Синтез боридов железа в вакууме из реакционных обмазок под воздействием электронного пучка

Борирование поверхности металлов и сплавов улучшает прочностные свойства (прочность, износостойкость, твердость, пластичность, коррозионная стойкость и т.д.), что позволяет увеличивать срок службы и повысить надежность работы различных деталей машин и инструментов [1]. Борированию можно подвергать практически все сплавы на основе железа, но при этом следует учитывать, что химический состав борирующих компонентов существенно влияет на строение и глубину слоя [2]. Сопоставление свойств боридов со свойствами карбидов и нитридов показывает, что бориды обладают более высокими показателями твердости, стойкости против окисления при высоких температурах, а также износостойкости [3].

Существует множество методов и способов насыщения бором поверхностных слоев. В настоящее время все больший интерес вызывают электронные и плазменные методы как средство модификации структурных фазовых состояний и поверхностных прочностных свойств металлических материалов [4]. Одним из вариантов обработки электронным пучком является электронно-лучевое борирование. Для этой технологии характерно использование термореагирующих по- рошковых смесей, в которых возможна реализация самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [5] и процесс жидкофазного спекания с использованием продуктов синтеза. Электронный пучок используется и для инициирования СВС.

Работа направлена на описание электронно-лучевого борирования как метода упрочнения поверхности стали и термодинамическое моделирование процесса формирования слоев боридов железа в условиях вакуума.

Описание термодинамического моделирования

Термодинамическое моделирование в системе Fe-B-C-O 2 выполнено с использованием программного комплекса TERRA. Программа TERRA предназначена для расчета состава фаз, термодинамических и транспортных свойств произвольных систем с химическими и фазовыми превращениями. Расчеты проведены в температурном интервале 373–1873 К для общего давления в системе в диапазоне 10⁵–10^-3 Па. Исследовали возможные взаимодействия с участием Fe, Fe 2 O 3 , B 2 O 3 , B, B 4 C и C. В расчетах учитывали оксиды Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, B 2 O 3 , CO, CO 2 ; карбиды Fe 3 C, B 4 C и бориды Fe 2 B, FeB. Определены поля кристаллизации сосуществующих фаз, а также влияние температуры и давления на их поведение (рис. 1). Исследованы фазовые равновесия в системе Fe 2 O 3 -B-C.

Установлено, что температура начала образования боридов Fe 2 B и FeB зависит от общего давления в системе. Так, при давлении 10⁵ Па взаимодействие Fe 2 O 3 с различными борирующими компонентами (B 2 O 3 , B 4 C, В) начинается при температурах 1500-1600 К, а при давлении 10^-2-10^-3 Па температура снижается до 800 К.

Установлено, что температура начала образования боридов Fe 2 B и FeB зависит от общего давления в системе. Так, при давлении 10⁵ Па взаимодействие Fe 2 O 3 с различными борирующими компонентами (B 2 O 3 , B 4 C, В) начинается при температурах 1500-1600 К, а при давлении 10^-2-10^-3 Па температура снижается до 800 К.

Результаты и их обсуждение

Эксперимент проводился по методике [6]. Рентгенофазовый анализ показал, что в сформированных слоях синтезированы бориды железа FeB и Fe 2 B. Параметры кристаллических решеток: для FeB: α-Fe (метал. матрица) а = 0,2868 нм, α-Fe (кристаллы дендрита) а = 0,2821 нм; для Fe 2 B: α-Fe (метал. матрица) а = 0,2865 нм, α-Fe (кристаллы дендрита) а = 0,2859 нм.

Исследование строения сформированных слоев подтвердило наплавочный характер формирования слоев на основе боридов железа. Микроструктура показывает характер кристаллизации боридного слоя. На фотографиях, сделанных с помощью микроскопа МЕТАМ РВ-22 c программным комплексом NEXSYS Image Expert для обработки и анализа изображений, отчетливо видна граница между слоем и основой, а также наблюдается зона теплового воздействия электронного пучка. Толщина же всего слоя достигает 250 мкм.

Рис. 1. Изотермические разрезы в системе Fe 2 О 3 -B-C при давлении 10^-3 Па

Рис. 2. Микроструктура сформированных боридных слоев Fe 2 B из реакционных смесей Fe 2 O 3 :3B:3C

Исследование микротвердости полученных слоев показывают, что наибольшей твердостью отличаются бориды FeB, их микротвердость составляет в среднем 1200-1500 МПа. Микротвердость боридов Fe2B — 1100-1300 МПа. Отдельные частицы, расположенные на поверхности слоя наиболее твердые, микротвердость которых достигает 3000-3500 МПа. Толщина этого слоя достигает 10 мкм (рис. 2). Микротвердость измеряли при помощи микротвердомера ПМТ-3 по методу Виккерса. Исследование износостойкости выполнены на машине трения ЛТС. Износостойкость после обработки повысилась в 7-10 раз.

Представлен метод формирования боридов железа из реакционных обмазок с использованием электронного пучка как инициатора СВС. Проведен анализ тепловых процессов и рассмотрены фазовые равновесия в реакционных смесях, содержащих оксид железа Fe 2 O 3 , бор и углерод. Установлены наиболее оптимальные условия формирования боридов железа в вакууме при давлении 10^-3 Па. Температура образования фаз FeB и Fe 2 B K при таком давлении снижается до 800 K. Также исследованы прочностные характеристики полученных слоев боридов железа, которые констатируют увеличение на порядок микротвердости, износостойкости.

Работа выполнена в рамках государственного задания Института физического материаловедения СО РАН.