Физико-химические особенности формирования боррированного слоя (Исследовательский раздел дипломного проекта)

3 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

Физико-химические особенности формирования боррированного слоя

Распределение бора в поверхностном слое.

Взаимодействие  поверхности  изделия    с окружающей средой  происходит  в результате двух, противоположно действующих процессов:

-взаимодействия с окружающей  средой,  которое сопровождается  переходом  атомов бора из  окружающей среды  на  пверхность  изделия;   содержание  бора   при   этом повышается  до  равнвесной   концентрации;

-диффузии атомов (ионов) бора в глубь металла, которая обеспечивает образование  диффузионного слоя и понижает концентрацию  элемента па поверхности.

Первый   процесс  происходит  на границе  насыщающая среда-металл,  причем  активные  атомы  бора   поглощаются металлической  поверхностью.   Указанный   процесс можно   представить  как   внедрение  на  вакантные места решетки  металла   (имеющиеся  в  большом  количестве  на поверхности)   атомов  бора или  как  химическую  реакцию между атомами металла бора. В первом  случае  на   поверхности  образуется твердый раствор, во втором - химическое  соединение.

Второй процесс состоит в проникновении  диффузии адсорбирванных атомов  бора  в глубь металла.  Данный   процесс  возможен  при   высокой  температуре, об ее почивают ей достаточную тепловую  энергию атомов. Диффузия  обусловлена  стремлением  к  выравниванию концентрации,  так как  равномерное распределение соответсвует состоянию с  минимумом  свободной  энергии.

Вели  количество   внедренного  элемента,  поглощаемого единицей   поверхности  из  окружающей  среды   в  единицу  времени,  обозначить  через   ∆m_n ,а  его   количество, продиффундировавшее за тот  же  промежуток   времени  в глубь  изделия,  через ∆m_g,  то  в зависимости  от соотношения  между  этими  величинами  результаты  диффузионногонасыщения   получаются   различные.   При   ∆m_n <∆m_g, процесс     насыщения  невозможен. Маловероятно и  точное  выполнение  равенства  ∆m_n=∆m_g. При этом концентрация   внедренного   элемента  на   поверхности  не должна  изменяться  во  примени.

Для   нормального   процесса   дифузионного насыщения необходимо,   чтобы   количество   внедряемого   вещества  было  больше того,  которое отводится за  тот   же  промежуток  времени в глубь изделия в результате   диффузионных процессов.

При   упрощенном   рассмотрении можно   предположить, что концентрации на поверхности   всё времясохраняется  и  поддерживается  постоянной  на максимально возможном уровне,  который  определяется  условиями  равновесия  поверхности с окружающей  средой. Последнее возможно, если константа скорости взаимодействия окружающей  среды  с  насыщаемой  поверхностью  во много раз  больше коэффициента  диффузии. Однако,  как  правило,  концентрация внедряемогоэлемента  на  поверхности   не остается  постоянной   во  времени,  а зкономерно повышается с  большей  или  меньшей  скоростью: Возрастание твердости  борированного слоя с увеличением продолжтельности   процесса  диффузионного     насыщения как  раз и обусловливается  повышением  концентрации  бора во   времени.

Таким  образом,  при любом   процессе  диффузионного насыщения  концентрация  внедряемого  элемента  на  поверхности  всё время    возрастает и  при  этом  соблюдается неравенство ∆m_n >∆m_g,.

Представление о  распределении  бора  по сечению диффузионного  слоя дает изотермический  разрез диаграммы состояния    Fe₂B     при температуре  борирования. Если насыщение железа бором  происходит при температуре ниже перитектоидной,в нчальные моменты на    поверхности   образуется  твердый  раствор бора в α-Fe.

Рисунок 3.1 – Распределение бора по глубине диффузионного слоя

Так  как растворимость  бора  в феррите очень мала, то очень  скоро  достигается  предел насыщенияα-фазы и  на поверхности начинается образование следующей стабильной мри данной температуре фазы-борида Fe₂B. Дальнейшее  насыщение  бором   вызывает перестройку  тетрагональной  решетки  борида Fe₂B  в ромбическую  (FeB).  Таким  образом,  борированный  слой обладает таким  строением  (от поверхности  к основе),FeB-Fe₂B-α- основа.

При понижении темноратуры  α -фаза  частично  распадается  с выделением избыточной фазы Fe₂B. Аналогично протекает борирование при температурах выше перитектоидной. Вначале образуется    γ-фаза; после насыщения боромона теряет устойчивость и  превращается в Fe₂B,а при  дальнейшем  насыщении  на  поверхности образуется FeB.

При медленном охлаждении γ-фаза претерпевает претерпевает  превращение, распадаясь  на  α+ Fe₂B.

В слое после охлаждения  до  комнатной температуры фазы  расположены так: FeB- Fe₂B-( α+ Fe₂B_ИЗБ).