» » Распределение бора в поверхностном слое
17.12.2014

Взаимодействие поверхности изделия с окружающей средой происходит в результате двух противоположно действующих процессов:
- взаимодействия с окружающей срецой, которое сопровождается переходом атомов бора из окружающей среды на поверхность изделия; содержание бора при этом повышается до равновесной концентрацин;
- диффузии атомов (ионов) бора в глубь металла, которая обеспечивает образование диффузионного слоя и понижает концентрацию элемента на 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 и бора. В первом случае на поверхности образуется твердый раствор, во втором - химическое соединение.
Второй процесс состоит в проникновении диффузии адсорбированных атомов бора в глубь металла. Данный процесс возможен при высокой температуре, обеспечивающей достаточную тепловую энергию атомов. Диффузия обусловлена стремлением к выравниванию концентрации, так как равномерное распределение соответствует состоянию с минимумом свободной энергии,
Если количество внедренного элемента, поглощаемого единицей поверхности из окружающей среды в единицу времени, обозначить через Δmn, а его количество, продиффундировавшее за тот же промежуток времени в глубь изделия, через Δmg, то в зависимости от соотношения между этими величинами результаты диффузионного насыщения получаются различные. При Δmn<Δmg процесс насыщения невозможен. Маловероятно и точное выполнение равенства Δmn=Δmg. При этом концентрация внедренного элемента на поверхности не должна изменяться во времени.
Для нормального процесса диффузионного насыщения необходимо, чтобы количество внедряемого вещества было больше того, которое отводится за тот же промежуток времени в глубь изделий в результате диффузионных процессов.
При упрощенном рассмотрении можно предположить, что концентрация на поверхности все время сохраняется 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 внедряемого элемента на поверхности не остается постоянной во времени, а закономерно повышается с большей или меньшей скоростью. Возрастание твердости борированного слоя с увеличением продолжительности процесса диффузионного насыщения как раз и обусловливается повышением концентрации бора во времени.
Таким образом, при любом процессе диффузионного насыщения концентрация внедряемого элемента на поверхности все время возрастает и при этом соблюдается неравенство
Δmn ≥ Δmg.

Представление о распределении бора по сечению диффузионного слоя дает изотермический разрез диаграммы состояния Fe-B при температуре борирования. Если насыщение железа бором происходит при температуре ниже перитектоидной (см. рис. 2), в начальные моменты на поверхности образуется твердый раствор бора в α-Fe. Так как растворимость бора в феррите очень мала (см. табл. 1), то очень скоро достигается предел насыщения α-фазы и на поверхности начинается образование следующей стабильной при 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 → α-Fe2B-α → основа

При понижении температуры α-фаза частично распадается с выделением избыточной фазы Fe2B. Аналогично протекает борирование при температурах выше перитектоидной, Вначале образуется γ-фаза; после насыщения бором она теряет устойчивость и превращается в Fe2В, а при дальнейшем насыщении на поверхности образуется FeB. При медленном охлаждении γ-фаза претерпевает перитектоидное превращение, распадаясь на α+Fe2B. В слое после охлаждения до комнатной температуры фазы расположены так:
FeB → Fe2B → (α+Fe2Bизб).

Переход одной фазы к другой в диффузинном слое сопровождается резким перепадом концентрации бора.
В пределах каждой фазы характерно плавное уменьшение его концентрации от поверхности в глубину. Схематически это показано на рис. 32; указанное распределение хорошо согласуется с опытными данными (рис. 33). Как видно, рассмотренный механизм формирования диффузионного слоя не допускает постоянства состава боридных фаз. Незначительное изменение твердости внутри отдельных боридных фаз, а также малое различие в твердости феррита и твердости раствора бора в железе свидетельствуют о незначительном перепаде концентраций по глубине. Поэтому на диаграмме состояния системы не следует проводить вертикальные линии, отвечающие химическим соединениям Fе2B и FeB, а необходимо указывать области гомогенности этих фаз. О необходимости исследования областей существования боридных фаз отмечено далее.
Распределение бора в поверхностном слое

