Виробництво, властивості та застосування карбіду бору В4С

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до бакалаврської дипломної роботи на тему:

" Дослідження порошку В₄С як компонента лазерного поверхневого легування титанових сплавів"________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

Студент групи МЗ–41 Карпова Т.В.__________

(шифр, прізвище та ініціали)

Керівник роботи _____ ( Е.І.Плешаков )

Консультанти: _____ (__________ )

_____ (__________ )

_____ (__________ )

Завідувач кафедри__________________ (З.А.Дурягіна )

«»_________________ 2015 р.

Національний університет «Львівська політехніка»

(назва вищого навчального закладу)

Інститут ІІМТ Кафедра ПМОМ

Спеціальність Інженерне матеріалознавство

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідувач кафедри __ ПМОМ

­­­­­­­­­______З.А. Дурягін .

«_____»______________ 2015 р.

ЗАВДАННЯ

на бакалаврську кваліфікаційну роботу студентові

Карповій Тетяні Влодимирівній

(прізвище, ім’я, по батькові)

1. Тема роботи " Дослідження порошку В₄С як компонента лазерного поверхневого легування титанових сплавів "_______________________________________________

затверджена наказом по університету від «__» ____ 2015 р. № ____________

2. Термін подання закінченої роботи ______________

3. Вихідні дані до роботи

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити)

5. Перелік графічного матеріалу

6. Консультанти у роботі, із зазначенням розділів роботи кожного

7. Дата, коли завдання видано 18 травня 2013 р.___________________________

Керівник ______________________

(підпис)

Завдання прийняв до виконання ______________________

(підпис)

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

Студент ____________________

(підпис)

Керівник роботи ____________________

(підпис)

РЕФЕРАТ

Бакалаврська дипломна робота: 82 с., 19 рис., 11 табл., 25 джерел.

Об’єкт дослідження — порошок карбіду Бору В₄С фірми Sigma-Aldrich для лазерного легування.

Мета роботи — дослідити розмірний та фазовий склад порошку карбіду Бору В₄С та його вплив на ефективність легування титанових сплавів.

Методи дослідження — металографічний та рентгеноструктурний аналізи, визначення розмірного складу порошку за допомогою програмного забезпечення ImageJ.

Розглянуто характеристику порошку карбіду Бору, зокрема методи отримання, властивості та застосування. Також проведено дослідження розмірного та фазового складу порошку В₄С із застосуванням методик металографічного та рентгеноструктурного аналізів порошку.

Крім цього підраховано площі проекцій частинок порошку за допомогою програмного забезпечення ImageJ, а також методом стереометричної мікроскопії.

Виявлено, що

КАРБІД БОРУ, ПОВЕРХНЕВИЙ ШАР, ЛАЗЕРНЕ ЛЕГУВАННЯ, ЗНОСОТРИВКІСТЬ, ФАЗОВИЙ СКЛАД.

Зміст

Вступ............................................................................................................. ..................................................................................................................... 3

1 Виробництво, властивості та застосування В₄С ..................................... ....................................................................................................................... 10

1.1 Способи виробництва .......................................................................... ....................................................................................................................... 10

1.2 Основні властивості карбіду Бору....................................................... ....................................................................................................................... 13

1.2.1 Кристалічна структура .................................................................. ....................................................................................................................... 17

1.2.2 Фізичні властивості ....................................................................... ....................................................................................................................... 17

1.2.3 Хімічні властивості ....................................................................... ....................................................................................................................... 18

1.2.4 Механічні властивості ................................................................... ....................................................................................................................... 19

1.3 Застосування......................................................................................... ....................................................................................................................... 21

2 Об’єкт та методики дослідження ............................................................ ....................................................................................................................... 23

2.1 Обґрунтування вибору об’єкта дослідження .................................. ....................................................................................................................... 24

2.2 Методики металографічного дослідження порошку В₄С ................ ....................................................................................................................... 27

2.2.1 Оптична мікроскопія........................................................ .......................................................................................................... 3

2.2.2 Растрова електронна мікроскопія (РЕМ)........................................ ....................................................................................................................... 24

2.3 Методики визначення розмірів мікрочастинок порошку В₄С............ ....................................................................................................................... 27

2.3.1 Визначення розподілу частинок за площею їх поперечного перерізу........................................................................ .......................................................................................................... 3

2.3.2 Методика визначення розмірів частинок методом стереометричної мікроскопії............................................................. .......................................................................................................... 3

2.4 Методика рентгеноструктурного дослідження порошку В₄С............ ....................................................................................................................... 29

3 Розмірний та фазовий склад порошку карбіду Бору В₄С фірми

Sigma-Aldrich для лазерного легування.......................................................... ....................................................................................................................... 30

3.1 Визначення розподілу частинок порошку за розмірними групами... ....................................................................................................................... 30

3.2 Фазовий аналіз порошку...................................................................... ....................................................................................................................... 30

3.3 Застосування порошку для лазерного легування титанового сплаву

Ti-6Al-4V.......................................................................................................... ....................................................................................................................... 30

4 Характеристика лабораторії з точки зору охорони праці........................ ....................................................................................................................... 30

4.1 Виробнича санітарія.............................................................................. ................................................................................................................. 30

4.2 Техніка безпеки..................................................................................... ................................................................................................................. 30

4.3 Надання невідкладної допомоги потерпілому.................................... ................................................................................................................. 30

Висновки....................................................................................................... ................................................................................................................... 30

Перелік посилань.......................................................................................... ................................................................................................................... 30

Вступ

Титанові сплави набули широкого використання у промисловості завдяки великій питомій міцності й корозійній тривкості. Проте низька зносотривкість обмежує їх застосування у деяких галузях. Ефективним способом підвищення зносотривкості титанових сплавів є лазерне легування.

