Диссертация (1173091), страница 20
Текст из файла (страница 20)
4.3б).По результатам металлографического и дюрометрического анализов былиоценены значения толщины модифицированного цинкового слоя и переходнойзоны (табл. 4.1).126Таблица 4.1 – Значения максимальной толщины модифицированных слоев ипереходной зоны в сталях после процесса ДМЦ в среде аммиака.СтальАрмко-Fe09Г2CРежим обработки6000С – 4 часа6000С – 4 часа10000С – 1 час6000С – 4 часа12Х18Н10ТhZn, мкм80304560hп.з., мкм100400160Учитывая благоприятный профиль распределения микротвердости в стали09Г2С после обработки при 6000С, именно этот режим был выбран длядальнейших исследований.МикротвердостьHV0,05180160140120100104070100Расстояние от поверхности, мкм130160а)МикротвердостьHV0,0550040030020010000201525406080100Расстояние от поверхности, мкм1201403545556575расстояние от поверхности.
мкм85микротвердостьHV0,025б)300250200150100МикротвердостьHV0,05в)90080070060050040030020010020406080100120140Расстояние от поверхности, мкм160180200г)Рисунок 4.3 –Микроструктуры диффузионных слоев и распределениямикротвердости после ДМЦ в среде аммиака: а – армко-железо, 6000С, 4ч; б –сталь 09Г2С, 6000С, 4 ч; в – сталь 09Г2С, 10000С, 1 ч; г – сталь 12Х18Н10Т, 6000С, 4 ч.1274.1.2 Исследование химического и фазового состава модифицированныхслоев методом растровой электронной микроскопииНа рисунке 4.4 представлены РЭМ-изображения различных участковобразцов стали 09Г2С после ДМЦ в среде аммиака при 6000С 4 часа.Spectrum 1а)в)б)г)Рисунок 4.4 – РЭМ-изображения образцов стали 09Г2С после ДМЦ в средеаммиака при 6000С 4 часа: а, б – поверхность образца, в – поверхность шлифа награнице цинкового слоя с переходной зоной, г – сердцевина.На основании обработки полученных спектров химических элементов вопределенных точках (рис.
4.5) получены данные по химическому составуразличных участков модифицированного слоя.128ElementOKZn KWeight%19.8580.15Atomic%50.3049.70Weight%8.882.672.8685.59Atomic%29.347.722.3760.57Weight%11.6733.7654.57Atomic%33.6327.8838.49Weight%0.530.940.7597.78Atomic%1.061.000.7697.18а)ElementNKOKFe KZn Kб)ElementOKFe KZn Kв)ElementSi KCr KMn KFe Kг)Рисунок 4.5 – Спектры элементов и химический состав в точках: а – Spectrum 1 нарис. 4.4а; б – Spectrum 2 на рис. 4.4а; в – на границе с переходной зоной; г – всердцевине (Spectrum 1 на рис. 4.4г).129Анализ РЭМ изображений и спектров элементов показывает, чтоповерхность образцов после ДМЦ в среде аммиака неоднородна. На поверхностивыявляются участки с примерно пропорциональным соотношением атомныхконцентраций цинка и кислорода и минимальным содержанием железа.Соотношение весовых концентраций цинка и кислорода говорит в пользуобразования в этих участках оксида цинка ZnO.
Темные области на рис. 4.4а(выступающие на рис. 4.4б) обогащены азотом. Соотношение элементовсоответствует в этих участках выделению нитрида Zn3N2. Как показано в Гл. 3,образование этого нитрида с областью гомогенности до 12,41% по массе азотатермодинамическиобусловленопритемпературепроцессапореакции3Zn 2NH3 Zn3N2 3H2 .Сравнение теплоты образования нитридов свидетельствует о большейтермодинамической возможности выделения нитрида цинка (ΔH293 = - 22,19кДж/моль), чем нитридов железа (для γ'-фазы ΔH293 = -10,89 кДж/моль, для ε-фазыΔH293 = -3,97 кДж/моль).Весовое соотношение цинка и кислорода, соответствующее образованиюоксида цинка ZnO, сохраняется на некотором расстоянии от поверхности (рис.4.6).ElementOKFe KZn KWeight%16.800.8982.31Atomic%45.170.6854.15Рисунок 4.6 – Спектр элементов и химический состав в точке Spectrum 1 впределах цинкового слоя.130По мере удаления к границе с переходной зоной концентрация железа,определяемая на основании спектров элементов, увеличивается; пропорция цинка икислорода, примерно соответствующая стехиометрии ZnO, сохраняется (рис.
