Диффузионный слой

Диффузио́нный слой – приповерхностные объемы материала, химический состав которых изменился в результате диффузии при химико-термической обработке (ХТО). Изменение химического состава этих объемов приводит к изменению фазового состава, структуры и свойств материала диффузионного слоя.

Важнейшим условием образования диффузионного слоя является существование растворимости диффундирующего элемента в насыщаемом металле при температуре химико-термической обработки. Диффузионные слои могут также создавать элементы, имеющие при температуре процесса малую растворимость в насыщаемом металле, но образующие с ним химические соединения.

Классификация диффузионных слоевПравить

Классификацию диффузионных слоев проводят по количеству и природе насыщающих элементов; по структуре и свойствам.

Однокомпонентные диффузионные слоиПравить

Однокомпонентные диффузионные слои получают в результате насыщения металлов и сплавов неметаллическими элементами (цементация стали, азотирование, борирование, силицирование …) или металлическими элементами (цинкование, хромирование, алитирование …)

Многокомпонентные диффузионные слоиПравить

По природе насыщающих элементов многокомпонентные диффузионные слои можно разделить на три группы:

  • насыщение двумя и более неметаллическими элементами (нитроцементация (цианирование, карбонитрация), сульфоцианирование, боросилицирование …);
  • насыщение двумя и более металлическими элементами (хромоалитирование, хромотитаноалитирование …);
  • насыщение одновременно неметаллическими и металлическими элементами (алюмосилицирование, бороалитирование, хромоалюмосилицирование …).

На основании характера взаимодействия насыщающих элементов с насыщаемым металлом (классификация по В.И. Архарову)[1] или между собой (в насыщающей среде) (классификация по Г.В. Земскову)[2] можно прогнозировать результаты двухкомпонентной химико-термической обработки.

Физико-химические основы формирования диффузионного слояПравить

Процессы на насыщаемой поверхностиПравить

Насыщаемая поверхность не равновесна: не однородна по химическому составу, содержит дефекты кристаллического строения и адсорбированные атомы, её структура обладает естественной[3] и искусственной шероховатостью.

Процесс адсорбции при химико-термической обработке сложен и зависит от многих факторов: температуры, давления, состояния поверхности, природы металла и диффундирующего элемента и т.д. Кроме того, процесс адсорбции насыщающих элементов сопровождается поверхностной самодиффузией и гетеродиффузией, а в случае протекания на поверхности раздела химических реакций (обмена или диспропорционирования) - десорбцией продуктов реакции в реакционную среду.

Диффузия в твердом телеПравить

Адсорбированные поверхностью атомы насыщающих элементов диффундируют вглубь обрабатываемого изделия. Суммарный диффузионный поток[4] при химико-термической обработке состоит из атомов насыщающих элементов (гетеродиффузия), основного металла сплава (самодиффузия), легирующих элементов сплава и примесей (гетеродиффузия). Диффузионные потоки оказывают взаимное влияние на скорость и полноту реализации процесса насыщения[5].

Фазовый состав диффузионного слояПравить

В настоящее время существуют две качественно отличающихся теории: 'атомная' и 'реакционная'[6].

Согласно 'атомной' теории, при химико-термической обработке фазы диффузионного слоя формируются в последовательности, определяемой изотермическим сечением диаграммы фазового состояния «металл - насыщающий элемент», при температуре обработки. Математическим выражением 'атомной' теории является многофазная (задача Стефана), в которой диффузионный массоперенос в каждой фазе описывается вторым законом Фика, а на межфазных границах ставят условие баланса диффузионных потоков (кинетика фазовых превращений в диффузионном слое не учитывается).

Теория 'реакционной' диффузии впервые была предложена В.З. Бугаковым[7]. Согласно этой теории, при контакте двух разнородных металлов (или реакционной среды и металла) на границе, в результате гетерогенных флуктуаций, образуются зародыши новой фазы - интерметаллического соединения. Возникающая фаза может занимать промежуточное положение на диаграмме фазового состояния.

При прогнозировании фазового состава диффузионных слоев и последовательности образования фаз, следует учитывать не только особенности диффузионного массопереноса в металле (или в объеме каждой фазы), но и кинетику фазовых превращений (скорость перераспределения атомов на межфазных границах, перестройки кристаллических решеток и образования центров кристаллизации новой фазы)[8].

