CC BY
30
коэффициент пропускания для широкого диапазона длин волн ( ~ 60нм). Кроме того, показано, что дефект для излучения световой волны с длиной волны, находящейся в диапазоне длин волн с высоким коэффициентом пропускания, можно сформировать в световой запрещенной зоне путём ввода единичного точечного дефекта соразмерного радиуса в двумерную световую кристаллическую пластину;
2) при точной настройке длины волны излучения можно поддерживать высокую выходную эффективность путём выбора соразмерного радиуса дефекта и его положения. Точная настройка длины волны излучения достигается при использовании точечного дефекта путём изменения радиуса дефекта.
Литература
1. Masahiro Imada. Channel drop filter using a single defect in 2-D photonic crystal slab waveguide / Imada Masahiro,
Noda Susumu, member IEEE, Chutinan Alongkarn // J. Lightwave Tehnology - 2002. - May, Vol. 20. - P. 873 - 878.
2. Willner A.E. Monitoring and control of polarization - related impairment in optical fiber systems / A.E. Willner, S.M. Reza, Motaghian Nezam, L.Yan, Z.Pan, M.C. Hauer // J. Lightwave Technol - 2004. - Jan., Vol. 22. - P. 107 - 123.
3. Madsen C. An all - pass filter dispersion compensator using planar waveguide ring resonator / C.Madsen, G. lenz, A.Bruce, M.Cappuzzo, L.Gomez, T., L. Nielsen Adams, I. Brenner // J. Lightwave Technol - 2000. - Jan., Vol. 17. - P. 518 - 614.
4. Портнов Э.Л. Оптические кабели святи и пассивные компоненты волоконно - оптических линий связи / Э.Л. Портнов- M.: Горячая линия - Телеком, 2007.- 462с.
5. Волоконно - оптические системы передачи и кабели: Справочник/ И.И. Гроднев, А.Г. Мурадян, Р.М. Шарафу-идинов - М.: Connect, 2000. - 376с.
-□ □-
Дослиджено структуру переходного шару та розподш в ньому xiMi4Hux елементiв при формуванш на сталi тонкошарових скло-покрить систем Na2O - B2O% - TiO2 - SiO2 i Na20 - Si02 - P20i} - M0O3, одержаних з силшатних колоТдних розчитв
Ключовi слова: склопокриття, перехид-
ний шар, дифузiя, коефщент дифузи
□-□
Исследована структура переходного слоя и распределение в нем химических элементов при формировании на стали тонкослойных стеклопокрытий систем Na2O
- B2O3 - TiO2 - SiO2 i Na2O - SiO2 - P2O5 -M0O3, полученных из силикатных коллоидных растворов
Ключевые слова: стеклопокрытия, переходной слой, диффузия, коэффициент диффузии
□-□
The structure of transition layer and the distribution of chemical elements in such layer during forming on steel the thin-layer glass covers of Na2O - В2О3 - TiO2 - SiO2 andNa2O - SiO2 - P2O5
- MoO3 systems, obtained from silicate colloid solutions, are investigated
Keywords: glass cover, transition layer, diffusion, diffusion coefficient -□ □-
УДК 666.291+666.293
ДИФУЗ1ЙН1 ПРОЦЕСИ НА МЕЖ1 КОНТАКТУ
СТАЛЬ-СКЛОПОКРИТТЯ
Я . I. Вахул а
Доктор техычних наук, професор, завщувач кафедри Кафедра хiмiчноT технологи сил^алв* Контактний тел.: 8 (032) 258-21-67 E-mail: sylikat@polynet.lviv.ua
Я.М. Гумницький
Доктор техычних наук, професор Кафедра екологи та охорони навколишнього
середовища* Контактний тел.: 8 (032) 258-24-53
М.Я. Кузнецова
Астрант
Кафедра хiмiчноT технологи сил^алв* Контактний тел.: 8 (032) 258-21-67 E-mail: martam@mail.ru *Нацюнальний уыверситет '^BiB^^ пол^ехшка" вул. С. Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013
Вступ
Одним з основних методiв захисту технолопчного обладнання, яке працюе в умовах агресивних середовищ
та тдвищених температур, е формування на його по-верхш захисного шару [1]. Для даних щлей використо-вують покриття рiзноманiтноï природи, зокрема, скляш тонкошаровi покриття, яким властива висока хiмiчна
i термостiйкiсть [2]. Завдяки таким покриттям значно тдвищуються термiни експлуатацii обладнання.
