УДК 539. 172

МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ БОРИРОВАННЫХ СЛОЕВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКЕ

 

MESSBAUER SPECTROSCOPY OF BORIED LAYERS OBTAINED BY ELECTRON BEAM PROCESSING

 

Крукович М.Г. (Российской университет транспорта (МИИТ), г.Москва, РФ)

Сизов И.Г. (Восточно-Сибирский государственный технический университет, г. Улан-Удэ, РФ)

Krukovich M.G. (Russian University of Transport (MIIT), Moscow, RF)

Sizov I.G. (East Siberian State Technical University, Ulan-Ude, RF)

 

Рассмотрены условия получения гетерогенных борированных слоев с применением электронно-лучевого нагрева. С помощью Мессбауэровской спектроскопии был уточнен фазовый состав слоев, который определяет эксплуатационные свойства

The conditions for obtaining heterogeneous boron layers using electron beam heating are considered. Using Mossbauer spectroscopy, the phase composition of the layers was determined, which determines the operational properties

 

Ключевые слова: борированный слой, гетерогенная структура, фазовый состав, электронно-лучевой нагрев, Мессбауэровская спектроскопия

Keywords: boron layer, heterogeneous structure, phase composition, electron-beam heating, Mössbauer spectroscopy

 

Эксплуатационные свойства гетерогенных борированных слоев зависят от количества, размеров, формы и взаимного расположения фаз и структурных составляющих. Композиционная гетерогенная структура борированного слоя позволяет не только повысить его пластичность, но и сохранить его высокую износостойкость.

Для получения композиционной структуры используются различные методы, в том числе и одни из самых перспективных методов, основанные на применении лазерного и электронно-лучевого нагрева. Главной задачей применения концентрированных источников энергии является конструирование слоя с разобщёнными боридами. При этом целесообразно компактную игольчатую или глобулярную структуру боридов заменить на дисперсную с произвольной их ориентацией. Применение этих методов нагрева позволяет вести обработку как при диффузионно-кристаллизационном, так и при диффузионном механизме формирования борированных слоев [1]. Все это дает возможность управления свойствами борированных слоев. Однако для достоверного прогностического расчета эксплуатационных характеристик требуется надежная информация об фазовом составе и их количестве.

Одной из структурных составляющих композиционных слоев является эвтектическая составляющая. Важным этапом прогнозирования общей структуры слоя и возникновения эвтектической составляющей являются достоверные сведения о температурно-концентрационных условиях на обрабатываемой поверхности, которые определяются по политермическим разрезам схем многокомпонентных диаграмм состояния. Температуру эвтектической реакции и эвтектические концентрации компонентов в многокомпонентных системах рассчитывали по статистической методике [2], которая использует только температуры плавления фаз, входящих в состав эвтектики.

Согласно результатам рентгеноструктурного фазового анализа боридные слои состоят из следующих фаз: FeB, Fe2B, Fe3B и α – твердого раствора бора в железе. Однако в зависимости от особенностей нагрева концентрированными источниками получаемая композиционная структура имеет разное соотношение фаз, разную дисперсность и морфологию.

Применение Мессбауэровской спектроскопии позволило уточнить фазовый состав боридной зоны, определить количество фаз и оценить влияние на фазовый состав электронного пучка при электронно-лучевой обработке. Исследование проводили с помощью неразрушающего метода Мессбауэровской конверсионной спектроскопии, не требующего предварительной химической обработки и шлифовки образца. В этом методе мессбауэровские спектры снимаются в геометрии обратного отражения от поверхности образца с помощью специального проточного пропорционального детектора [3, 4].

При изменении энергетических режимов регистрации и вариации газовой атмосферы регистрируются или конверсионные резонансные электроны или резонансное характеристическое рентгеновское излучение. В первом случае получается информация о фазовом составе поверхностной области глубиной до 0,1-0,2 мкм (в зависимости от степени шероховатости), а во втором – с глубины до 20 мкм.

Мессбауэровские спектры с исследуемых образцов снимали на экспериментальной установке с вибратором электродинамического типа, позволяющим перемещать резонансный поглотитель относительно источника в диапазоне скоростей от –10 мм/с до +10 мм/с в зависимости от задаваемой амплитуды колебаний. В качестве источника резонансного γ-излучения с энергией, равной Е=14,4 кэВ, использовали полученный в циклотроне активный изотоп Со57, внедренный с помощью отжига в металлическую матрицу. Такая методика изготовления источников позволяет получать одиночную мессбауэровскую линию испускания с шириной, близкой к естественной ширине уровня.

Детектирование γ-квантов осуществлялось с помощью сцинтилляционного детектора с кристаллом NaJ(Tl) толщиной 0,15 мм. Регистрируемые детектором импульсы поступают с дискриминатора в различные каналы анализатора таким образом, что номер канала становится пропорциональным скорости движения. Полученный таким образом мессбауэровский спектр фиксировался на дисплее многоканального анализатора, а численная информация выводилась на цифровую печать и заносилась в память компьютера, где с помощью специальной программы «UNIVEM» проводилась математическая обработка спектра.

