» » Диаграмма состояния железо-бор
17.12.2014

Термические и микроскопические исследования показали, что растворимость бора, в γ-Fe возрастает с понижением температуры. Установлено, что бор снижает температуру превращения γ-Fe⇔α-Fe и насыщенный бором аустенит распадается на феррит и борид: γ-Fe⇔α-Fe+ борид (Fe5B2 при 713°С и Fe2B при 760°С).
Вебер и Мюллер на основании термического, микроскопического и рентгеноструктурного анализов более чистых сплавов (без вредных примесей углерода алюминия и кремния) предложили идеализированную диаграмму состояния. Растворимость бора, по данным этих Исследований, в δ-, γ- и α- железе лежит в интервале 0,1-0,15 вес.%. Показано, что температура γ⇔α-превращения (точка Aз) при 0,15% В повышается до 915°С, отвечающей равновесию перетектоидной реакции γ=Fe+Fe2B⇔α-Fe .
Установлено наличие в системе следующих боридных фаз: Fe2B (8,83 вес.% В ) и FeBi (16,23 вес.% В). На рис. 1 по результатам упоминавшихся исследований приведена диаграмма состояния системы Fe-В в несколько упрощенном виде. Согласно этой диаграмме, соединение FeB образуется в результате перетектической реакции при 1388°С. Соединение FeB существует в двух полиморфных разновидностях с температурой превращения α-FeB⇔β-FeB 1135°С. Фаза β - FeB плавится конгруэнтно при 1540°С.
Диаграмма состояния железо-бор

Полный литературный обзор данных по исследованию системы бор-железо выполнен авторами. Результаты большинства работ согласуются с приведенной диаграммой состояния в области с содержанием бора более 1% и расходятся в области составов с более низким содержанием бора.
Наиболее достоверная диаграмма состояния (рис. 2) в области малых концентраций бора (от 0 до 0,24%) построена по результатам более поздних и тщательных исследований системы. Растворимость бора в α-и γ-Fe приведена в табл. 1.
Диаграмма состояния железо-бор

Авторы высказали предположение, что бор образует с α-Fe твердый раствор замещения, с твердый раствор внедрения. Соединение Fe2B имеет тетрагональную объемноцентрированную решетку с параметрами а = 5,109 А, с = 4,249 А и с/а = 0,832. Соединение FeB- наиболее устойчивая фаза системы Fe-B в химическом и термодинамическом отношении. Низкотемпературная модификация (α-FeB) обладает ромбической структурой с параметрами а = 4,001, δ = 5,506, с = 2,652 А. Рентгенографическая плотность Fe2B cоcтавляет 7,32 г/см3, FeB = 6,7 г/см3. Твердость Fe2В и FeB равны соответственно 1680-1250 и 2340-1890 кГ/мм2.
Диаграмма состояния железо-бор