При формуванш скляного покриття на металевому пiдкладi на межi контакту склопокриття-метал внас-лiдок рiзноi природи матерiалiв, як правило, утво-рюеться границя роздiлу. Поява такоi гранищ може спричинити негативний вплив на мщшсть з'еднання двох поверхонь, осюльки при переходi вiд металу до скла вщбуваеться стрибкоподiбна змiна властиво-стей. Для одержання мiцного з'еднання мiж рiзними матерiалами необхiдно забезпечити поступову змшу властивостей на межi контакту завдяки формуванню градiентноi дифузiйноi зони.
Оскiльки формування скляного покриття вщбува-еться при пiдвищених температурах, стае можливим дифузшний перерозподiл елеменпв мiж контактую-чими матерiалами [3]. Внаслщок цього вiдбуваеться змiна концентрацш у поверхневих шарах матерiалiв, що контактують, з утворенням промiжного шару на гранищ розподшу метал-скло. Утворення перехщного шару е визначальним для досягнення необхiдноi адге-зii мiж склопокриттям i пiдкладом.
Мета роботи
Мета даноi роботи - визначити концентрацшний розподiл хiмiчних елементiв у перехвдному шарi, який формуеться на межi роздiлу сталь 08 КП - склопо-криття та встановити значення коефвденту дифузii окремих елеменпв залежно вiд складу покриття, що контактуе з металом.
Результати дослщжень
Концентрацiйний розподiл елеменпв перехiдного шару, сформованого на межi сталь-склопокриття складу Na2O - В203 - TiO2 - SiO2, визначався на основi Тi, Si, Fe.
Аналiзуючи одержанi результати (рис. 1), можна стверджувати, що на гранищ контакту мае мшце дифузшний процес, який викликаний градiентом концентрацш. На це вказуе характер кривих розпод^у елеменив, яю спрямоваш в сторону вирiвнювання концентрацп. Окрiм цього, даний процес мае взаемо-направлений характер, про що свщчить наявнiсть в перехiдному шарi одночасно елементiв, якi е складови-ми скляного покриття (Тi, Si) i елементiв, що належать сталi (Fe).
Для елементiв склопокриття спостертеться сут-тева вiдмiннiсть у глибиш, на яку вони дифундують. Так, титан дифундуе у сталь на глибину близько 100 мкм, а силщш лише на 40 мкм. Можна припустити, що така дифузiя титану можлива за рахунок його вход-ження до кристалiчноi структури сталi i, як наслщок, заповнення рiзного роду дефектiв у структурi сталi (зокрема вакансiй), яю виникли при виготовленнi, нагрiваннi, деформацп. При цьому можуть мати мшце декiлька механiзмiв дифузii: обмiн мшцями атомiв, одночасне циклiчне перемiщення деюлькох атомiв, перемiщення '¿х по мiжвузлях та iн. [5]. Дифузiя силь цiю на незначну вiдстань можливо спричинена його поганою розчиншстю в метал^ зокрема, через при-сутшсть силiцiю в складi сталi (вмкт Si в сталi 08 КП становить 0,03%) [6].