Для такого легування можна використовувати порошкові матеріали, які подаються у вигляді дисперсних частинок на поверхню сплаву. Така композитна структура є малодослідженою. Але застосування порошку карбіду Бору для легування матричного сплаву вважається перспективним.

Відомо, що за допомогою лазерного легування можна формувати поверхневі шари різного функціонального призначення. Зазвичай такі шари володіють підвищеною твердістю, зносотривкістю, корозійною тривкістю [1, 2].

Для модифікування поверхні металів перевага віддається методам керуючої обробки, що використовують як теплове джерело концентровані потоки енергії: іонні, лазерні, ультразвукові й інші. У цьому зв'язку актуальним завданням є розробка доступних, економічних, високоефективних і екологічно безпечних технологій зміцнення поверхневих шарів виробів з титанових сплавів, що забезпечують отримання необхідних експлуатаційних властивостей.

Лазерні технології дозволяють успішно вирішувати проблему створення матеріалів із заданим комплексом властивостей шляхом цілеспрямованого формування необхідної структури [5]. При лазерному легуванні можливо формувати такі властивості поверхні, які мають високий рівень твердості, теплостійкості, зносостійкості й корозійній стійкості. Процеси локального легування реалізуються за допомогою як імпульсного, так і безперервного лазерного випромінювання [6]. При цьому можуть застосовуватися різні схеми обробки «з перекриттям» і без нього. Технологічні закономірності процесу, залежать також від способу подачі в зону обробки легуючого складу, виду легуючого елемента (елементів), властивостей матричного матеріалу [7].

Тому, дослідження направлені на створення технології лазерного легування титанових сплавів з використанням порошкових сумішей досить актуальні, саме вирішенню цих питань присвячена ця бакалаврська робота.

Розділ 1

Виробництво, властивості та застосування карбіду бору В4С

Способи виробництва

Вперше карбід Бору був отриманий в 1858 році. У 1883 році цей карбід синтезував Джолі. Найпоширеніші сучасні методи виробництва карбіду Бору є такі [22]: прямий синтез з елементів; відновлення оксиду Бору (В₂O₃) або борної кислоти (Н₃ВO₃) вуглецем; відновлення оксиду Бору магнієм за присутності вуглецю; відновлення хлориду Бору воднем у наявності вуглецю.

Ці способи отримання карбіду Бору відрізняються використанням різної вихідної сировини, температурою протікання реакцій, продуктивністю, чистотою отриманих продуктів та їх цільовим призначенням.

Відновленням оксиду бору B₂O₃ (або борної кислоти) вуглецем в електродугових печах. Процес високотемпературного (ΔG=0 при 1556 °С) вуглецевотермічного відновлення оксиду бору

2В₂O₃ + 7С = В4С +6 СО; (1)

відбувається в два етапи :

В₂О₃ + 6С=4B + 6CO; (2)

4В+С=В₄С (3)

Як бачимо, у такому процесі передбачається проміжна стадія (3), яка відповідає екзотермічній реакції взаємодії бору з вуглецем. При такому протіканні реакції (1) продукт за рахунок взаємодії між атомами бору та вуглецю, може формуватися у вигляді ниткоподібних кристалів, в тому числі, і у формі порожнистих наноструктур В₄С.

Синтез з елементів.Протікає за реакцією:

4В+С=В4С (4)

Технологічний процес отримання карбіду Бору синтезом з елементів заснований на взаємодії дрібнодисперсних порошків Бору і Карбону при високих температурах(2300-2500^oC). Велике значення мають умови змішування компонентів, їх компактування і температурний режим в зоні високих температур.

Недоліком цього способу є занадто висока температура синтезу, яка викликає розкладання карбіду Бору з сублімацією Бору і збагаченням вуглецем продукту, що залишився. Виробництво таким способом не має промислового застосування.

Відновлення борного ангідриду магнієм за участі вуглецю. Проходить за реакцією:

2В₂О₃+6Mg+С=В₄С+6MgO (5)

Цей спосіб забезпечує отримання карбіду Бору вже за1000-1200°С. Продукт реакції відмивається від оксиду магнію соляною кислотою. Зважаючи на складність процесу (використання дорогих матеріалів, хімічне збагачення отриманого продукту) він поки що практичного застосування не має, проте важливий для лабораторної практики отримання карбіду точного стехіометричного складу.

Відновлення хлориду Бору воднем з присутністю вуглецю. Проводиться таке відновлення з подальшим осадженням отриманого карбіду В₄С на вольфрамовому дроті:

4ВС₁₃+6Н₂+С=В₄С+12НСl (6)

Такий спосіб використовується для отримання дуже малих кількостей чистого карбіду Бору, тому він не отримав промислового застосування.