Анализ показал, что спектр борированного образца, снятый с поверхностного слоя 0,3 мкм (Рис. 1, а), имеет сложную форму, свидетельствующую об образовании в поверхностном слое магнитно-упорядоченных боридных фаз железа. Мессбауэровские параметры таких фаз хорошо изучены и очень хорошо различаются между собой, что позволяет проводить надежный фазовый анализ. Разложение спектра на составляющие компоненты показало, что он представляет собой суперпозицию подспектров магнитоупорядоченных фаз (FeB, Fe2B, Fe3B и твердого раствора Fe1+xBx при x < 0,4) и уширенного парамагнитного дублета, соответствующего  квазиаморфному неупорядоченному твердому раствору Fe1+xBх  при x > 0,4 (Рис. 1, b). Спектр этого же образца для приповерхностного слоя толщиной 20 мкм (Рис.1, c, d) значительно отличается по форме: в нем почти исчезает центральная парамагнитная часть и происходит перераспределение интенсивностей составляющих его компонент магнитных боридных фаз.

 

Скорость движения источника, mm/s

 

Эффективное магнитное поле, Heff, kOe

 

d

 

с

 

b

 

а

 

Эффективное магнитное поле, Heff, kOe

 

Скорость движения источника, mm/s

 

 

 

Рисунок 1 - Мессбауэровские конверсионные спектры борированных образцов, полученные с поверхностных слоев толщиной 0,3 мкм (а, b) и толщиной 20 мкм (c, d): N%-интенсивность линий спектра; Р(Н)-интенсивность магнитно-расщепленных компонент

 

Мессбауэровские спектры предварительно борированного образца, подвергнутого электронно-лучевой обработке в течение 10 секунд, представлены на рис. 2. Как видно из рисунка, после облучения электронами спектр приповерхностной области толщиной 0,3 мкм (Рис.2, а) очень резко изменяется по сравнению со спектром просто борированного образца (Рис.1, а). Вид спектра становится очень близким к спектру глубокого (20 мкм) слоя просто борированного образца. Спектр слоя, толщиной ~ 20 мкм облученного образца незначительно отличается от спектра самого поверхностного слоя (Рис.2, c, d).

Эффективное магнитное поле, Heff, kOe

 

Скорость движения источника, mm/s

 

Скорость движения источника, mm/s

 

Эффективное магнитное поле, Heff, kOe

 

 

 

Рисунок 2 - Мессбауэровские конверсионные спектры борированных с последующей обработкой электронным пучком образцов, полученные с поверхностных слоев толщиной 0,3 мкм (а, b) и толщиной 20 мкм (c, d)

 

Математическая обработка Мессбауэровских спектров показала значительное различие в фазовом составе слоев, полученных после твердофазного и комбинированного борирования (Таблица).

Как видно из таблицы, после обработки электронным потоком наиболее значительные изменения фазового состава происходят в тонком поверхностном слое: очень резко увеличивается относительное количество фазы Fe2B, количество всех остальных боридных фаз уменьшается в разной степени, но наиболее резко уменьшается количество наиболее богатой бором неупорядоченной фазы Fe1+х Bx (x>0,4). На глубине 20 мкм изменения сохраняют ту же тенденцию, но сами изменения становятся слабее.                                                                                                                  

 

Таблица - Результаты обработки Мессбауэровских спектров

Анализируемая толщина слоя, мкм

Содержание фаз борированного слоя (объёмн. %) после обработки

Твердофазное борирование

Комбинированное борирование

FeB

Fe2B

Fe3B

Fe1+х Bx

(x<0,4)

Fe1+х Bx

(x>0,4)

FeB

Fe2B

Fe3B

Fe1+х Bx

(x<0,4)

Fe1+х Bx

(x>0,4)

0,3

21

14

17

26

22

10

62

2

23

3

20

18

59

4

19

4

15

65

5

13

2

Заключение.

Мессбауэровская спектроскопия позволила определить соотношение фаз в поверхностных зонах борированного слоя и в сочетании с физическими свойствами фаз предопределить эксплуатационные характеристики упрочненных деталей или инструментов.

Электронно-лучевой нагрев предварительно борированных образцов при установленной мощности электронного пучка (2,9×104 Вт/см2) приводит к тому, что в боридных слоях происходят сложные процессы, обусловленные комплексным воздействием электронного пучка на поверхность, которые сопровождаются повышением температуры, образованием большого количества точечных дефектов и возникновением направленных диффузионных потоков. В результате такого воздействия изменяется соотношение фаз: количество богатых бором фаз на поверхности уменьшается, а количество бедных бором фаз увеличивается.

Список использованных источников

1.    Krukovich M.G., Prusakov B.A., Sizov I.G. Plasticity of Boronized Layers, Springer Series in Materials Science 237, 2016. 364 p.

2.    Крукович М.Г. Расчет эвтектических концентраций и температуры в двух и многокомпонентных системах// МиТОМ. 2005. № 10. С. 9-17.

3.    Киселев А.А., Кузьмин Р.Н., Новакова А.А. Письма в ЖТФ. 1986. т.12. C.32 – 36.

4.    Новакова А.А., Кузьмин Р.Н. Мессбауэровская конверсионная спектроскопия и ее применение // М.: Изд. МГУ им. М.В. Ломоносова, 1989. 72 с.