Между новой фазой, возникающей на поверхности, и нижележащей появляется межфазовая граница, по обеим сторонам которой устанавливаются вполне определенные пограничные составы, которые совпадают с границами двухфазной области соприкасающихся фаз на диаграмме состояния. Составы фаз по границе раздела при постоянной температуре остаются неизменными. Однако в процессе выдержки концентрация внедряемого элемента на поверхности продолжает повышаться, это обусловливает протекание диффузионных процессов как в наружной, так и в нижележащей фазах. В результате диффузии установившаяся концентрация на межфазовой поверхности меняется, что способствует протеканию процессов межфазовой диффузии, т.е. переходу атомов (в данном случае бора) из одной фазы в другую. Последние восстанавливают концентрации на границе раздела фаз и передвигают ее в ту или иную сторону.
Распределение бора в поверхностном слое

Скорость и направление перемещения границы фаз, т,е. скорость роста новой фазы, зависит от соотношения интенсивности диффузионных процессов в обеих фазах.
Диффузия, происходящая в наружной, вновь образующейся фазе, обеспечивает подвод атомов внедряемого элемента к межфазовой границе и стремится сдвинуть ее вглубь изделия. В результате диффузии в нижележащей фазе атомы внедряемого элемента отводятся от границы фаз, что препятствует ее продвижению вглубь изделия и обусловливает перемещение к поверхности.
Если количество элемента, подведенного вследствие диффузии в новой фазе в единицу времени к единице поверхности раздела, обозначить через dm1, а его количество, отводимое в результате диффузии в нижерасположенной фазе, через dm2, то величину перемещения d1, межфазовой границы и ее скорость V можно представить выражением
Распределение бора в поверхностном слое

где ΔСг.ф. - перепад концентраций на границе раздела фаз; D1 и D2 - коэффициенты диффузии внедряемого элемента в новой и исходной фазах; дc1/дх1 и дс2/дх2 - градиенты концентрации диффундирующего элемента в этих фазах.
Рассмотренный механизм образования и роста диффузионного слоя предполагает образование новой фазы только после того, как концентрация внедряемого элемента (в данным случае бора) достигает предела его растворимости. Однако, если в системе насыщаемый металл - окружающая среда образуются несколько соединений, то принципиально возможна реактивная диффузия. Сущность ее, согласно, заключается в этом, что при соприкосновении двух металлов возможно, независимо от явления взаимной растворимости, реакция с образованием химического соединения непосредственно на границе раздела реагирующих металлов. He обязательно, чтобы промежуточная фаза на поверхности появлялась только после того, как концентрация внедряемого элемента превысит предел растворимости его в предыдущей менее легированной фазе. Возможно, что скорость образования такой промежуточной фалы будет настолько большой, что именно она и возникает в первую очередь.
Согласно, при насыщении железа бором химическое соединение Fe2B не вторичное образование, следующие по времени за первично образующимся твердым раствором, а результат непосредственного химического взаимодействия - реакционной диффузии. Эти выводы согласуются с результатами исследований которые также связывают насыщение железа бором с реакционной диффузией. Однако такой чисто реакционный процесс возникновения новой фазы вызывает образование исключительно тонкой мономолекулярной пленки и обнаружить ее на поверхности обычными методами исследования невозможно. Процесс же роста обусловлен диффузионными процессами, протекающими внутри самой фазы и внутри нижележащих участков основного материала. Поэтому при химическом взаимодействии скорость роста новых фаз и соотношение их толщин после определенного времени зависят от скорости диффузионных процессов в данных фазах подобно, тому, как это рассматривалось выше для случая постепенного насыщения поверхности внедряемым элементом. Таким образом, вне зависимости от действительной последовательности образования новых фаз на поверхности в первую очередь достигает достаточно больших (видимых) размеров и обнаруживается та фаза, которая растет с наибольшей скоростью.