Структуроутворення при спіканні композиції на базі сплаву на основі заліза з карбідом бору

 

Карбід бору належить до з'єднань, легко диссоціюючих у контакті з залізом при порівняно невисоких температурах [67]. В цьому випадку він є джерелом атомарного бору і вуглецю, які при взаємодії із залізом утворюють тверді з'єднання, що зміцнюють матеріал. У зв'язку з цим існує можливість конструювання спечених матеріалів на основі порошкової суміші сплавів заліза і карбіду бору. Використання В₄С як легуючого елементу повинне привести до утворення карбідів і бориду заліза при спіканні, причому від їх кількості і

 

морфології в значній мірі залежатимуть властивості спечених матеріалів. Оскільки В₄С - з'єднання порівняно бідне вуглецем, можна розраховувати на достатньо однорідний розподіл карбідів за об'ємом, тоді як з'єднання бору із залізом можуть локалізуватися поблизу джерела дифузії або зароджуватися на дефектах структури зважаючи на горофільні властивості бору. Це створює певні передумови для керування структурою матеріалів.

Аналіз теоретичних уявлень про принципи взаємодії залізної матриці з бором [67] дозволив припустити наступний механізм процесів структуроутворення сплавів при спіканні.

На початковому етапі при нагріві до 1100 ⁰С ще до початку дифузії бору в залізну матрицю частинки B₄С втрачають зв'язок із залізною основою, оскільки коефіцієнти термічного розширення Fe і B₄С сильно розрізняються (a_Fe = 23,0 × 10^-6 К^-1 [162]; a_B4C = (4,5¸6,3) × 10^-6 K^-1 [163]). Об'єм пори, в яку поміщена частинка B₄С, зростає за рахунок релаксації напруги пресування, а також унаслідок збільшення тиску газів в порі. Не дивлячись на втрату контакту між залізною основою і B₄С при 1000 ¸ 1100 ⁰С починається утворення нової фази бориду заліза в околиці частинки карбіду бору. При цьому, слід зазначити, що зважаючи на відсутність розплаву в системі Fe - B - C в інтервалі температур до 1100 ⁰С [66] дифузія бору через рідку фазу виключається. Термодинамічна оцінка швидкості випаровування бору з B₄С і транспорту до поверхні заліза через газову фазу, проведена в [67], показує, що ці процеси також не можуть пояснити експериментальну інтенсивність зростання бориду заліза, що спостерігається.

В той же час, слід врахувати, що в технічному B₄С міститься 2 ¸ 3 % (мас.) оксиду бору [67], основна маса якого в процесі спікання міститься в порі у вигляді розплаву. Така мала відносна кількість оксиду бору робить маловірогідним механізм дифузії бору до залізної матриці через розплав B₂О₃, проте не заперечує можливість газофазного транспорту з'єднань бору на поверхню заліза з подальшим їх розкладанням і утворенням атомарного бору [66], оскільки частина оксиду бору знаходиться в газоподібному стані і в об'ємі пори існують рівновага між газоподібним і рідким B₂О₃. При цьому, на поверхні частинки B₄С можливі наступні реакції:

4B2О3+ B4C Û 6 B2О2 + C	(2.1)
B2О3+ С Û CО + B2О3	(2.2)

Молекули B₂О₃ транспортуються через газову фазу до поверхні заліза, адсорбцируются на ній і диссоціюються по реакції:

3B2О3 Û 2 B2О3 + 2В

(2.3)

Атоми бору, що утворюються, дифундують вглиб заліза, сприяючи прискореному дифузійному зростанню боридного шару FeВ - Fе₂В на стінках пори, а молекули B₂О₃ транспортуються до поверхні частинки B₄С, де знов вступають в реакцію. В той же час, деяка частина вуглецю відповідно до рівняння (2.1) у вигляді частинок графіту виділяється усередині пори.

Підвищення температури спікання понад 1100 ⁰С приводить до утворення в системі Fе – C – B рідкої фази [64], що зумовлює зміну механізму структуроутворення [61]. При цьому, контактне плавлення відбувається на межі контакту сталевої матриці з карбідом бору, що викликає формування прошарку рідкої фази. Карбід бору розчиняється в рідкій фазі:

B4C Û 4B + C

(2.4)

з утворенням на межі Fe-рідка фаза бориду заліза

Fe + B Û Fe B	(2.5)
2Fe + B Û Fe2 B	(2.6)

або цементиту по реакції

3Fe + C Û Fe3C

(2.7)

При цьому, слід зазначити, що оскільки при розчиненні 1 молю B₄С утворюється 1 моль вуглецю і 4 моля бору, початковий склад рідкої фази близький до складу крапки А (рис.3.8) діаграми Fе – C – B, у зв'язку з чим на поверхні пори вірогідніше утворення шару Fe₂В. По міру розчинення частинки B₄С на поверхні Fe₂В формується шар FеB, надлишок вуглецю виділяється у вигляді графіту, а на поверхні частинках g-Fe, що утворилися з рідкої фази, формується бороцементит Fe₃(C,В). Склад рідкої фази, рівноважної з бороцементітом, знаходиться в межах 6 – 11% B і 13 – 14 % (ат.) С (лінія ВС, рис.2.6). Термодинамічний аналіз процесу показує [61], що вміст вуглецю в розплаві при зростанні Fe₂В збільшується достатньо швидко, і на ділянці ВС діаграми Fе – B – C рідка рідка фаза знаходиться відносно малий час, при якому встигає виділитися невелика кількість Fe₃(C,В).

В той же час, зростання Fe₃(C,В) лімітується дифузією заліза через шар бориду Fe₂В і FеB.

З підвищенням температури після завершення розкладання частинки B₄С на межі графіту з FеB відбувається контактне плавлення, внаслідок чого розплав збагачується бором і його склад швидко приходить в район точки D

 

Рисунок 3.8 - Ізотермічний розріз діаграми стану Fe–C – B при 1100 ⁰С

 

діаграми Fе – B – C (рис.3.1), а незначна кількість карбоборида може виділитися тільки при охолоджуванні заготівки.