4.5в).В сердцевине образца наблюдается химический состав, близкий к составустали-подложки (рис. 4.5г).4.1.3 Исследование распределения элементов по толщинемодифицированного ДМЦ слояДля более точной оценки химического и фазового состава в различныхучастках модифицированного слоя проведено исследование распределенияосновных элементов системы (цинка и железа) по поверхности микрошлифа.На РЭМ-изображении шлифа стали 09Г2С после ДМЦ при 6000С 4 часа всреде аммиака (рис.
4.7) приведена схема точек съемки спектров химическихэлементов; в таблице 4.2 представлены результаты обработки спектров.Рисунок 4.7 –Электронное изображение поверхности шлифа стали 09Г2С: темныйучасток – визуально различимый цинковый слой; светлый участок – переходнаязона от слоя к сердцевине.131Таблица 4.2 – Химический и фазовый состав в точках съемки на рис. 4.7.Точка съемкиПоложение точки спектраSiMnВ Zn-слое/ на расстоянии от границы с переходной зонойSpectrum 635 мкм1.13Spectrum 130 мкм1.68Spectrum 225 мкм1.48Spectrum 515 мкмSpectrum 410 мкм0.64 1.28На границе с переходной зонойSpectrum 803.77Spectrum 110В переходной зоне/ на расстоянии от Zn-слояSpectrum 910 мкм0.9020 мкм1.03Spectrum 12Spectrum 1030 мкм0.981.041.621.56ФазыFeZn2.8519.0852.3372.2371.7496.0279.2446.1927.7726.34η-Zn(Fe)Г1- Fe11Zn40Feα(Zn)+ГFeα(Zn)+ГFeα(Zn)+Г80.3815.85Feα(Zn)83.7216.28Feα(Zn)93.1897.3597.464.88Feα(Zn)FeαFeαФазовый состав оценивали по равновесным соотношениям Zn/Fe в твердыхрастворах и химических соединениях (см.
табл. 3.1). Оказалось, что приисследованиивплоскостишлифавприповерхностныхучасткахмодифицированного слоя преобладает η-фаза, т.е. твердый раствор железа вцинке. По данным [159] в этой области может находиться эвтектика η+Zn, где всостав η-фазы может входить до 0,62-0,65% Fe. Тот же автор не исключает, чтоцинк в составе эвтектики может быть окислен до ZnO, в этом случае его весовоеколичество определяется как 96,28-96,48%, что весьма близко к значению,полученному в нашем эксперименте в точке Spectrum 6 (табл. 4.2).
Этирезультаты согласуются с данными исследования поверхности образцов стали впредыдущем параграфе.Анализ в точке Spectrum 1 дает значение концентрации цинка, оченьблизкое к верхней границе его содержания в интерметаллидной Г-фазе (а точнее,в ее ГЦК модификации Г1-Fe11Zn40). Следующие три точки по направлению кпереходной зоне отражают плавное снижение концентрации цинка, чтосвидетельствует об образовании двухфазной области Г-фазы и α-твердогораствора цинка в железе.
