Obrabotka Metallov 2011 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (52) 2011 37 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б Рис. 3. Микроструктура зародышей боридного слоя в переходной зоне На рис. 3 представлены увеличенные фрагмен- ты фотографии подборидной зоны с зародышами боридной фазы, причем на рис. 3, а зерно перлита с зародышами расположено строго перпендикуляр- но плоскости шлифа, а на рис. 3, б – находится в плоскости шлифа параллельно. Анализируя данные фотографии, можно сделать вывод, что чем ближе прилегание цементита к боридному слою, тем более он фрагментирован вследствие разрушения его диф- фундирующими атомами бора. Цементит является метастабильной фазой, и легирование бором повы- шает его устойчивость, а также прочностные и стой- костные характеристики [8–11]. Таким образом, анализируя изображения микро- структуры, прилегающей к боридным иглам переход- ной зоны упрочненного слоя, можно сделать вывод о том, что преобладающим механизмом образования боридного слоя является реакционный механизм с промежуточной стадией образования борирован- ного цементита. В пользу реакционного механизма образования упрочненного боридного слоя может говорить также и изображение на рис. 4, которое по- лучено с помощью атомно-силового микроскопа в прилегающей к боридным иглам области. Сам же механизм образования боридных игл представляется следующим: при захвате атомов бора поверхностью железоуглеродистого сплава часть этих атомов реагирует непосредственно с железом с образованием моноборида железа FeB, однако эн- тальпия образования моноборида достаточно высо- ка, а твердый раствор бора в железе при температу- рах порядка 900…1000 ºС содержит не более 5 ат. % бора, поэтому преобладающим в данном случае будет механизм легирования цементита путем замещения атомов углерода бором вплоть до формулы цементита Fe(C 0,2 B 0,8 ). Высвобождаемый в результате реакции углерод оттесняется от фронта реакции вглубь спла- ва. По мере диффузии атомов бора к легированному цементиту весь углерод в нем оказывается замещен атомами бора – образуется бористый цементит Fe 3 B, который является неустойчивой фазой, и в конечном итоге распадается на моно- и гемиборид железа (FeB и Fe 2 B соответственно). Таким образом, фронт реак- ции постоянно смещается вглубь материала. Именно таким образом можно объяснить высокое содержа- ние углерода (строка 7 таблицы – 15,8 % углерода) в области зарождения боридных игл. а б Рис. 4. Микроструктура зародышей боридного слоя, полученная с помощью атомно-силового микроскопа: а – микроструктура в плоскости; б – объемная реконструкция микроструктуры Как видно из рис. 5, в жидком расплаве, в значи- тельной степени легированном бором, в равновесии находятся как карбобориды железа, так и гемиборид железа, а также τ-фаза, представляющая собой смесь карбоборидов железа, моно- и гемиборида железа [12]. По мере охлаждения сплава моноборид железа распадается на гемиборид, так как данное соедине- ние более устойчиво. В частности, как показано на рис. 5, б , при температуре 900 ºС, которая наиболее часто выбирается как оптимальная температура про- цесса диффузионного борирования, при значительном легировании углеродом наиболее вероятно существо- вание карбоборидов, легированных бором в различной степени, по сравнению с чистым цементитом. Кроме того, присутствие значительного количества углерода в насыщаемом сплаве сдвигает термодинамическое равновесие реакций взаимодействия железа с бо- ром в сторону образования гемиборида железа Fe 2 B.