Теоретичні принципи формування боровмісних композитів на основі залізовуглецевих сплавів

Застосування бору як основний легуючий елемент для виготовлення зносостійких порошкових композицій на основі сплавів заліза обуславліваєтся цілим рядом його унікальних властивостей. Так, автори [45] вважають, що використання бору (разом з ванадієм, титаном, ніобієм і так далі) відкриває принципово нові можливості для отримання економнолегированних сталей, експлуатаційні характеристики яких у багатьох випадках не тільки не поступаються, але і перевершують рівень властивостей сталей, що отримуються із застосуванням традиційної системи легування. Вибір бору, окрім того, цікавий тим, що його евтектичні сплави із залізом мають, як правило, вищу температуру плавлення, ніж чавун, добре змочують твердофазне залізо, відновлюють оксиди і, що особливо цінно, схильні до гетерогенізації при взаємодії з іншими легуючими елементами.

Аналіз діаграми стану Fе - B (рис.2.10) показує, що введення бору значно знижує температуру плавлення заліза; що знаходиться в лівій частині діаграми стану евтектика, що складається з α-Fe і бориду Fe₂В, має мінімальну в системі Fe-В температуру плавлення - 1200 ⁰С

Рисунок 2.5. - Діаграма стану системи Fe – B

Борид заліза, як вказують автори [53], характеризується високою твердістю, зносостійкістю, жаростійкістю і корозійною стійкістю. Ці властивості бориду заліза використовують, зокрема, для поверхневого борування сталей в газовій, рідкій або твердій борвмісній фазі [55, 56].

Аналіз теоретичних уявлень про механізм легування металів бором вказує на несприятливі умови впровадження і заміщення заліза бором при боруванні, оскільки для цього потрібна в 300 разів більше енергія деформації ніж, наприклад, для впровадження в залізо атомів вуглецю [55].

В той же час, в евтектичних сплавах металів групи заліза з бором відбувається утворення боридних з'єднань при вельми низьких енергетичних витратах і температурах ( DТ = Т_пл. - Т_эвт. = 300 ¸ 400 ⁰С) [56]. Відмічені закономірності приводять до висновку про можливість використання тиких чинників для вибіркового легування заліза, яке полягає в тому, що при формуванні композиційних матеріалів на його основі в процесі спікання проводиться переважне насичення бором і боридоутворюючими елементами лише евтектичною складовою композиту. Така можливість досягається завдяки низькій розчинності бору в залізі (до 0,08 %) [45] при високому коефіцієнті відношення діаметру їх атомів d_В/d_Fe = 0,76 [55], внаслідок чого дифузії бору з рідкої фази в залізний каркас аж до його плавлення ускладнюється і практично весь бор витрачається на утворення боридних з'єднань в евтектичній фазі з утворенням істотно гетерогенної структури формуємого матеріалу.

Згідно діаграми стану системи залізо - бор [45] в цікавій для практичного застосування її частини утворюються два боридних з'єднання Fe₂В та FeВ.

Напівборид заліза Fe₂В утворюється при змісті бору 8,84 % (мас.). Він має тетрагональну просторово-центровану кристалічну гратку з параметрами а = 5,109 10^{-10 м, с = 4,249 10-10 м і відношенням с/а = 0,832. Піктометрична щільність} Fe₂В знаходиться в межах 6,93 до 7,30 г/см³, температура плавлення 1410 ⁰С.

При еквімолярному відношенні компонентів в даній системі утворюється моноборид заліза FеB з масовим вмістом бору 16,25 %. Він має ромбічну структуру; параметри його грат рівні: а = 4,061 10^{-10 м, в = 5,506 10-10 м, с = 2,952 10-10 м,} піктометрична щільність від 6,47 до 6,8 г/см³ і температура плавлення 1650 ⁰С [45]. При цьому, моноборид є стійкішим, ніж напівборид заліза.

При утворенні бориду заліза атом металу прагне до захоплення валентних електронів бору і заповнення ними 3d-полосы заліза, у зв'язку з чим щільність станів в d-полосе збільшується із зростанням вмісту бору в бориді. Це приводить до перерозподілу валентно-активних електронів між зв'язками різних типів таким чином, що загальна міцність міжатомного взаїмодествія збільшується в результаті посилення ковалентного зв'язку В - В. Одночасно з переходом від Fe₂В до FеB змінюються властивості бориду заліза: збільшується питомий електричний опір і температура плавлення, зростають мікротвердість і модуль пружності [45].

Структурні особливості будови граток бориду заліза обох типів, ізольованість атомів бору в гратах бориду FеB обумовлює їх специфічні властивості, зокрема високу твердість, тугоплавкість і електропровідність.

Висока мікротвердість бориду (близько 15000 і 20000 МПа відповідно) зумовлює також їх високу крихкість. Твердість бориду і її збереження до високих температур 850 - 900 ⁰С обумовлена енергетичною стабільністю. Легуючі елементи - молібден, вольфрам, марганець і хром, підвищують твердість бориду Fe₂В, а алюміній і мідь, навпаки, знижують, тоді як на твердість бориду FеB легуючі елементи впливають слабо [55]. Найбільш висока твердість бориду досягається тоді, коли хімічний зв'язок атомів з бором здійснюється електронами, що належать переважно атомам заліза, а атоми бору переходять в стан позитивно заряджених іонів. Зменшення енергії відбувається при зростанні концентрації нелокалізованих електронів за рахунок їх розпушуючої дії [54]. По міру збільшення частки нелокалізованих електронів різко підвищується крихкість боридних з'єднань. При цьому крихкість бориду FеB вища, ніж Fe₂В.

Легуючі елементи, що ослабляють сили міжатомного зв'язку (алюміній, мідь, нікель) зменшують крихкість бориду FеB, а хром, марганець, молібден і вольфрам - збільшує її [57].

Очевидно, що істотний вплив на властивості спеченого композиційного матеріалу надає склад боровмісног легуючого сплаву, використовуваного для введення в початкову шихту бору. За даними роботи [56] найбільш поширеними в світовій практиці боровмісними легуючими сплавами є феробор (12 - 20 % B; 2% Si; 2% Al; 0,10% C) і силікобор (2 - 3 % B; 40 - 45 % Si; 0,2 % Al; 0,05% C). Проте, враховуючи відсутність промислового виробництва порошків вказаних сплавів, а також наявність в їх складі часто небажаних сторонніх складових (Si, Al), в якості основного борвмісного легуючого сплаву прийнято використовувати карбід бору.