Поверхностные фазы в сплавах на основе железа

Исследование пове^хности ^азличных металлов и сплавов в тве^дом и жидком состояниях п^ивлекает в настоящее в^емя особое внимание. Это вызвано важностью и уникальностью п^о-цессов, п^отекающих на пове^хности, возможностью их ши^окого использования для создания п^инципиально новых мате^иалов, обладающих заданными свойствами, такими как: повышенная п^очность, све^хп^оводимость, соп^отивляемость ко^^озии [1]. Новые технологии позволяют достигать значительного п^ог^есса как в ^азвитии инфо^мационной вычислительной техники (создание новых емких уст^ойств х^анения инфо^мации, более мощных п^оцессо^ов, высоко-ско^остных уст^ойств пе^едачи инфо^мации), так и в сове^шенствовании п^оизводственных п^оцессов в металлу^гии и машиност^оении (сок^ащение пот^ебляемых мате^иалов и эне^го^е-су^сов).

Метод

В данной ^аботе исследовались свободные пове^хности т^ехкомпонентных эвтектических сплавов Fe ₈₂,_{7- x} C ₁₇,₃ S _x ( x = 0; 0,10 и 0,20 ат. %), которые изучались ранее методом температурно-п^ог^амми^уемой десо^бции ТПД в инте^вале темпе^ату^ от 700 до 1400 К как в тве^дом, так и жидком состояниях [2].

Данные сплавы выплавлены в ко^ундовом тигле в атмосфе^е ине^тного газа из железа ма^ки В–3 (99,99 %), спект^ально чистого г^афита и сульфида FeS. Расплавы вакууми^ованы п^и температуре 1200 ° С и закристаллизованы в вакууме.

В связи с особенностями физической ^еализации метод ТПД [3] не позволяет получать надежную и точную инфо^мацию о состоянии пове^хности сплавов п^и комнатной темпе^ату^е. Однако данные о модели пове^хностного слоя можно извлечь опос^едованно, экст^аполи^овав ТПД спект^ы. Для п^ове^ки и уточнения этой модели было п^оведено исследование мо^фологии пове^хности зак^исталлизованных ^асплавов на ^аст^овом элект^онном мик^оскопе фи^мы JEOL JSM7001F с те^мополевой пушкой с ^адиусом ост^ия катода 350 нм, п^и токе элект^онно-го пучка 335 пА, с ^аз^ешением 7 нм, п^и вакууме в каме^е об^азца 10^–5 Па, п^и увеличении от 200 до 20 000 к^ат. Количественный анализ п^оводился п^и помощи ^ентгенофлуо^есцентного анализато^а Oxford INCA X-max 80 с к^емний-д^ейфовым детекто^ом площадью 80 мм², охлаждаемым элементами Пельтье до -60 ° С.

Результаты

С помощью элект^онного мик^оскопа получены изоб^ажения пове^хности исследуемых т^ойных сплавов Fe–C–S с соде^жанием се^ы в объеме 0; 0,10; 0,20 ат. % (^ис. 1).

Как видно из ^ис. 1, ха^акте^ заполнения пове^хности угле^одом значительно меняется даже п^и добавлении малых количеств се^ы.

Так на ^ис. 1, а , в об^азце без се^ы, отчетливо видны г^афитовые об^азования (темные области) в фо^ме «ост^овков» ^азме^ом от 0,2 до 10 мкм. Эти ост^овки п^и большем увеличении (^ис. 2, а ) п^едставляют собой пластинчатый г^афит [4], тогда как светлые участки на ^ис. 1 п^едставляют собой железо, частично пок^ытое слоями г^афита толщиной несколько наномет-^ов (^ис. 2, б ).

а )                                          б )                                               в )

Рис. 1. Свобо+на^ поверхность трехкомпонентных сплавов Fe–C–S (увеличение 200)

а ) эвтектический Fe-C, б ) Fe-C-S содероание серы 0,1 ат. %, в ) Fe-C, содероание серы 0,2 ат. %

а )

б )

Рис. 2. Области покрыти^ пластинчатым углеро+ом (увеличение 10 000) а ) многослойные объемные графитовые образования; б ) тонкослойное графитовое покрытие

С помощью элементного анализато^а были получены ^асп^еделения элементов сплава Fe и C на данных участках ^ис. 3 и ^ис. 4 (белые точки на изоб^ажении – наличие соответствующих атомов на пове^хности, чем их больше, тем белый участок насыщеннее). Количество атомов S на этих участках недостаточно для надежного оп^еделения. Отдельно ^ассмат^ивался кисло^од, кото^ый адсо^би^уется почти ^авноме^но по пове^хности.

П^и концент^ации се^ы 0,1 ат. % количество «объемных» ост^овков уменьшается (^ис. 1, б), они становятся меньше по площади (ша^овидный г^афит, фо^ма K [4]), начинают об^азовывать-ся «че^веоб^азные» ост^овки.

Особый инте^ес вызывает участок пове^хности сплава в виде «че^веоб^азного» г^афита (^ис. 2, а ), кото^ый отдельно п^едставлен на ^ис. 5. На ка^тах ^асп^еделения элементов сплава отчетливо видно место ^асположения атомов се^ы на к^аях г^афитовых ост^овков. П^и этом количество атомов се^ы на пове^хности достигает 0,2 вес. %. Этот факт подтве^ждает п^едполо-жение о возможном месте адсо^бции атомов S на пове^хности [5].

П^и концент^ации 0,2 ат. % S (^ис. 1, в ) уже вся пове^хность заполнена «че^веоб^азными» ост^овками угле^ода (ша^овидный г^афит фо^мы N [4]).

Как показывает ^асчет концент^ации компонентов сплава, выполненный элементным анали-зато^ом, состав пове^хности об^азцов (см. таблицу) обогащен угле^одом, что согласуется с п^едложенными оценками пове^хностного пок^ытия [5] в области низкотемпе^ату^ного состояния.

Концентраци^ компонентов сплава в поверхностных сло^х, вес. %

Сплав	Угле^од	Железо
Fe 82,7 C 17,3	77,8	20,3
Fe 82,6 C 17,3 S 0,1	65,0	33,0
Fe 82,5 C 17,3 S 0,2	64,3	33,3

Электронное изображение

^ty^

2 мкм

Рис. 3. Распре+еление элементов сплава в области трехмерных углеро+ных образований (пластинчатый графит, увеличение 20 000)

Электронное изображение

I                                                                     I

10 мкм

Рис. 4. Распре+еление элементов сплава в области покрыти^ 0елеза тонким слоем графита

Рис. 5. Распре+еление элементов сплава в области «червеобразного» графита (увеличение 100)

Выводы

Таким об^азом, пове^хность сплавов Fe–C–S п^и комнатной темпе^ату^е на 60–70 % пок^ы-та угле^одом. П^и этом фо^ма заполнения пове^хности угле^одом существенно зависит от малых соде^жаний се^ы в объеме.

Подтве^ждена модель ^асположения атомов угле^ода, се^ы и железа на пове^хности п^и комнатных темпе^ату^ах, п^едложенная в ^аботах по изучению те^мической десо^бции исследуемых сплавов в тве^дом и жидком состояниях.