close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY18946

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2015.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 18946
(13) C1
(19)
B 22F 3/16
B 22F 3/26
C 22C 33/02
C 22C 38/08
C 22C 38/10
(2006.01)
(2006.01)
(2006.01)
(2006.01)
(2006.01)
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА
ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
(21) Номер заявки: a 20110128
(22) 2011.02.01
(43) 2012.10.30
(71) Заявитель: Черниенко Василий Васильевич (BY)
(72) Автор: Черниенко Василий Васильевич (BY)
(73) Патентообладатель: Черниенко Василий Васильевич (BY)
(56) UA 30432 A, 2000.
UA 87707 C2, 2009.
SU 587172, 1978.
RU 2135327 C1, 1999.
ЧЕРНИЕНКО В.В. и др. Порошковая
металлургия. - 1977. - № 11. - С. 26-29.
BY 18946 C1 2015.02.28
(57)
Способ получения объемноборированного композиционного материала на основе железа, при котором формируют проницаемую матрицу из железного порошка или из стальных игл, формируют эвтектический сплав в виде брикета из смеси порошков бора и
легирующих металлов кобальта и никеля, укладывают брикет на поверхность проницаемой матрицы, нагревают совместно проницаемую матрицу и брикет до температуры плавления эвтектического сплава, пропитывают им проницаемую матрицу и проводят
жидкофазное спекание при температуре 1343-1493 К с выдержкой 60-90 мин.
Фиг. 1
Способ относится к области порошковой металлургии и композиционных материалов
и может быть использован для создания на основе железа объемноборированных материалов или покрытия стальных деталей боридными соединениями (Fe,Me)2B и (Fe,Me)B.
BY 18946 C1 2015.02.28
Известный способ объемного борирования [Черниенко В.В., Машков А.К. Способ получения объемно-борированных материалов // Порошковая металлургия. - 1977. - № 11. С. 26-29] принят в качестве аналога.
Сущность способа заключается в том, что пористую железную матрицу, в состав которой добавляют 1-3 мас. % или 6-7 мас. % бора, предварительно борируют при T = 10731173 К с выдержкой 6-8 ч, а затем пропитывают борированную матрицу эвтектическим
сплавом системы железо-бор-ниобий-молибден при T = 1473 К с выдержкой 12-15 мин.
После борирования твердость полученного композиционного материала повышается в
2-3 раза без закалки.
Однако данный способ имеет ряд недостатков: при повышении количества бора в матрице до 3 мас. % уменьшается прочность композиционного материала в 2 раза; образование двух типов боридных соединений осуществляется за счет дополнительного содержания бора в матрице до 6-7 мас. %, что приводит к увеличению стоимости материала в 2,5
раза; не обеспечивается получение сложного боридного соединения типа (Fe,Me)B в связи
с малой продолжительностью процесса жидкофазного спекания (12-15 мин); не установлена возможность получения в эвтектическом сплаве только боридных соединений с
d10-конфигурацией.
Известен также более близкий по сути способ борирования [патент Украины 30432 а,
2000], который принят в качестве прототипа.
Сущность способа заключается в том, что процесс борирования железной матрицы
проводят с помощью пропитывающего сплава железо-бор эвтектического состава с добавками легирующих компонентов и, благодаря этому, жидкофазное спекание, получение
в объеме жидкой фазы двух боридных соединений (Fe,Me)2 B и (Fe,Me)B и их избирательное легирование проводят при T = 1523-1573 К в течение 60-90 мин в вакуумной печи, а кристаллизацию осуществляют путем охлаждения композиционного материала
вместе с печью.
Однако в данном способе не установлены факторы, которые влияют на создание эвтектических сплавов с образованием высокостабильных боридных соединений и возможности преобразования эвтектики в смесь боридных фаз (Fe,Me)2B и (Fe,Me)B.
Задачей изобретения является раскрытие механизма процессов получения композиционного материала с эвтектическим сплавом на основе системы железо-бор и легирующими компонентами, которые способны преобразовать эвтектический сплав в боридные
фазы (Fe,Me)2B и (Fe,Me)B, не за счет повышения содержания в нем бора, а путем частичной замены атомов легирующих компонентов в исходных соединениях типа (Fe,Me)2B
эвтектики атомами железа, чтобы достичь более высокого уровня стабильности электронной структуры данных соединений за счет приобретения ими устойчивой химической связи, как между самими атомами, так и между формируемыми соединениями.