Попередшми дослвдженнями [4] встановлено, що найбiльш ефективним з точки зору корозшно' стш-костi та температури формування е склопокриття системи №20 - В203 - TiO2 - SiO2. Однак, адгезшна мiцнiсть покриття цього складу е низькою, через що його експлуатащя нетривала. Для пiдвищення адгезп розроблено склад грунтового покриття системи №20 - SiO2 - Р2Об - Мо03 з подальшим формуванням основного захисного шару. Для формування покриття склотвiрний розчин, що мiстив вщповщш компоненти, наносили методом пульверизацii на роз^риу пластину. В результат вiдбуваеться випаровування розчин-ника та розклад солей. Продукти термоосадження обтоплювались у печi згiдно розроблених режимiв: для грунтового шару температура 7800С, час витримки
5 хв, для основного шару температура 7600С, час 10 хв. Для дослщження перехщного шару, який утворюеться на межi контакту сталь - покриття в процеа форму-вання захисного покриття, була застосована скануюча електрона мжроскотя з використанням мжроскопу-аналiзатора фiрми "Akashi" DS-130C. Дослiджуванi зразки проходили попоредню мехашчну обробку. Для того, щоб запоб^ти пошкодженню покриття в процесi шлiфування, зразки зi сформованим склопокриттям укршлювали епоксидною смолою. Шлiфування здшс-нювали за допомогою алмазних паст рiзноi зернисто-стi з подальшим напиленням на тдготований торець зразка шару вуглецю.
Рис. 1. Концентрацшний розподт елементiв у перехщному шарi скляного покриття системи Na2O — В203 — TiO2 — SiO2
Для кiлькiсноi характеристики процесу дифузп визначалося значення коефiцiенту дифузп. З матема-тично' точки зору дана задача - це однопараметричне дифузшне поле для кожного з елеменпв (сталi та покриття), а в сукупносп - задача молекулярно-дифу-зiйного перенесення з граничними умовами четвертого роду. Розв'язання та^ задачi для теплопровiдностi двох контактних тш дано в дослщженнях [7]. Кiнцеве рiвняння для дифузшного процесу мае наступний вигляд:
1 + — с1 = кр ^Тр^Г
с '
erfc
|х2|
де С1 - концентрацiя елементу в склопокриттц С2
- концентрацiя елементу в сталг, Х1, х2 - вщстань, на якiй концентрацiя елементу становить Сь С2 вщпо-вщно; D1 - коефiцieнт дифузii для склопокриття; D2
- коефiцieнт дифузп для сталi, К— = — .
V —2
Дане рiвняння було використано для визначен-ня коефвденпв молекулярноi дифузii у перехщному шарi.
У результатi проведених розрахунюв встановле-но, що значення коефвденту дифузii для силiцiю в склопокритп D1 складае 1,75 40-14 м2/с, а коефвдент дифузii в сталi D2 = 1,5740-14 м2/с, для титану - D1 = 5,9340-13 м2/с, D2 = 2,0740-13 м2/с. Вщносно низьке значення коефiцiенту дифузii для Si пояснюе невели-ку вщстань, на яку дифундуе силiцiй, незважаючи на великий градiент концентрацiй.
Присутшсть значноi кiлькостi Fe у перехщному шарi спричинена великою концентрацiею залiза в ста-лi та хорошою здатнiстю скла розчиняти сполуки залiза [8, 9]. Тому, в результат високого значення гра-дiента концентрацш, вiдбуваеться iнтенсивна дифузiя залiза при порiвняно невисокому значеннi коефiцiенту дифузп, який для сталi складае D2 = 7,3340-13 м2/с, а для скла D1 = 1,0910-12 м2/с. Наявнiсть сполук залiза в перехщному шарi сприяе повiльнiй змiнi властивостей при переходi вiд металу до покриття, що позитивно впливае на зростання мщноси зчеплення покриття з металом [8].
Мщтсть зчеплення скляного покриття системи №20 - В203 - ТЮ2 - SiO2 зi сталлю становить 0,4 МПа. Можна припустити, що таке низьке значення адгезп виникае через незначну дифузж елеменив склопокриття в сталь i навпаки. В результатi цього неможливо сформувати перехщний шар достатньоi товщини.
Низью експлуатацiйнi показники склопокриття системи №20 - В203 - TiO2 - SiO2 пiдтверджуеться даними мiкроскопiчних дослвджень поперечних шль фiв, результати яких зображеш на рис. 2.
мшць руйнування спостерiгаеться значна кiлькiсть трщин та дефектiв дослiджуваного склопокриття, яю розповсюджуються на значну вiдстань по товщиш покриття. Перехiдний шар, що сформований на межi контакту сталь-покриття, малопомггний i недостатнiй для одержання скляного покриття з високими експлу-атацiйними властивостями.
Для тдвищення адгезiйноi здатностi розроблено склад грунтового покриття системи №20 - SiO2 - Р2Об - Мо03, на якому формували захисний шар системи №20 - В203 - TiO2 - SiO2. При вивченш концентра-цiйного розподiлу еменпв у перехiдному шарi, який формуеться на гранищ розподiлу сталь - грунтове покриття, дослщження проводились на гранищ розпо-дiлу двошарового скляного покриття (грунт системи №20 - SiO2 - Р2Об - Мо03, захисний шар системи Na2O - В203 - TiO2 - SiO2). Концентрацiйний розподiл елементiв визначався на основi Fe, Si, Р.
У результат проведених дослiджень (рис. 3) вста-новлено, що при формуванш двошарового скляного покриття, як i у випадку одношарового покриття, мае мiсце дифузiйний взаемонаправлений процес.
Рис. 2. ММкрофотографп поперечного шлiфа сталь — склопокриття системи Na2O — В203 — TiO2 — SiO2
Одержанi мiкрофотографii дають змогу спостерь гати значнi вiдшарування практично по всш площинi контакту мiж склопокриттям i сталлю, а також руйнування цШсносп покриття. При детальтшому аналiзi
Рис. 3. Концентрацiйний розподт елементiв у перехiдному шарi при формуванш двошарового склопокриття
Прагнення системи шляхом дифузп вирiвняти кон-центращю елементiв у перехiдному шарi мiж покрит-тям i грунтовим шаром призводить до значноi дифузii залiза в грунтовий шар. У даному випадку спостерт-еться бiльш штенсивна дифузiя порiвняно з дифузiею для одношарового покриття. Про це сввдчить вища концентрацiя залiза в перехщному шарi i зростання товщини самого шару. Крiм цього, встановлено, що значення коефвденпв дифузii залiза в склопокритп D1 = 2,2340-11 м2/с та сталi D2 = 2,4810-12 м2/с е вищи-ми, шж в одношаровому покриттi. Можна припустити, що таю змши ввдбуваються за рахунок вищоi темпера-тури формування Грунтового шару, а також зростання загальноi тривалосп формування двошарового по-криття.
Аналiзуючи концентрацiйний розподiл силщю у дифузiйнiй областi, спостерiгаеться деяке зменшення його концентрацп в перехщному шарi, порiвняно з одношаровим покриттям. При цьому товщина самого перехiдного шару зростае. Це викликано меншим вмь стом силвдю (45 мас. %) у грунтовому шарi системи №20 - SiO2 - Р2Об - Мо03, порiвняно iз склопокриттям системи №20 - В203 - ТЮ2 - SiO2 (56,3 мас. % силвдю).
OKpiM цього, спостерпаеться, що концентрацiя силщю змiнюeться на бiльшу вiдстань, i значення коефiцiентiв дифузп в склопокритт i сталi D1 = 2,1310-13 м2/с i D2 = 1,9010-13 м2/с е вищими порiвняно з одношаровим по-криттям.
Дифузiя фосфору в перехщному шарi вiдбуваеться на незначну ввдстань i значення коефвденпв дифузiï е вiдносно невисокими (для сталi D2 = 1,6410-14 м2/с, для склопокриття D1 = 2,0110-13 м2/с). Такi результати викликаш малим вмiстом фосфору (9 мас. %) у склот-вiрнiй системi Na2O - SiO2 - P2Os - MoO3.
Отже, збiльшення товщини перехiдного шару, кое-фiцiентiв дифузп, а також присутшсть у промiжному шарi фосфору, дозволяе стверджувати, що наявшсть грунтового шару позитивно впливае на мщшсть зче-плення скляного покриття з металом ( мщшсть зче-плення становить 3,4 МПа).
Шдтвердженням вищенаведеного е мжрофотогра-фп поперечних шлiфiв сталь-грунтовий шар складу Na2O - SiO2 - P2O5 - MoO3 (рис. 4 а) i сталь-двошарове покриття (рис. 4 б).
»
А Ч
У
i
Рис. 4. Мкрофотографи поперечних шлiфiв: а) сталь — грунтовий шар системи Na2O — SiO2 — Р205 — Мо03, б) сталь — двошарове покриття
Одержанi мiкрофотографii поперечних шлiфiв сталь-грунтовий шар системи Na2O - SiO2 - Р2Об
- MoO3 (рис. 4а) пiдтверджують високу ефектившсть використання грунтового склопокриття даного складу для пiдвищення адгезiï зi сталлю. Сформоване покриття е яюсним по усiй товщинi та плошд контакту зi сталлю, без видимих дефекпв i трiщин.
На мжрофотографп (рис. 4б) представлено сформоване захисне склопокриття системи Na2O - B2O3
- TiO2 - SiO2 на грунтовому шарi системи Na2O - SiO2
- P2O5 - MoO3. Захисне покриття мае яюсну, рiвномiр-ну по усiй плошд контакту покриття структуру, в якш вiдсутнi трiщини i вiдшарування, що не спостерпаеть-ся при формуванш одношарового покриття.
Висновок
У результат проведених дослiджень встановлено, що концентрацшний розподш елементiв перехiдного шару на межi контакту сталь-склопокриття в значнш мiрi залежить вiд природи i складу покриття, яке кон-тактуе зi сталлю, що пiдтверджуеться розрахованими значеннями коефвденпв дифузiï. Використання Грунтового покриття складу Na2O - SiO2 - P2O5 - MoO3 дозволяе збiльшити товщину перехiдного шару i по-кращити адгезiю захисного склопокриття до стального тдкладу.
Лiтература
1. Семенова И. В., Флорианович Г. М., Хорошилов А. В. Кор-
розия и защита от коррозии // Под ред. И. В. Семенова. М.: Физматлит, 2002. - 335 с.
2. Фроленков К. Ю. Жаростойкие стеклокерамические по-
крытия для защиты от высокотемпературной газовой коррозии низколегированных сталей // Физикохимия поверхности и защита материалов. - том 45, № 4. - 2009.
- С.415-421.
3. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. - М.:
Химия, 1974. - 688с.
4. Вахула Я. I., Маципн М. Я. Склоутворення в системах
Ка20 - ТЮ2 - БЮ2 та Ка20 - В203 - ТЮ2 - БЮ2 на основ! колощних розчишв // Вюник НУ "Льв1вська поль техшка". Х1м1я, техн. речовин та 1х застосування. - № 553.
- 2006. - С. 245-248.
5. Боровской И. Б., Гуров К. П., Марчукова И. Д., Угасте Ю.
Э. Процессы взаимной диффузии в сплавах. - М.: Наука, 1973. - 360 с.
6. Сорокин В. Г., Колосникова А. В., В'ятки С. А. Марочник
сталей и сплавов. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.
7. Ликов А. В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая шко-
ла, 1967. - 600 с.
8. Солнцев С. С. Защитные технологические покрытия и ту-
гоплавкие эмали. - М.: Машиностроение, 1984. - 255 с.
9. Петцольд А., Пешманн Г. Эмаль и эмалирование. Справоч-
ник. - М.: Металлургия, 1990. - 576 с.
