рабочую температуру борирования до 500°C. Снижение температурного режима позволит наносить покрытие из бора не только на сталь и чугун, но и на цветные металлы — алюминий, магний, латунь, бронзу и пр.