Файл: Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник.pdf

Двухфазные слои могут расти при химико-термической обра­ ботке не чистого металла, а сплава или же при диффузионном на­ сыщении металла сразу дзумя элементами. В этих^ случаях в диф­ фузионной зоне мы имеем дело с тройной системой, в которой со­ ставы равновесных фаз в двухфазной области переменны.

до точки Ь: в результате замены фазы р„ на фазу 8Р образуется двухфазный слой а*+8р.

ступлении компонента С в диффузионную зону ее средний состав на поверхности скачком изменяется от точки d до точки f в резуль­

Qg' и sg (пунктиром gg' на рис. 212 изображена конода, указываю­ щая составы равновесных фаз а и у). При этом а-фаза переходит в у-фазу и, наконец, в поверхностном слое остается одна у-фаза, состав которой изменяется по лучу в сторону компонента С.

Таким образом, после химико-термической обработки у самой

Приведенный анализ с использованием изотермического разре­ за тройной системы справедлив только при условии, что соотно­ шение концентраций компонентов Л и Б в любой точке диффузион­ ной зоны неизменно, а фазы в двухфазных слоях все время нахо­ дятся в равновесии.

Рассмотрим кинетику роста однофазных слоев при химико-тер­

364

мической обработке, основываясь на анализе диффузионных про­ цессов, выполненном А. А. Поповым.

При диффузии элемента В в металл А за время dx граница P-фазы продвинется в сторону a-фазы на величину dL (ем. соответ­ ствующую диаграмму состояния на рис. 210 и распределение эле­ мента в диффузионной зоне на рис. 214). Приращение объема слоя p-фазы dV — SdL, где S — поверхность раздела а- и р-фаз.

Фаза р содержит больше компонента В, чем фаза а. Скачок концентраций на границе их раздела равен АС р/а (см. рис. 210). Приращение объема p-фазы на dV увеличивает количество элемен­ та Б в слое p-фазы на dV ДСр/а.

Все расчеты будем проводить для единицы поверхности разде­ ла (S — 1). Тогда dV АСр/а — dL АС р/а (см. заштрихованный уча­ сток на рис. 214).

Диффузия в p-фазе подводит атомы В к поверхности раздела Р/а, а диффузия в а-фазе отводит атомы В от этой поверхности.

Количество элемента В, подведенного к границе р/а через р-фазу, обозначим через dm р, а количество элемента В, отведенного от этой границы через a-фазу, обозначим через dm a . Разность dm$ — dm а равна увеличению общего содержания элемента В в слое р- фазы при продвижении ее границы на dL.

Следовательно,

dL А Ср/ц = d /лр — d та .

Учитывая первый закон Фика [см. формулу (1)], можем запи­ сать (в расчете на единицу площади поверхности раздела фаз)

dL АСр/а = Dp ( 4 £ ) d x - D a ( 4 ^ ) dx.

Отсюда скорость продвижения границы p-слоя в сторону а- фазы

365

Решение этого уравнения при условии постоянства концентра­ ции на поверхности изделия показывает, что толщина слоя новой

Эта формула аналогична уравнению (41) для роста диффузи­ онной зоны при химико-термической обработке без образования новых фаз, но коэффициент пропорциональности К зависит от зна­

чительно большего числа факторов.

Из уравнения (44) следует, что толщина слоя новой фазы тем больше, чем интенсивнее диффузия в нем, медленнее диффузия в слое соседней фазы и меньше скачок концентраций на границе фаз.

Если диффузионная зона состоит из слоев нескольких фаз, то толщина промежуточного слоя (р на рис. 211) зависит от соотно­ шения скоростей продвижения его границ и, следовательно, от раз­ вития диффузионных процессов в каждой из фаз.

Направление диффузионных потоков в слоях диффузионной зоны показано стрелками на рис. 211. Диффузионный приток эле­ мента В внутри p-слоя к границе p/а, поддерживая около нее пе­ ресыщение a-фазы, стремится сместить эту границу вправо и уве­ личить толщину p-слоя. Диффузионный отток элемента В внут­ ри a -слоя от границы p/а уменьшает около нее пересыщение а-фа- зы и стремится сместить эту границу влево. Аналогично диффузи­ онный приток элемента В внутри услоя к границе у/p стремится сместить ее вправо, уменьшая толщину p-слоя. Этому препятству­ ет диффузионный отток элемента В внутри p-слоя от .границы у/р.

Диффузионный поток через слой фазы в соответствии с первым законом Фика тем интенсивнее, чем выше коэффициент диффузии внутри этой фазы и больше градиент концентраций по толщине слоя. Градиент концентраций в свою очередь тем значительнее, чем сильнее различаются составы на двух ее границах и меньше толщина слоя. Составы на границах слоя, как уже отмечалось, определяются соответствующими точками на диаграмме состоя­ ния, например точками b и с для слоя p-фазы (см. рис. 210 и 211).

