Спосіб одержання монофази бориду заліза fе2b в поверхневому шарі сталей і чавунів

Спосіб одержання монофази бориду заліза Fe2B в поверхневому шарі сталей і чавунів, що включає його борування в зовнішньому магнітному полі, який відрізняється тим, що борування здійснюють в квазіпостійному зовнішньому магнітному полі при напруженості 10-570кА/м з швидкістю утворення борованого шару товщиною від 1,1 до 2,8мкм за хвилину і температурі в межах 750950°С. (19) (21) 20041109215 (22) 10.11.2004 (24) 15.05.2006 (46) 15.05.2006, Бюл. № 5, 2006 р. (72) Дмитриченко Микола Федорович, Барилович Леонід Павлович, Ткачук Володимир Микитович (73) Національний транспортний університет (56) UA 40750 A, 15.08.2001 UA 24531 A, 21.07.1998 SU 749934 A, 23.07.1980 SU 1663044 A1, 15.07.1991 3 75824 4 полі. // Вісник НТУ і ТАУ №4. - 2000. = С. 9...24. ємодія іонів, утворення і переміщення дефектів Петров Ю.Н. "О дислокационном зарождении маркристалічних решіток, дифузійні процеси на повертенситаой фазы стали. Металлофизика. К. - Наухні і в об'ємі деталей, процеси сорбції) пов'язані, кова думка, 1974, вып. 54. - С. 54...56, вып. 55. - C. головним чином, зі зміною концентрації, обумов11...15]. леною дифузійним переносом частинок речовини, Сутність вказаних способів заключається в їх взаємодією, наступним утворенням не існуючих тому, що борування металевих деталей проводять раніше зв'язків між атомами. На цій основі відбубез врахування швидкостей дифузійного насиченвається протікання хімічних реакцій. ня поверхневого шару бором і проходження хімічШвидкість протікання хімічних реакцій в заленої реакції між атомами бору і заліза. жності від часу, температури і концентрації" реагеНайбільш близькими по технічній суті і досягнтів складає кінетику процесу і описується матенутих результатах є способи борування, на які матичними залежностями, як закономірностями. одержані патенти України на винахід №10506 А Встановлено, що для проходження хімічних Спосіб борування сталевих і чавунних виробів, реакцій необхідний механічний співудар атомів №40807 А - Спосіб боруваня металевих деталей або молекул. Частота співударів визначає швидта А.с. СССР №1663044, С23C8/70,1991, БН №26. кість реакції". Вона пропорційна добутку концентЦі способи включають борування в магнітному рації реагентів [Канарчук В.Е. Основы надежности полі, яке призначено для збільшення швидкості машин. Изд. Наукова думка. - К. - 1982, - с. 245]. борування і одержання якісного борованого шару. Для складних послідовних реакцій кінетичне Істотними недоліками вказаних способів є те, рівняння швидкості реакції має вид: що вибір режимів магнітного поля здійснюють стиV = К2а (1 - ехр (-K1t) – К2z (1) хійно і швидкість утворення визначеної величини де: а - параметр кристалічної решітки; борованого шару не береться до уваги. Це привоz - складова вихідної концентрації реагенту; дить до нерівномірної товщини борованого шару Κ1 і К2 - константи швидкості послідовних реадеталі, утворення в ньому небажаної високоборикцій (проміжних і кінцевої); стої фазової складової, яка істотно знижує фізикоt - час реакцій вихідних речовин. механічні властивості деталей, утворення поверхЗ другої сторони швидкість процесу хімічного невих тріщин та відшарування борованого шару. перетворення описується рівнянням Арреніуса: В основу винаходу поставлено задачу одерEa V B exp (2) жати при боруванні монофазу бориду заліза Fe2B RT в поверхневому борованому шарі сталевих і чавуде: Ea - енергія активації; нних деталей машин і на цій основі підвищити в 3Τ- абсолютна температура; 5 раз фізико-механічні властивості, а саме: зносоR - універсальна газова постійна; стійкість, жаростійкість, антикорозійну стійкість. В - передекспоненціальний коефіцієнт, який Поставлена задача вирішується тим, що в показує загальне число зіткнень атомів способі одержання монофази бориду заліза Fe2B в (молекул) в одиницю часу; борованому шарі сталей і чавунів» який включає Ea борування в зовнішньому магнітному полі, згідно exp - доля активних зіткнень реакційне винаходу, борування здійснюють в квазіпостійному RT зовнішньому магнітному полі при напруженості 10здібних молекул (атомів). 