Исчезновение Г-фазы по глубине меняет условиятравимости и знаменует формирование видимой границы цинкового слоя спереходной зоной, в качестве которой следует считать участок диффузионногопроникновения цинка с формированием твердого раствора Feα(Zn). По грубой132оценке толщина переходной зоны твердого раствора, обогащенной цинком,составляет не более 20 мкм, т.к. на этом расстоянии и более (точки Spectrum 12 иSpectrum 10) химический состав полностью соответствует составу исходнойстали.Для более систематизированного исследования выполнен анализ спектровэлементов, снятых вдоль линии, перпендикулярной границе слоя. Проведены дваконтрольных сканирования по 7 спектров в точках на примерно равномрасстоянии, в соответствии со схемой на рисунке 4.8.
Большое увеличениепозволяет более точно, чем в предыдущем эксперименте, замерить расстояниемежду точками съемки, а также точнее оценить толщину диффузионнойпереходной зоны твердого раствора Feα(Zn).Граница цинкового слояРисунок 4.8 – Электронное изображение поверхности шлифа образца стали 09Г2Си схема снятия спектров.По результатам этого эксперимента (табл. 4.3 и 4.4) построены профилираспределения концентраций цинка и железа (рис.
4.9).133Таблица 4.3 – Химический и фазовый состав в точках с 1 по 7 на рис. 4.8.ТочкаПоложение точкиSiMnFeсъемкиспектраВ Zn-слое/ на расстоянии от точки Spectrum 1Spectrum 101.48 8.90Spectrum 27,12 мкм0.781.36 69.52В переходной зоне/ на расстоянии от точки Spectrum 1Spectrum 316,02 мкм2.321.09 77.13Spectrum 424,92 мкм0.841.10 79.50Spectrum 535,60 мкм0.951.93 82.01Spectrum 644,50 мкм0.871.40 96.61Spectrum 755,80 мкм0.821.69 97.49ZnФазы89.6228.33δ–FeZn7Feα(Zn)+Г19.4618.5615.111.120.00Feα(Zn)Feα(Zn)Feα(Zn)Feα(Zn)FeαТаблица 4.4 – Химический и фазовый состав в точках с 8 по 14 на рис. 4.8.ТочкаПоложение точкиSiMnFeсъемкиспектраВ Zn-слое/ на расстоянии от точки Spectrum8Spectrum 802.60 4.94Spectrum 98,90 мкм1.291.62 57.88Spectrum 10 16,91 мкм71.74В переходной зоне/ на расстоянии от точки Spectrum8Spectrum 11 25,81 мкм0.710.92 76.87Spectrum 12 35,60 мкм1.1578.90Spectrum 13 43,61 мкм0.891.40 94.28Spectrum 14 53,40 мкм0.851.48 97.67ZnФазы92.4640.5026.98δ–FeZn7Feα(Zn)+ГFeα(Zn)+Г21.5019.953.430.00Feα(Zn)Feα(Zn)Feα(Zn)Feα134Содержание Zn,%100090Содержание Fe,%807060504030201001020304050Расстояние от точки Spectrum 1, мкма)Содержание Zn,%100090Содержание Fe,%8070605050404030302020101000102020304050Расстояние от точки Spectrum 8, мкмСодержание Fe,%б)Рисунок 4.9– Концентрационные профили цинка и железа, полученные врезультате обработки спектров в точках 1-7 (а) и 8-14 (б) на рис.
4.8.135Полученные профили на рисунках 4.9 (а) и (б) с большой точностьюповторяют друг друга, что позволяет обобщить результаты. В отличие отцинковых покрытий, в данном случае кривые распределения концентрации цинкаобусловленыдиффузионнойприродойпроцесса.Вструктурепокрытияоказывается возможным формирование двухфазных областей с повышеннойтравимостью.Однофазная область твердого раствора Feα(Zn), определенная в качествепереходной зоны, соответствует участку кривой распределения цинка сконцентрацией менее 20% Zn. Толщина переходной зоны, оцененная по ширинеэтих участков, составляет 15-25 мкм, что согласуется с результатами в таблице 4.2.Детальный анализ фазового состава обнаруживает важную особенностьюцинкового слоя, полученного в условиях ДМЦ, а именно, наличие в неминтерметаллидной δ-фазы (точки Spectrum 1 и Spectrum 8 в табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
