Способ определения коэффициента диффузии в порошковых спеченных соединениях

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к исследованию физических свойств, и может быть использовано для контроля параметров диффузии в порошковых спеченных соединениях. Цель - упрощение способа. Способ заключается в приготовлении двухкомпонентных порошковых смесей путем механического перемешивания до однородного распределения и их последующего прессования. Перед и после изотермического отжига образцы рентгенографируют и измеряют максимум интенсивности одной и той же линии чистого компонента. Коэффициент диффузии рассчитывают по формуле DBA (LoA/16t)(1 -V1 + (j-1)/Z)2, где LOA- размер частиц компонента А (в которой измеряется коэффициент диффузии); у макс после диф.Лмакс до диф. - Отношение максимумов интенсивности до и после диффузии; 2,- параметр, который определяется пределом чувствительности метода регистрации интенсивности, зависимостью параметров решетки твердых растворов, образующихся при диффузии, от концентрации и видом граничных условий при взаимной диффузии в контактных зонах компонент; t - время диффузии. (Л

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 13/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4786148/25 (22) 29.01.90 (46) 23.03.92. Бюл. N 11 (71) Самарский государственный университет и Научно-исследовательский институт

"Экран" (72) А.B.Ïîêoåâ, Л.С.Балыкина, Ю.P.Äåíèсов и Д.И. Степа нов (53) 625.85:620Л (088.8) (56) Шиняев А.Я. Диффузионные процессы,в сплавах. — М.: Наука, 1975, с. 47.

Анциферов B.Н. и др. Взаимная диффузия и гомогенизация в порошковых материалах, — М,: Металлургия, 1988, с. 28-32. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ В ПОРОШКОВЫХ

СПЕЧЕННЫХ СОЕДИНЕНИЯХ (57) Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к исследованию физических свойств, и может быть использовано для контроля параметров диффузии в порошковых спеченных соединениях.

Цель — упрощение способа. Способ заклюИзобретение относится к порошковой металлургии, к исследованию физических свойств веществ и может быть использовано для контроля параметров диффузии в порошковых спеченных материалах.

Известен способ определения параметров диффузии в твердых телах, основанный на послойном снятии слоев и измерении их радоактивности.

Недостатком этого способа является

его сложность, обусловленная необходимостью внедрения радиоактивного диффузанта и повторения измерений после каждого снятия слоя.,,5U „„1721473 À1 чается в приготовлении двухкомпонентных порошковых смесей путем механического перемешивания до однородного распределения и их последующего прессования. Перед и после изотермического отжига образцы рентгенографируют и измеряют максимум интенсивности одной и той же линии чистого компонента. Коэффициент диффузии рассчитывают по формуле

" =i «)v- +Trn P,LoA — размер частиц компонента А (в которой измеряется коэффициент диффузии); у =

= макс после диф./IMaxc до диф. — отношение максимумов интенсивности до и после диффузии; 7»- параметр, который определяется пределом чувствительности метода регистрации интенсивности, зависимостью параметров решетки твердых растворов, образующихся при диффузии, от концентрации и видом граничных условий при взаимной диффузии в контактных зонах компонент; t — время диффузии.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения коэффициента диффузии как функции концентрации в порошковых материалах, основанный на приготовлении диффузионных пар (сначала 1-й порошок засыпают в форму и прессуют, затем 2-й насыпают на 1-й и прессуют оба), после чего образцы отжигают изотермически, измеряется концентрационное распределение элементов в диффузионной зоне методом локального рентгеноспектрального анализа и вычисляется концентрационная зависимость эффективного коэффициента взаимной диффузии. При этом измеренное концентрационное рас1721473 пределение из-за большого разброса значений сглаживается сплайн-функцией. Алгоритм построения сплайн-функции является по существу решением задачи регуляции по

Тихонову.

Коэффициент диффузии вычисляется ортогональным методом наименьших квадратов при использовании нормального регрессионного анализа.

Для проверки вычисленных значений 0 (С) решали уравнение Фика с заднными граничными условиями для С (х,О). Используя интегро-и нтер пол я цион н ы и метод, реш ение этого уравнения сводилось к решению разностной задачи на ЭВМ.

Для сопоставления с экспериментальными данными концентрационные кривые совмещали в плоскости Матано.

Недостатком указанного способа является его сложность, обусловленная необходимостью сглаживания экспериментальных данных измерений распределения концентраций в диффузионной сплайн-функцией, чтобы по ним вычислять коэффициент диффузии D (С). Кроме того, в порошковой паре нет строгой однородности в направлении, параллельном поверхности начального раздела, поэтому в каждом эксперименте проводятся несколько измерений распределения концентрации. Вычисленные значения О (С) усредняют, применяя метод нормального регрессионного анализа с ортогональными полиномами подбором значиь(ых степеней по Г-критерию

Фишера, что является сложным.

Целью изобретения является упрощение способа, расширение области его применения и повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения коэффициента диффузии в порошковых спеченных соединениях, заключающимися в приготовлении двухкомпонентных порошковых смесей, прессовании, последующем изотермическом отжиге, измерении электрических характеристик, по которым рассчитывают коэффициент диффузии., приготовление двухкомпонентных порошковых смесей проводят путем механического перемешивания до однородного распределения, перед и после изотермического отжига смесь рентгенографируют и измеряют максимальную интенсивность характеристических линий обеих или одной из компонент, а коэффициент диффузии рассчитывают по формуле

ОБА= ьд(1 — б,+ - )2, (1) 5

55 где LoA — размер частиц компоненты А, в которой измеряется коэффициент диффузии;

y — " "" " отношение макси(макс.до диф, мумов интенсивности до и после диффузии;

Z — параметр, который определяется пределом чувствительности метода регистрации интенсивности; зависимостью параметров решетки твердых растворов, образующихся при диффузии, от концентрации, и видом граничных условий при взаимной диффузии в контактных зонах компонент; — время диффузии.