570 кА/м з швидкістю утворення борованого шару Швидкість проходження реакцій залежить від товщиною від 1,1 до 2,8мкм за хвилину і темперавірогідності утворення необхідної орієнтації молетурі в межах 750-950°С. Це забезпечує керовакул при їх взаємодії, що виражається, як правило, ність процесом борування і одержання моно фази через ентропію активації S. Ентропія характерибориду заліза Fe2B та недопущення утворення в зує долю зіткнень, при яких атоми орієнтовані в металі високо бористої фази FeB, яка істотно знинеобхідному напрямку. Такий напрямок активно жує фізико-механічні властивості борованих детаутворює зовнішнє магнітне поле. лей. З врахуванням цього константа швидкості хіДля виявлення умов утворення монофази мічної реакції має наступну залежність. Fe2B був проведений аналіз кінетики Його формуEa S вання. Vx.p. Bn exp exp (3) RT R Відомо, що бориди представляють собою хімічні сполуки металу з бором. Тому вони можуть де: В - загальне число зіткнень атомів в одиутворюватися тільки шляхом хімічних реакцій при ницю часу (сек.); наявності певних умов і певного співвідношення n - показник, який враховує дію магнітного похімічних елементів, які повинні вступити в реакцію. ля на число зіткнень атомів, (n>1); В даному випадку для утворення Fe2B необхідно, S - ентропія активації. щоб поступило в металічну решітку матриці 8,84% Таким чином, як видно з наведених вище фобору, для утворення FeB - 16,25% В. Для накопирмул швидкість хімічних реакцій обумовлюється чення певної кількості бору в сталі чи чавуні повиенергією і ентропією активації, температурою та нен пройти певний інкубаційний період. Він залеконцентрацією вихідної речовини, яка дифундує в жить від кінетики проходження реакції і швидкості метал. дифузії бору в метал, яка обумовлюється темпеДля одержання монофази низькобористого ратурою, напруженістю магнітного поля, дефектабориду заліза необхідно вирівняти швидкості хіміми кристалічної решітки і т.ін. чної реакції взаємодії бору з залізом і дифузії атоФізико-хімічні процеси в металах (хімічна взамарного бору певної концентрації в метал, тобто 5 75824 6 пропустити в метал не більше 8,84% бору для йотемператури, діє додатково градієнт напружень, го взаємодії з залізом і утворенням фази Fе2В. градієнт електричного, чи магнітного поля, то диВ сплавах, які утворюють тверді розчини укофузія залежить також від величини цих градієнтів. рінення, діє, головним чином, міжвузельний мехаУмовою одержання монофази Fе2В є забезпенізм дифузії (борування, цементування, азотуванчення рівності Vx.p. = VД. ня). Тобто, якщо швидкість хімічної реакції для Згідно закону Фіка концентрація атомів дифускладних процесів при умові утворення необхідної ндуючої з поверхні у внутрішній об'єм речовини орієнтації атомів під впливом магнітного поля доможе бути виражена формулою: рівнює: Ea S 2 q x Vx.p. Bn exp exp C exp (4) RT R 4Д t Д t то можна записати для складних реакцій: де: q - кількість речовини, що дифундує в поверхневий шар тіла в початковий період; t - час дифузії (t>0); Д- коефіцієнт дифузії; x - плинна координата. Узагальнений коефіцієнт дифузії має вигляд: Еa Д Д0ехр (5) kT де: Ea = Ev + Em - сумарна енергія активації процесу утворення дефектів (вакансій і міжвузельних атомів). Ev = Hv - SvT Em = Hm - SmT k - постійна Больцмана. Sv Sm Д0 za 2 0 exp (6) 6 k za 2 0 - частотний фактор; 6 0 - Ейнштейнівська частота теплових коливань атомів біля положення рівноваги, 1013 Гц; а - параметр кристалічної решітки. Таким чином, узагальнений коефіцієнт дифузії буде мати вид: Hv Hm Д Д0ехр (7) kT Ентропія активації є мірою числа атомів, які одночасно приймають участь в елементарному акті дифузії і, таким чином, в хімічній реакції. Як видно з формул 6 і 7 коефіцієнт дифузії Д експоненціальне залежить від температури. Коефіцієнт Д0 від температури не залежить. Температурна залежність коефіцієнта поверхневої дифузії для конкретного матеріалу і поверхні аналітичне виражається аналогічно коефіцієнту об'ємної дифузії (формула 7). Якщо на систему, крім градієнту концентрації і Комп’ютерна верстка М.Клюкін Bn exp Ea S exp RT R Д0ехр Hv Hm kT (8) або Bn exp Ea S exp RT R za 2 0 exp 6 S exp k H kT (9) де: а - параметр решітки металу; z - концентрація бору на вихідному етапі реакції. Ліва частина рівняння представляє швидкість проходження хімічної реакції утворення монофази борида заліза, права - швидкість дифузії бору з поверхні в метал. Як видно з формули 9, як в ліву, так і в праву частини входить температура та ентропія. Обидві ці частини описують експоненціальний закон зміни швидкості хімічної реакції і дифузії. Запропонований спосіб проводять наступним чином: 1. Визначають кількість вихідної речовини (бору) і об'єм системи. 2. Вибирають температуру борування. 3. Розраховують ентропію. 4. Розраховують ентальпію. 5. Визначають концентрацію бору в боратній суміші в початковий і кінцевий періоди. 6. Розраховують енергію активації процесу при вибраній температурі. 7. Розраховують ліву і праву частину рівняння. 8. Порівнюють, роблять корективи температури і беруть її, як робочу, при проведенні експериментів і робіт за зміцненням деталей. Використання запропонованого способу одержання монофази бориду заліза Fe2B в борованому шарі деталей машин із сталей і чавунів дозволяє істотно підвищити міцність, зносостійкість, жаростійкість та антикорозійну стійкість сталевих та чавунних деталей машин. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601