Поставленная задача достигается следующим образом: формируют проницаемую матрицу из железного порошка или из стальных игл, формируют эвтектический сплав в виде
брикета из смеси порошков бора и легирующих металлов кобальта и никеля, укладывают
брикет на поверхность проницаемой матрицы, нагревают совместно проницаемую матрицу и брикет до температуры плавления эвтектического сплава, пропитывают им проницаемую матрицу и проводят жидкофазное спекание при температуре 1343-1493К с
выдержкой 60-90 мин.
Экспериментально установлено, что при использовании данного способа повышают
характеристики прочности композиционных материалов (КМ) на основе железа в сравнении с базовыми составами, а в случае получения КМ на основе блоков из стальных игл в
8-10 раз повышают их пластичность.
Сущность изобретения объясняется дериватограммами спекания (Т, ТВ, ДТВ, ДТА) и
охлаждения (Т1, ТВ1, ДТВ1, ДТА1) композиционных материалов, диаграммами их свойств,
графиками элементного состава и электронной структуры боридных соединений эвтекти2
BY 18946 C1 2015.02.28
ческой составляющей исследуемых композиций, таблицами механических и теплофизических свойств композиционных материалов (КМ) и их микроструктуры.
Фиг. 1. Валентная связь компонентов в боридном соединении (Fe,Co)B: а - в виде
квантовых ячеек; б - в виде электронной конфигурации.
Фиг. 2. Валентная связь компонентов в боридном соединении (Fe,Ni)B: а - в виде квантовых ячеек; б - в виде электронной конфигурации.
Фиг. 3. Валентная связь компонентов в боридном соединении (Fe,Co,Ni)B: а - в виде
квантовых ячеек; б - в виде электронной конфигурации.
Фиг. 4. Диаграмма изменения энергии атомных орбиталей по мере увеличения в нейтральном состоянии атомного номера элемента.
Фиг. 5. Диаграмма изменения эффективного заряда атомов некоторых элементов, которые применялись в качестве легирующих металлов.
Фиг. 6. Дериватограммы спекания (Т, ТВ, ДТВ, ДТА) и охлаждения (Т1, ТВ1, ДТВ1,
ДТА1) композиционного материала системы Fe- (Co- 30 мас. % Ni- 4 мас. % B).
Фиг. 7. График распределения элементов в композиционном материале системы Fe(Co- 30 мас. % Ni- 4 мас. % B) и его микроструктура: 1 - в поглощенных электронах
(x1000); 2(Co), 3(Ni) - в рентгеновском излучении (x1000); 4 - в электронном излучении
(x13300).
Фиг. 8. Фрагмент увеличенного в два раза изображения микроструктуры композиционного материала в поглощенных электронах системы Fe- (Co- 30 мас. % Ni- 4 мас. % B).
Фиг. 9. Микроструктура композиционных материалов: 1- Fe- (Co- 4 мас. % B), 2- Fe(Ni- 4 мас. % B) - в световом излучении (х500). Фотографии увеличены в два раза.
Фиг. 10. Микроструктура композиционного материала системы Fe- (Co- 30 мас. %) Ni4 мас. % B) в световом излучении (x500) после пропитки и жидкофазного спекания (1) и
после закалки (2).
Описание изобретения.
Для подтверждения рациональности выбора способа проводили исследование эвтектических сплавов трех систем: Co - 4 мас. % B, Ni - 4 мас. %) B и Co - 30 мас. %) Ni - 4
мас. % B.