В железоуглеродистых сплавах бор образует фазу с кристаллической решеткой цементита. Атомы бора могут замещать 80% атомов углерода с образованием тройного соединения Fe3 C0,2 B0,8. Образование этого соединения обнаружено при борировании стали в слабонасыщенной среде. По изменению параметров решетки установлено, что бороцементит Fe3 (В, С), синтезированный из порошков железа, графита и бора, содержит 5,2% В, а полученный в поверхностном слое борированных серого и отбелённого чугуна, а также стали У10-2,2 вес.% В. При расплавлении смеси порошков бора, углерода и электролитического железа обнаружена карбоборидная фаза с кубической решеткой, в которой часть атомов углерода замещена бором. Отношение бора к углероду составляет 1:1. Соединению отвечает формула Fe23B3C3.
В легированных сталях бор может находиться в составе карбоборида типа Me23(C, B)6. Так, в борсодержащей стали 30Х2Н2ВА обнаружены карбобориды типа (Fe, Cr) (С, В) с несколько более высоким, чем в обычном цементите, параметром решетки, а также типа Me23(С, В)6 с параметрами элементарной ячейки, изменяющимися в пределах 10,80-10,62 А. Отношение содержания железа в данной фазе к общему количеству хрома и вольфрама в атомном выражении близко к 10,5, что позволяет считать ее фазой типа Ме21W2C6. Наличие в указанной стали карбидной фазы Fe21(W, Cr)2C6 с параметрами 10,81-10,52 А свидетельствует о том, что карбоборид Fe21(W, Cr)2(С,B)6 образуется за счет замещения части мест в решетке/ карбида Fe21W2C6, занимаемых атомами углерода, атомами бора с большим, чем у углерода, атомным радиусом, что сопровождается увеличением параметров решетки.
Близкое совладение атомных объемов урлерода и бора позволяет считать, что расположение бора как в α-, так и в γ-Fe должно повторять расположение атомов углерода в этих растворах и образовывать твердые растворы Внедрения. Вебер в Мюллер на основании рентгенографических данных выдвинули предположение, что бор образует с α-Fe твёрдый раствор типа замещения, так как наблюдали уменьшение постоянной решетки насыщенного бором железа. Шевелев, исследуя армко-железо с разным содержанием бора на основании уменьшения периоду кристаллической решетки, плотности сплава и интенсивности интерференционных линий рентгенограмм, пришел к аналогичному выводу. Базби и Уэлс, исследуя диффузию бора в α- и γ-Fe получила значения энергии активации бора в α-Fi, равное 62, и в γ-Fe 21 - ккал/моль. Сравнивая эти значения с данными диффузия углерода и азота, авторы полагают, что бор образует, в γ-Fe твердый раствор внедрения, а в α-Fe - твердый раствор замещения.
Энергия активации при образовании твердого раствора замещения выше, чем при образовании твердого раствора внедрения.
Вычисления, основанные на размерном факторе, показывают, что атомы бора, радиус которых 0,95 А, не могут разместиться в октаэдрических пустотах α-Fe, имеющего объемноцентрированную кубическую решетку, без значительного раздвижения шаров yпaковки, так как rв/rFe≈0,75 (rFe≈1,26 А), откуда следует, что бор может образовывать твердый раствор замещения в α-Fe и твердый раствор внедрения в γ-Fe. Однако имеются работы, основанные на измерении внутреннего трения, которые показывают, что бор, растворяясь в железе, образует твердый раствор типа внедрения. Наличие твердого раствора внедрения обусловливает пик на кривой внутреннего трения. Соответствующий бору пик небольшой высоты и имеет малую воспроизводимость.
Установлено, что при низких температурах бор образует в α-Fe твердый раствор типа внедрения. В области высоких температур, когда имеются вакансии, атомы бора замещают их. Показано, что, растворяясь в α-Fe, бор образует твердый раствор замещения. Соответствующий бору максимум в релаксационном спектре α-Fe связывают с наличием углерода и переориентацией пар В-С в поле напряжений. На образцах, чистых по углероду, пик на кривой внутреннего трения не обнаружен. Таким образом, можно предполагать, что в одно и то же время бор растворяется в α-Fe в зависимости от условий как по принципу внедрения, так и замещения.
В результате изучения структуры железобористых сплавов, содержащих 0,5-2% В, установлено, что они состоят из зерен твердого раствора бора в α- железе и боридсодержащей эвтектики, количество которой увеличивается с повышением содержания бора в сплаве. Для сплава с 0,5% В микротвердость эвтектики составляет 258, а твердого раствора - 155 кГ/мм2, для сплава с 2% В соответственно - 440 и 379 кГ/мм2.
При закалке железобористых сплавов сетка эвтектических боридов частично растворяется. Непосредственно к сетке боридов примыкает слой нераспавшегося γ-твердого раствора. Внутренняя часть зерна превращается в мелкоигольчатый мартенсит. Бориды, в противоположность карбидам, стабилизируют γ-твердый раствор и препятствуют его мартенситному превращению.