Вывод рабочей формулы для 0вд основан на анализе изменений максимальной интенсивности линий чистых компонент порошковой смеси. Максимальная интенсивность линий чистых компонент пропорциональна их объемной доле в облучаемом рентгеновскими лучами объеме. В результате взаимной диффузии объемная доля чистых компонент уменьшается, что вызывает уменьшение интенсивности их рентгеновских линий, Относительное изменение интенсивности этих линий можно связать с параметрами процессов диффузии и с начальными размерами частиц порошков, Применение предлагаемого изобретения позволяет упростить способ, расширить область его применения и повысить точность измерения коэффициента диффузии в порошковых спеченных соединениях, Упрощение способа достигается за счет того, что вместо длительного процесса измерения и расчета коэффициента диффузии предлагается более простая формула определения коэффициента диффузии. Повышение точности измерения достигается тем, что предлагаемый способ исключает разброс значений концентраций и фактически позволяет получить информацию о протекании диффузии в любом конкретном участке диффузионной пары.

Предлагаемый способ измерения коэффициента диффузии имеет более широкую область применимости по сравнению с известным, так как метод локального рентгеноспектрального анализа, используемый по известному способу, имеет ограничения на значения атомного номера исследуемых элементов, а предлагаемый способ можно использовать для всех известных элементов.

Пример. Предлагаемый способ определения коэффициента диффузии s 2-компонентных порошковых спеченных

1721473

50

aA = аде = 2,86647 А;

55 соединениях реализован следующим образом.

Порошки эквиатомного состава Fe и Мп, что не ограничивает общности, перемеши вают механически и прессуют с получением плоской поверхности, С помощью рентгеновского аппарата ДРОН-2 под углом О=

=52,4 производят рентгеносъемку поверхности прессовки и измеряют максимум интенсивности 1макс характеристической линии СоКдот компонента А (железо Fe).

После диффузионного отжига в печи при 730 С в течение 3 ч снова измеряют максимум интенсивности той же характеристической линии IMa c и вычисляют у — " " " д"ф . Для линии железа у =

=0,093.

Коэффициентдиффузии компонента В и

А (Mn и Fe) можно вычислить по формуле (1)

При t = 3 3600 с и y= 0,093 находят два других параметра: LQA (размер зерна Fe) и Z.

Размер зерна можно определить металлографическим микроскопом. 1оре

130 10 см.

Параметр Z определяется из решения уравнения для взаимной диффузии

Ne (у, r) = — (1 — erf-222D — ), (2)

Я

rpe N5 — начальная концентрация В.

После преобразования C()Р д= erf 2, где Z — аргумент функции erf;

С",Р д — предельная относительная концентрация компонента В (Мп) и А (Fe), при которой железо считается чистым (так как чувствительность рентгеновского аппарата

aep«= 0,1 ).

С,"Ред можно вычислить используя за- кон Вегарда и закон Вульфа-Брэгга: — .clg О AQpqp, (3) где ад — постоянная решетки компонента А;

b — постоянная Вегарда;

Π— угол Вульфа-Брэгга (О = 52 ). о 0,1 3,14

Л ()peA =0,1 — 180 рад

Ьре-Mn = 0,5 10 А/ат. % .

Таким образом, CQ> д = 8 ат.

При CQ ;д 8 ат. /, железо считается чистым (смещение линии железа меньше

0,1), а при СК;д 8 ат, интенсивность

"уносится" из основной линии, т,е. уже имеют дело не с "чистым" железом, а сплавом.

Определив CQ> д, можно найти Z: =1-2 .0,08= 0,84 = 1-2 СЮд= ert 2.

Из таблиц функции ошибок находят, что значению 0,84 соответствует аргумент Z =

1.00.

Вычисляют по формуле (1) коэффициент диффузии Мп и Fe, равный 4,9 10 см !с.

Использование предлагаемого способа по сравнению с известным позволяет существенно упростить методику расчета коэффициента диффузии, тем самым ускорить процесс его вычисления (на 50 ), повысить точность измерения коэффициента диффузии, так как Ilo известному способу из-за неоднородностей порошковых соединений наблюдался большой разброс значений концентраций, который затем сглаживался сплайн-функцией, а также расширить область применения, так как известный способ применим лишь для определенного количества элементов периодической таблицы, а предлагаемый способ может быть использован для всех элементов.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента диффузии в порошковых спеченных соединениях, заключающийся в приготовлении двухкомпонентных порошковых смесей, прессовании, последующем изотермическом отжиге и измерении характеристики, по которой рассчитывают коэффициент диффузии,:о-т л и ч а ю щи и с я тем, что, с целью упрощения способа, расширения области его прйменения и повышения точности измерения, приготовление двухкомпонентных порошковых смесей проводят путем механического перемешивания до однородного распределения, перед и после изотермического отжига смесь рентгенографируют и измеряют максимальную интенсивность характеристических линий обоих или одного из компонент, а коэффициейт, диффузии рассчитывают по формуле свд= -щ(1 — + }

L6A — г где LQA — размер частиц компоненты А (в которой измеряется коэффициент диффузии); у — м " " диф — отношение мак-! макс.до диф. симумов интенсивности до и после диффузии;

1721473

15

25

35

45

Составитель Е. Карманов

Техред М.Моргентал Корректор Э. Лончакова

Редактор Н. Рогулич

Заказ 947 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Z — параметр, который определяется пределом чувствительности метода регистрации интенсивности, зависимостью параметров решетки твердых растворов, образующихся и ри диффузии, от концентрации и видом граничных условий при взаимной диффузии в контактных зонах компонент;

t — время диффузии.