Механохимический синтез (МС) смесей индивидуальных компонентов стоит в ряду современных технологий для получения наноструктурированных металлических сплавов.
Относительная простота метода МС, заключающаяся в использовании мельниц различной конструкции с разной энергонапряженностью помола, позволяет получать сплавы в виде порошков, которые могут иметь непосредственное применение, либо служить прекурсорами для компактированных материалов.
Формирование сплава происходит в условиях сильно удаленных от равновесия, в результате чего могут быть получены как нанокристаллические, так и аморфные структуры.
Структура и свойства сплавов, образующихся в результате твердофазного взаимодействия компонентов, зависят от ряда факторов, в том числе от энергонапряженности помола.
Сплавы системы Fe-B имеют практическое применение благодаря комплексу уникальных свойств, таких как тугоплавкость, высокая твердость, химическая устойчивость в различных агрессивных средах и другие. Так, например, бориды и сплавы, содержащие бор, применяются в атомной энергетике также благодаря своим специальным свойствам [1].
Известно, что в сплавах системы Fe-В с содержанием бора более 8,86 мас.% при температуре 1682 К в результате взаимодействия жидкости и моноборида железа FeВ происходит перитектическое превращение L + FeB ↔ Fe2B , вследствие которого происходит образование борида Fe2В [2]. Кристаллическая решетка Fe2B – типа CuAl2 с 12 атомами в элементарной ячейке.
На диаграмме состояния системы Fe-B (рис.1) [3] ряд авторов указывает на фазовое превращение β − FeB → α − FeB [2], которое происходит при температуре 1400 К. Моноборид железа FeB имеет ромбическую решетку с 8 атомами в элементарной ячейке. Растворимость бора в α-Fe мала и при 906°С составляет 0,008% (ат.), а в γ-Fe она еще меньше. Предположительно твердый раствор бора на основе α-Fe представляет собой твердый раствор замещения, а на основе γ-Fe – внедрения.
Механохимический синтез сплавов на основе железа с различными р-элементами, осуществлен в ряде работ, что отражено в обзоре [4]. Хотя условия проведения твердофазного химического взаимодействия существенно различаются, в результате МС образуются метастабильные наноразмерные фазы.
В данной работе для получения сплавов Fe-B использовались Fe – чистотой 99.9% со средним размером частиц 40 мкм и В-аморфный – 99.88%. Механическое сплавление проводили в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице МАПФ-2М из стали ШХ-15 в атмосфере аргона при водяном охлаждении барабана. Для исследования продуктов помола использовали метод рентгенодифракционного анализа (ДРОН-4-07, монохроматизированное CuKα_излучение). Компьютерная обработка данных рентгенодифракционного анализа проводилась с использованием набора программ X-RAYS.
Установлено, что МС в эквиатомной смеси бора и железа происходит путем непосредственного образования боридных фаз. На первой стадии помола в высокоэнергетической шаровой мельнице образуется метастабильный нанокристаллический борид Fe2B, который сохраняется в сплаве наряду со свободным железом в широком интервале температур. После нагревания выше 900оС сплав содержит α-Fe и стабильную тетрагональную фазу Fe2B (тип C16). Дальнейший помол приводит к образованию однофазной структуры моноборида FeB.
Рис. 1. Диаграмма состояния Fe-B.