Следовательно, при постоянном коэффициенте диффузии поток диффундирующего элемента через слой определенной толщины возрастает с расширением области гомогенности фазы на диа­ грамме состояния (ем. отрезок Ьс на рис. 210).

Из сказанного следует, что толщина слоя новой фазы в диффу­ зионной зоне с повышением температуры в общем случае не мо­ жет возрастать по экспоненциальному закону, так как она зави­ сит не только от коэффициента диффузии в данной фазе.

Толщина слоев фаз с ростом температуры при химико-термиче­ ской обработке изменяется по-разному. Она зависит от соотноше­

3 6 6

ния диффузионных потоков в слое и в прилегающих слоях. Например, если с повышением температуры ширина области гомоген­ ности фаз на диаграмме состояния изменяется мало, то разра­ статься будет слой той фазы, у которой коэффициент диффузии увеличивается больше. Если при повышении температуры химико­ термической обработки коэффициенты диффузии в соседних слоях

(рис. 215). Вместе с тем весьма часто зависимость толщины слоя

Диффузионную зону на шлифе можно выявить травлением благодаря измененному химическому составу поверхностного слоя.. В однофазной зоне концентрация плавно изменяется от поверхно­ сти в глубь изделия (см. рис. 205), и поэтому под микроскопом граница такой зоны размыта или чаще вообще не выявляется.

Если диффузия сопровождается фазовыми превращениями, то строение диффузионной зоны резко отличается от структуры глу­ бинных слоев. Различие в типе решеток и скачок концентраций на границе новой и исходной фаз обусловливают резкую разницу в травимости по обе стороны от этой границы или способствуют вы­ травливанию самой границы в виде так называемой диффузион­ ной линии (рис. 216).

Расстояние от поверхности изделия до границы с исходным ра­ створом (Li на рис. 211) обычно принимают за условную глубину диффузионной зоны (фактически глубина ее Ь2 больше на величи­ ну слоя исходного твердого раствора измененного состава).

Кристалы новой фазы, образующейся в диффузионной зоне,, имеют столбчатую форму (рис. 216). Объясняется это тем, что

367

твердую среду используют для создания активной газовой или па­ ровой фазы, из которой атомы поступают в изделие. Например, при цементации в твердом карбюризаторе (древесном угле) ато­ мы углерода, диффундирующие в сталь, образуются из окиси уг­ лерода (2СО— ^С+'СОг), а древесный уголь необходим лишь для образования газовой фазы. Другой пример — диффузионное хроми­ рование в «твердой» среде, когда изделие упаковано с порошком хрома или феррохрома. При нагреве хром испаряется и его атомы поступают в изделие главным образом из паровой фазы, а не в ме­ стах прямого контакта порошка с поверхностью изделия.

При химико-термической обработке в жидкой среде атомы элемента, диффундирующего в изделие, образуются в результате химических реакций в расплавленной соли (например, в NaCN при цианировании стали) или непосредственно поступают из рас­ плавленного металла (например, из расплава алюминия при диф­ фузионном алюминировании стали).

При химико-термической обработке в газовой среде диффунди­

нагреве изделий в твердой среде, в промышленных процессах слу­ жат самыми распространенными поставщиками атомов элемен­ тов, которыми обогащаются поверхностные слои изделия.

Для химико-термической обработки наиболее удобна чисто га­ зовая среда: ее состав легко регулировать, она быстро прогрева­ ется до заданной температуры, позволяет полностью механизи­ ровать и автоматизировать процесс химико-термической обработ­ ки и сразу проводить закалку (без повторного нагрева).

Приведенные примеры показывают, что классификация мето­ дов химико-термической обработки по агрегатному состоянию среды, в которую помещено изделие, не всегда согласуется с фи­ зико-химической сущностью процесса обработки.

Основываясь на физико-химической характеристике активной фазы, поставляющей диффундирующий элемент, Г. Н. Дубинин предложил следующую классификацию методов химико-термичес­ кой обработки: насыщение из твердой фазы, насыщение из паро­ вой фазы, насыщение из газовой фазы и насыщение из жидкой фазы. Согласно этой классификации, цементацию стали в твердом карбюризаторе следует относить к методу насыщения из газовой фазы, а диффузионное хромирование в порошке хрома — к методу насыщения из паровой фазы.

По характеру изменения химического состава обрабатываемо­ го изделия все разновидности химико-термической обработки можно разделить на три группы: диффузионное насыщение неме­ таллами, диффузионное насыщение металлами и диффузионное удаление элементов. Эти группы включают разнообразные промыш­ ленные процессы химико-термической обработки (табл. 17).