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…

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 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…

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…