Химико-термическая обработка

Закономерности изменения состава и структуры при химико-термической обработке

Химико-термическая обработка, сочетающая тепловое воздействие с химическим, изменяет состав и структуру в поверхностных слоях, а иногда и по всему объему изделия.

Для изменения химического состава изделие нагревают в активной среде. Во время выдержки изделие диффузионно обогащается элементами из внешней среды. Кроме того, химико-термическую обработку можно использовать для диффузионного удаления из изделия примесей, а в отдельных случаях и основных компонентов.

Подавляющее большинство промышленных процессов химико-термической обработки включает диффузионное обогащение поверхностных слоев изделий неметаллами или металлами из внешней активной среды, для чего используют газовые, жидкие и твердые среды.

Самый известный из этих процессов — цементация (науглероживание стальных изделий в древесном угле при высоких температурах) относится к числу древнейших операций термической обработки, использовавшихся задолго до н. э.

Можно выделить три одновременно идущих процесса, обеспечивающих обогащение изделия элементами из внешней среды.

Первый процесс
— образование химического элемента в активированном атомарном состоянии (in statu nascendi) в результате разнообразных химических реакций (смотрите Разновидности химико-термической обработки), а также в результате испарения. В отдельных случаях, например при поступлении атомов металла непосредственно из расплава, эта стадия отсутствует.

Второй процесс — адсорбция атомов поверхностью изделия. Адсорбционный процесс может включать простую физическую адсорбцию, при которой моно- или полиатомный адсорбционный слой на всей поверхности изделия или в ее активных участках образуется благодаря действию вандерваальсовых сил притяжения.

Одновременно возможна и химическая адсорбция (хемосорбция) с возникновением сильных химических связей между адсорбируемыми атомами и атомами металлической поверхности.

Адсорбция
— всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Третий процесс при химико-термической обработке — диффузия адсорбированных атомов от поверхности в глубь изделия. Адсорбция протекает очень быстро, а диффузия идет медленно.

Так как глубина зоны измененного состава (диффузионной зоны) и распределение концентрации внутри нее зависят главным образом от развития диффузии, то при анализе химико-термической обработки основное внимание уделяется закономерностям диффузии.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Азотирование

Азотирование стальных изделий проводят в аммиаке, который при нагревании диссоциирует, поставляя активный атомарный азот: В системе Fe — N при температурах азотирование могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой (ей приписывают формулу Fe4N) и промежуточная ε-фаза с…

Диффузионное насыщение металлами

Металлы растворяются в железе и других металлах по способу замещения и потому медленнее, чем неметаллы, диффундируют в изделие. Как правило, диффузионное насыщение металлами проводят при более высоких температурах, чем насыщение неметаллами. Типичные примеры — алитирование и хромирование. Алитирование (алюминирование) применяют для повышения окалиностойкости сталей и реже чугунов. Алитируют также литые лопатки газотурбинных двигателей из жаропрочных…

Разновидности химико-термической обработки

В промышленности применяют множество способов химико-термической обработки, различающихся диффундирующими элементами, типом и составом внешней среды, химизмом процессов в ней, техникой исполнения и другими признаками. В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемое изделие, различают химико-термическую обработку в твердой, жидкой и газовой средах. Атомы диффундирующего элемента поступают из твердого вещества в местах прямого…

Диффузионное насыщение неметаллами

Поверхностное насыщение стали углеродом и азотом или совместно этими элементами — наиболее широко используемые процессы химико-термической обработки. Углерод и азот растворяются в железе по способу внедрения и поэтому могут быстро диффундировать на значительную глубину. Активные среды, содержащие эти элементы, дешевы, а фазы, образующиеся с участием углерода и азота в процессе насыщения или при последующей термообработке,…

Особенности строения диффузионной зоны

Диффузионную зону на шлифе можно выявить травлением благодаря измененному химическому составу поверхностного слоя. В однофазной зоне концентрация плавно изменяется от поверхности в глубь изделия (смотрите рисунок Распределение концентрации в однофазной зоне), и поэтому под микроскопом граница такой зоны размыта или чаще вообще не выявляется. Если диффузия сопровождается фазовыми превращениями, то строение диффузионной зоны резко отличается…

Образование многофазной диффузионной зоны

В однофазной диффузионной зоне при охлаждении изделия с температуры химико-термической обработки могут протекать фазовые превращения: полиморфное превращение твердого раствора, эвтектоидное превращение, выделение избыточной фазы и др. Допустим, что во время науглероживания железа при температуре t1 (выше 911 °С) концентрация углерода на поверхности изделия возрастает от точки а (чистое железо) до точки b, не достигая границы…

Последовательность образования фаз

Последовательность образования фаз при диффузионном изменении состава соответствует последовательности их расположения на диаграмме состояния (α — β — γна рисунок Диаграмма состояния двойной системы А — В). В таком чередовании фазы появляются при повышении концентрации диффундирующего элемента в поверхностном слое изделия с увеличением времени выдержки и в таком же порядке они располагаются в диффузионной зоне…

Кинетика роста однофазных слоев

Рассмотрим кинетику роста однофазных слоев при химико-термической обработке, основываясь на анализе диффузионных процессов, выполненном А. А. Поповым. При диффузии элемента В в металл А за время dτ граница β-фазы продвинется в сторону α-фазы на величину dL (смтрите соответствующую диаграмму состояния на рисунке Диаграмма состояния двойной системы А — В и распределение элемента в диффузионной зоне…

Образование однофазной диффузионной зоны

Рассмотрим процесс диффузионного проникновения элемента с поверхности в глубь изделия. В любой точке диффузионной зоны на расстоянии х от поверхности изделия концентрация твердого раствора С изменяется во времени т в соответствии со вторым законом Фика: Здесь и ниже для упрощения принимаем, что коэффициент диффузии D не зависит от концентрации. Уравнение диффузии решают, выбрав определенные граничные…