Глава 6. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

6.1. Общие закономерности

Химико-термической обработкой называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.

Различают три стадии процесса химико-термической обработки.

На первой стадии протекают химические реакции в исходной (окружающей) среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы, по-видимому, в ионизированном состоянии.

На второй стадии процесса они усваиваются насыщаемой поверхностью металла - происходит адсорбция или хемосорбция диффундирующих элементов, в результате чего тончайший поверхностный слой насыщается диффундирующим элементом (абсорбция), возникает градиент концентрации - движущая сила для следующей стадии процесса.

Третья стадия - диффузионное проникновение элемента в глубь насыщаемого металла, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией.

Первая и вторая стадии процесса химико-термической обработки протекают значительно быстрее третьей - диффузионной стадии, где формируются структура и свойства диффузионной зоны. Третья стадия определяет скорость процесса химико-термической обработки.

Фазовые и структурные изменения, происходящие на диффузионной стадии процесса, можно предсказать с помощью двойных диаграмм состояния, если в диффузионном взаимодействии участвуют всего два элемента. При этом предполагается, что диффузионный процесс не интенсифицируется и образующаяся диффузионная зона находится в равновесном состоянии.

Так, при длительном диффузионном насыщении элемента А элементом В можно добиться соответствия фазового состава диффузионной зоны равновесной диаграмме состояния (рис. 6.1). Последовательность образования фаз при температуре диффузионного насыщения соответствует последовательности их расположения на диаграмме ( на рис. 6.1). Однако фазы с очень узкими областями гомогенности на диаграмме состояния могут расти так

Рис. 6.1. Схема образования фаз в диффузионных слоях в соответствии с равновесной диаграммой состояния (время выдержки

Рис. 6.2. Равновесная диаграмма с эвтектоидным превращением у-твердого раствора

мед ленно, что их слои в диффузионной зоне не обнаруживаются.

Двухфазные области в диффузионной зоне не образуются, так как через фазу постоянного состава диффузионный перенос невозможен из-за отсутствия градиента концентрации.

Двухфазный слой в диффузионной зоне может образоваться при медленном охлаждении от температуры диффузионного насыщения вследствие переменной растворимости и вторичных выделений а- и -фазы. Кроме того, двухфазная смесь может образоваться в диффузионной зоне в результате фазовой перекристаллизации в процессе охлаждения от температуры диффузионного насыщения (рис. 6.2), в то время как при диффузионном насыщении образуется твердый раствор у переменной концентрации.

Для однофазных областей диффузионной зоны зависимость роста толщины слоя от продолжительности насыщения при подчиняется параболическому закону: а зависимость толщины слоя от температуры при - экспоненциальному: где — константы, энергия активации диффузионных процессов. Толщина диффузионного слоя при тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на насыщаемой поверхности.

Существует множество способов химико-термической обработки, однако наибольшее распространение в промышленности получили процессы диффузионного насыщения из активных жидких и газовых сред. Более рациональной исходной средой является активизированная газовая среда, т. е. среда, лишенная нейтральных (балластных) примесей, где активный диффундирующий элемент образуется в результате диссоциации, диспропорционирования или восстановительных реакций, которые называются ведущими. Выявлять ведущие химические реакции можно экспериментально или расчетным путем. В последнем случае более вероятной считается реакция, имеющая более отрицательный изобарный потенциал (свободную энергию Гиббса) или большую константу равновесия. В ряде случаев исходную газовую среду активизируют ионизацией в тлеющем разряде.