Системы Fe- (Co - 4 мас. % B) (фиг. 1) и Fe- (Ni - 4 мас. %) (фиг. 2) по механическим
свойствам имеют меньшие показатели, чем система Fe- (Fe- 4 мас. % B), хотя при совместном использовании кобальта и никеля достигнуты достаточно высокие механические
свойства. Вместе с железом кобальт и никель образуют в таблице Д.И. Менделеева триаду
элементов, в которой атомы Co (d7s2) и Ni (d8s2) имеют большее число валентных электронов, чем атомы Fe (d6s2), но уступают железу по числу передачи бору валентных электронов для заселения свободных орбиталей атома бора. Это вызвано тем, что атомы кобальта
образуют стабильные d7- и ds9-конфигурации, а никеля - d8- и ds10-конфигурации. По этой
причине при частичном преобразовании боридных соединений типа (Fe,Me)2B в (Fe,Me)B
для полного заселения орбиталей бора у кобальта и никеля недостает одного валентного
электрона:
При образовании боридных соединений CoB и NiB одна из орбиталей бора в обоих
случаях остается недозаселенной валентным электроном. При дополнении данных соединений железом только в соединении (Fe,Co)B происходит полное заселение орбиталей бора (фиг. 1), а в соединении (Fe,Ni)B решить эту задачу не удается (фиг. 2). Для ее решения
необходимо создать соединение на основе кобальта и дополнить его никелем как легирующей добавкой:
3
BY 18946 C1 2015.02.28
При частичном преобразовании соединения (Co,Ni)2B в (Co,Ni)B атомы обоих металлов сохраняют d10-конфигурацию, но одна из орбиталей бора имеет открытую для химической связи электронную пару. К ней, чтобы сохранить d10-конфигурацию, необходимо
присоединить атом с d8-конфигурацией. К таким металлам относится железо, атомы которого способны коллективизировать все свои ds-валентные электроны и присоединиться к
бору с идентичной атомам кобальта и никеля d8-конфигурацией.
Поэтому в случае совместного применения железа, кобальта и никеля образуются соединения на основе железа (фиг. 3). При этом содержание кобальта в соединениях типа
(Fe,Me)B составляет 14,1 мас. %, а содержание никеля - 7,5 мас. %.
Это объясняется тем, что кобальт и никель имеют меньшую энергию орбиталей валентных электронов (фиг. 4), меньший эффективный заряд атомов (фиг. 5) и очень высокую степень растворимости (100 %) в железе, из-за чего происходит почти равное
накопление их атомов в основном металле.
Образование подобной электронной структуры подтверждено опытным путем с помощью дифференциально-термического анализа КМ системы Fe- (Co- 30 мас. % Ni- 4
мас. % B) (фиг. 6), а также с помощью микрорентгеноспектрального (фиг. 7) и микроструктурного (фиг. 7-9) анализов. Эвтектический сплав в данной системе образуется в
пределах температур 1343-1493 К с экстремумом создания первичной эвтектики кобальтникель-бор при T = 1353 К и вторичной эвтектики на основе железа при T = 1373 К. В связи с частичным растворением матрицы в контакте с жидкой фазой происходит переход от
эндотермической к экзотермической реакции с экстремумом при T = 1383 К и еще одним
экстремумом при T = 1433 К, указывающим на то, что произошло образование боридного
соединения типа (Fe,Me)B, в котором содержание железа составляет 71,8 мас. %. Смесь
боридных соединений четко видна в поглощенных электронах (п. 1), а отдельные элементы Co (п. 2) и Ni (п. 3) - в рентгеновском излучении. Как видно из графика, приведенного
на фиг 7 (его правая часть), боридная фаза, содержащая кобальт и никель, формируется в
капиллярных объемах пористой матрицы КМ в виде цельного каркаса, участки которого
весьма интенсивно высвечиваются в поглощенных электронах (фиг. 7, п. 1, а также фрагмент данного изображения, увеличенный в 4 раза (фиг. 8)). Согласно микроструктуре, показанной на фиг. 9, также видно, что при легировании отдельными элементами, как,
например, Co (п. 1) или Ni (п. 2), в составе эвтектики образуются многие диффузионные
поры, а при совместном применении железа, кобальта и никеля в КМ этот недостаток устраняется (фиг. 10).
Кристаллизация эвтектического сплава в объеме железной матрицы (кривая ДТА1)
протекает в пределах температур 1393-1293 К с экстремумом экзотермической реакции
при T = 1353 К (фиг. 6).
Таким образом, данный способ раскрывает механизм образования боридных соединений с d10-конфигурацией, обладающих высокой энергетической стабильностью электронной структуры.
4
BY 18946 C1 2015.02.28
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
5
BY 18946 C1 2015.02.28
Фиг. 5
Фиг. 6
6
BY 18946 C1 2015.02.28
Фиг. 7
Фиг. 8
7
BY 18946 C1 2015.02.28
Фиг. 9
Фиг. 10
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
2 035 Кб
Теги
by18946, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа