научная статья по теме МОДИФИЦИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ ВОЛЬФРАМА НА ВАКУУМНЫЕ КОНДЕНСАТЫ ЖЕЛЕЗА Физика

Текст научной статьи на тему «МОДИФИЦИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ ВОЛЬФРАМА НА ВАКУУМНЫЕ КОНДЕНСАТЫ ЖЕЛЕЗА»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 7, с. 745-749

^ ПРОЧНОСТЬ

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.127:539.4

МОДИФИЦИРУЮЩЕЕ ВЛИЯНИЕ ВОЛЬФРАМА НА ВАКУУМНЫЕ КОНДЕНСАТЫ ЖЕЛЕЗА

© 2015 г. А. Е. Бармин*, О. В. Соболь*, А. И. Зубков*, Л. А. Мальцева**

*Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт"

61002 Украина, Харьков, ул. Фрунзе, 21 **Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина

620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: axel.com.ua@gmail.com, mla44@mail.ru Поступила в редакцию 25.09.2014 г.; в окончательном варианте — 28.01.2015 г.

Изучены закономерности формирования структуры, прочностные свойства и термическая стабильность вакуумных конденсатов системы Fe—W. Обнаружено, что легирование фольг железа вольфрамом до 1 ат. % позволяет диспергировать зеренную структуру конденсатов до нанометровой размерности, существенно повышать их прочностные свойства и температуру рекристаллизации. Так фольги с содержанием вольфрама ~0.8 ат. % и размером зерна около 50 нм имеют твердость 5.5 ГПа и температуру рекристаллизации 800°С. Полученные результаты могут быть использованы для разработки состава сталей, предназначенных для последующего получения высокопрочных и термостабильных наноструктурных состояний.

Ключевые слова: вакуумные конденсаты, модифицирование, сегрегация, нанокристаллические материалы.

БО1: 10.7868/80015323015070013

ВВЕДЕНИЕ

Эффективным способом диспергирования зе-ренной структуры металлов и сплавов является модифицирование их расплавов элементами и веществами, адсорбирующимися на поверхности растущих зерен и препятствующими их росту при кристаллизации. Эти адсорбционные слои повышают температуру рекристаллизации получаемых сплавов и улучшают их прочностные свойства. Вместе с тем к настоящему времени отсутствуют правила и критерии выбора веществ-модификаторов, не установлены закономерности образования и строение таких адсорбционных слоев. Это связано со многими причинами, одной из которых является присутствие в расплавах примесей, препятствующих в процессе конкурирующей адсорбции взаимодействию веществ-модификаторов с фронтом кристаллизации.

Термическое осаждение из паровой фазы на неориентирующие подложки в вакууме одноком-понентных металлов с контролируемой степенью чистоты и целенаправленное модифицирование их парового потока веществами-модификаторами позволяет изучать характер взаимодействия этих элементов с поверхностью растущих кристаллов матричного металла и минимизировать вуалирующее влияние посторонних элементов.

В связи с этим целью настоящей работы явилось изучение влияния вольфрама на закономерности формирования структуры, прочностные свойства и температуру рекристаллизации вакуумных конденсатов железа.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Конденсаты Fe—W толщиной 10—30 мкм получали одновременным электронно-лучевым испарением компонентов в вакууме ~1.3 х 10-3 Па и осаждением на неориентирующие ситалловые подложки в интервале температур 250—550°С. Контроль температуры осуществляли термопарами хромель-алюмель. В качестве исходных материалов для испарения использовали Fe и W вакуумного переплава чистотой 99.99 мас. %. Количество легирующего элемента в конденсате изменялось от 0.15 до 0.8 ат. %, путем варьирования скорости осаждения компонентов.

Элементный состав конденсатов изучали методом рентгенофлуоресцентного анализа (XRF), а определение элементного состава локальных участков образцов проводили с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS). Структурные исследования — просвечива-

746

БАРМИН и др.

С, ат. %

Рис. 1. Зависимость среднего размера зерна от концентрации вольфрама (метод XRF):

Т1 = 550°C, Т2 = 450°C, Т3 = 250°C.

ющей электронной микроскопией на ПЭМ-100 и JEM-2100 и рентгеновской дифрактометрией на ДРОН-3М. Электронно-микроскопические исследования проводились на образцах, утоненных струйной электролитической полировкой на приборе ПТФ-2.

Механические свойства контролировали измерением микротвердости на приборе ПМТ-3 при нагрузке 10 г и выдержке 7 с. Нагрузка была подобрана таким образом, чтобы диагональ отпечатка была в 1.5 раза меньше толщины образца.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены экспериментальные зависимости среднего размера зерна железной матрицы (D) от содержания (С) вольфрама в конденсатах, полученных при различных температурах подложки (Т).

Видно, что уже при содержании вольфрама в количестве, составляющем десятую долю процента, происходит резкое снижение величины зерна железа, например для Т1 от 5 до 1. 3 мкм. При дальнейшем увеличении концентрации вольфрама экспериментальные кривые практически выходят на насыщение, и минимально достигаемый размер зерна (Dmin) остается постоянным. Уменьшение температуры подложки не изменяет характер зависимостей D = f(C) и приводит к снижению Dmin до 0.3 мкм и до 50 нм для Т2 и Т3 соответственно, а также к увеличению концентрации вольфрама, соответствующей областям, в которых изменяется характер экспериментальных кривых, от 0.15 до 0.8 ат. %. Для всех изучаемых образцов период кристаллической решетки остается постоянным и соответствующим величине характерной для a-Fe. Этот результат свидетельствует об отсутствии растворимости

Spectr-2

О

о

Spectr-1

400 нм ■ i 1

Рис. 2. Точечный элементный анализ, проведенный методом EDS в фольгах Fe—W (7\, W ~ 0.15 ат. %): spectr1 - 0.03 ат. % W, spectr2 - 0.16 ат. % W

вольфрама в кристаллической решетке a-Fe конденсатов, полученных в используемых технологических условиях [1].

Элементный анализ локальных участков фольг Fe-W со средним содержанием вольфрама 0.15 ат. % методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (рис. 2) свидетельствует, что при концентрациях вольфрама, соответствующих ниспадающим ветвям зависимостей D = f(C), он практически весь сосредоточен в границах зерен железа. При этом в структуре не было обнаружено частиц второй фазы.

При больших концентрациях вольфрама появляются признаки, указывающие на присутствие высокодисперсных частиц второй фазы в области границ зерен железной матрицы рис. 3.

Приведенные экспериментальные результаты и данные работы [2] позволяют предположить, что при конденсации паровых смесей железа и вольфрама происходит обогащение вольфрамом поверхности растущих зерен железной матрицы, и при некотором его содержании их рост прекращается, соответственно зависимости D = f(C) выходят на насыщение. Эти экспериментально определенные концентрации при температурах Т1, Т2 и Т3 составляют 0.15; 0.35 и 0.8 ат. % соответственно.

Указанные предположения подтверждаются оценкой концентраций вольфрама, необходимых для образования сплошного монослоя на поверхности зерен железа минимальных размеров (Dmin).

N Ч*

Действительно, если в первом приближении принять форму зерна железной матрицы за сферу диаметром Б, а Ут — объем матричного зерна, V, — объем границы зерна, V _ общий объем, vm — атомный объем матричного атома, V,, — атомный объем атома сегрегирующего элемента, йт — диаметр матричного атома, йь — диаметр атома сегрегирующего элемента, — количество матричных атомов в объеме зерна, N — количество атомов сегрегирующего элемента в монослое, /ь — доля атомов сегрегирующего элемента необходимых для формирования монослоя, получаем:

V =

Vm =

n(D + 2db)-

nD3

nDJ (1 + 2db D

nDJ ((6db D

(1)

(2)

Рис. 3. Электронно-микроскопическое светлополь-ное изображение тонкой структуры фольг Fe—W (Ть W~ 0.8 ат. %).

Так как и ^ 1 D3 D2

V, = Vt - Vm = ^ (i + ^

fb =

N

b

D

Vb/

— = n D 2db, (3)

V b

Nb + Nm Vb/Vb + Vm/Vn

1

1

(4)

1 +

Vmv b Vbv m

nD vb 6nD 2dbv m

1 + -

1 + ^ 6d m

2 '

Тогда рассчитанные концентрации вольфрама составляют: 0.1; 0.4 и 1.25 ат. % для соответствующих минимальных размеров зерен железа 1.3; 0.3 и 0.05 мкм, что хорошо согласуется с экспериментальными данными приведенными на рис. 1.

Эти результаты свидетельствуют о том, что при конденсации паровой смеси Fe—W с весьма малой концентрацией вольфрама его атомы проявляют активность по отношению к поверхности растущих зерен железа и при их соприкосновении образуют зернограничные сегрегации. О склонности вольфрама к зернограничной сегрегации в литературе приводятся противоречивые данные. В металлургических железных сплавах обычно не наблюдали повышения концентрации вольфрама в приграничных областях, однако в работе [3] было обнаружено увеличение микротвердости в приграничных областях зерна a-Fe ~ на 30—35% по сравнению с объемом. Следует отметить, что в этой работе образцы сплава Fe—W были подготовлены с использованием вакуумного переплава, с целью минимизации остальных примесей. Заключительная термообработка проводилась по режиму: отжиг при температуре 880°С в течение 4 ч,

охлаждение до 700°С, выдержка при данной температуре — 24 ч и наконец, охлаждение с печью со скоростью 50°/ч, что должно было обеспечить достаточный диффузионный путь легирующего элемента.

Также, хорошо известно [4], что при металлургическом производстве сплавов на основе железа постоянными его "спутниками" являются сера и фосфор, эти элементы сегрегируют на поверхности и границах зерен, что обусловлено следующими факторами:

1) сера и фосфор являются поверхностно активными веществами по отношению к железу, они эффективно снижают его поверхностную энергию [5];

2) сера и фосфор малорастворимы в a-Fe [6], а введение вольфрама приводит к дополнительному снижению растворимости; так, добавка 1 мас. % W снижает растворимость фосфора в a-Fe при 1000°С в 2 раза [7], что должно приводить к увеличению степени сегрегации фосфора;

3) диффузионная подвижность серы и фосфора выше по сравнению с вольфрамом [8]; так, например, коэффициент диффузии серы при 700°С ~ в 103 раз больше чем у вольфрама.

Оценка количества серы, фосфора с использованием выражения (4), необходимого для покрытия поверхности зерна одним монослоем, указывает на то, что для металлургических сплавов с размером зерна 10—250 мкм (т.е. 10—1 балл зерна) достаточно 0.012 мас. % серы или 0.011 мас. % фосфора. Но даже в высококачественных сталях содержание

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»