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 аустенитной области. При температуре химико-термической обработки диффузионная зона в любой момент времени имеет аустенитную структуру с переменной концентрацией углерода, уменьшающейся при удалении от поверхности в глубь изделия.


Участок диаграммы состояния Fe — С

Участок диаграммы состояния Fe — С

Участок диаграммы состояния Fe — С (I) ,и кривая распределения углерода
по глубине диффузионной зоны (II) после науглероживания
железа при температуре t1 (схема).


При медленном охлаждении с температуры науглероживания в аустените происходят фазовые превращения в соответствии с диаграммой состояния Fe — С. На участке диффузионной зоны, примыкающем к поверхности и имеющем концентрацию углерода выше 0,8%, при комнатной температуре находятся вторичный цементит и перлит, а на участке с концентрацией углерода менее 0,8% — избыточный феррит и перлит.

При удалении от поверхности из-за непрерывного уменьшения концентрации углерода постепенно исчезает сетка вторичного цементита и структура становится чисто перлитной, а затем постепенно уменьшается количество перлита и структура становится ферритной.


Микроструктура диффузионной зоны

Микроструктура диффузионной зоны

Микроструктура диффузионной зоны после медленного охлаждения
с температуры науглероживания железа. Х200.


Таким образом, в рассмотренном случае при химико-термической обработке диффузионная зона — однофазная, а в результате превращений при охлаждении она становится по всему своему сечению двухфазной (феррит + цементит).

Новые фазы могут появиться непосредственно в процессе диффузионного изменения состава при температуре химико-термической обработки. Диффузию, сопровождающуюся появлением новых фаз, называют реактивной (или реакционной).

Принципиальную возможность протекания реактивной диффузии устанавливают по диаграмме состояния. В системе с непрерывным рядом твердых растворов реактивная диффузия невозможна, а в любой системе с ограниченной растворим остью компонентов в твердом состоянии ока может протекать.

Предложены два объяснения механизма образования новых фаз при реактивной диффузии.

По одному из них, непосредственно на поверхности раздела металла с окружающей средой, протекает химическая реакция образования соединения. Такая реакция рассматривается как первичный процесс реактивной диффузии, определяющий ее сущность (В. 3. Бугаков).

Новая фаза образуется в результате проявления сил химического взаимодействия реагирующих элементов. Таким способом может образоваться лишь очень тонкий (порядка атомных размеров) слой соединения, так как, возникнув, он разобщает атомы реагирующих элементов. Дальнейший рост новой фазы обеспечивается диффузией одного или обоих реагирующих элементов через образовавшийся слой.

Другой механизм реактивной диффузии включает обязательное достижение предельной растворимости при поступлении диффундирующего элемента из внешней среды, после чего становится возможным образование той фазы, которая в соответствии с диаграммой состояния должна находиться в равновесии с насыщенным твердым раствором (Д. А. Прокошкин).

Такую диффузию, хотя обычно и называют реактивной, но сущность процесса определяется не химической реакцией на поверхности, а насыщением (точнее пересыщением) исходного раствора диффундирующим элементом.

Поэтому более строгое название — диффузия, сопровождающаяся фазовыми превращениями. Весь последующий анализ базируется именно на таком представлении о появлении новых фаз при химико-термической обработке.


Диаграмма состояния двойной системы А — В

Диаграмма состояния двойной системы А — В


Рассмотрим диффузию элемента В в изделие из элемента А при температуре t1. С увеличением времени выдержки в поверхностном слое плавно возрастает концентрация элемента В в α-растворе, пока при достаточной активности внешней среды не будет достигнут предел растворимости.

По достижении этого момента при дальнейшем поступлении элемента В из внешней среды α-фаза пересыщается этим элементом и в поверхностном слое из нее выделяется β-фаза состава точки b. В результате в поверхностном слое изделия концентрация скачкообразно возрастает на величину аb.


Распределение концентрации элемента В

Распределение концентрации элемента В

Распределение концентрации элемента В в диффузионной зоне после
насыщения металла А при тем пературе t1 в разные моменты τ1 — τ6
(диаграмму состояния А — В смотрите на рисунке выше).


Продолжающееся поступление элемента В из внешней среды плавно повышает его концентрацию во всем слое β-фазы. Атомы В непрерывно диффундируют от поверхности изделия к границе раздела β- и α-фаз, поступают в α-фазу и поддерживают ее в пересыщенном состоянии вблизи границы β/α.

Поэтому при непрерывном поступлении элемента В из внешней среды на границе β/α из пересыщенного раствора непрерывно выделяется β-фаза и эта граница перемещается в глубь изделия (смотрите положения границ слоев в моменты τ3 и τ4 на рисунке).

Когда в поверхностном слое достигается предельная для данной температуры концентрация элемента В в β-фазе и затем β-фаза становится пересыщенной, в этом слое образуется γ-фаза состава точки d. При дальнейшем поступлении компонента В концентрация его в γ-фазе плавно возрастает, приводя к смещению границы γ/β в глубь изделия.

Можно отметить следующие характерные особенности образования многофазной диффузионной зоны.

«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…