Формирование структуры диффузионного слояПравить

Структура диффузионного слоя формируется в процессе выдержки при температуре химико-термической обработки, в процессе охлаждении или последующей термической обработки.

При температуре химико-термической обработки формируется либо гомогенная структура диффузионного слоя, либо неоднородная – многофазная, гетерогенная структура, состоящая из нескольких однофазных структурных зон, расположенных последовательно по мере удаления от поверхности насыщения.

Структурная зона диффузионного слоя – часть диффузионного слоя, материал которой формируется в результате фазовых превращений при ХТО. Каждая структурная зона при температуре ХТО является однофазной и отличается от других зон диффузионного слоя[9]. В процессе последующего охлаждения или термической обработки в диффузионном слое возможны фазовые превращения, характер которых зависит от режима охлаждения и устойчивости фаз, сформировавшихся при температуре химико-термической обработки.

Переходная зона – переходная структура между наиболее значимой с точки зрения эксплуатации зоной диффузионного слоя и сердцевиной.

При их формировании диффузионного слоя при ионной химико-термической обработке[10] определяющее значение имеет процесс имплантации ионов насыщающего элемента. Структура такого диффузионного слоя отличается от полученной в результате традиционной (термодиффузионной) ХТО, где значительную роль играет диффузия по границам зерен .

Толщина диффузионного слояПравить

Толщина диффузионного слоя – кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до сердцевины[11].

Эффективная толщина упрочненного слоя – кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до структуры[12] с параметром (например, твёрдостью), равным некоторому предельному значению. Этот параметр должен гарантировать надежность и долговечность работы изделия и его задают исходя из условий эксплуатации с учетом конструктивных особенностей изделия[13].

ПримечанияПравить

  1. Архаров В.И., Конев В.Н.// Исследования по жаропрочным сплавам. - Т. 7. - Москва: 1961. - С. 221.
  2. Земсков Г.В. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов. - М.: Металлургия. 1978
  3. Поверхность металла на атомарном уровне характеризуется рельефом, который моделируется набором террас, ступеней и изломов на них. Представления о морфологии поверхности кристаллов были сформулированы Я.И.Френкелем и развиты рядом исследователей
  4. Ворошнин Л. Г., Хусид Б.М. Диффузионный массоперенос в многокомпонентных системах. Минск: Наука и техника, 1979. 256 с.
  5. Гуров К.П., Карташкин Б.А., Угасте Ю.Э Взаимная диффузия в многофазных металлических системах. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1981. 352 с.
  6. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985. 255с.
  7. Бугаков В.З. Диффузия в металлах. Ленинград-Москва: ГИТТЛ, 1949, 212 с.
  8. Ворошнин Л. Г., Хусид Б.М., Хина Б.Б. Математическое моделирование формирования многофазных диффузионных слоев при химико-термической обработке // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – М.: 1987. - № 4. С. 103-107
  9. ГОСТ 20495-75. Упрочнение металлических деталей поверхностной химико-термической обработкой. Характеристики и свойства диффузионного слоя. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 1975.
  10. Арзамасов Б.Н., Братухин А.Г., Елисеев Ю.С., Панайоти Т.А. Ионная химико-термическая обработка сплавов. – Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.- 400 с. ISBN 5-7038-1358-1
  11. ГОСТ 28426-90. Термодиффузионное упрочнение и защита металлических изделий. Общие требования к технологическому процессу. – М.: Изд-во стандартов, 1990.
  12. после закалки и отпуска
  13. ГОСТ 30572-98. Детали стальные цементованные и нитроцементованные и термически обработанные. Эффективная толщина упрочненного слоя. Методы определения.

Рекомендуемая литератураПравить

  • Борисенок Г. В., Васильев Л. А., Ворошнин Л. Г. и др. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. — М.: Металлургия, 1981. — 424 с.
  • Бокштейн С. З. Диффузия и структура металлов. — М.: Металлургия, 1973. — 206 с.
  • Бокштейн Б. С., Бокштейн С. З., Жуховицкий А. А.,. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах. — М.: Металлургия, 1974. — 280 с.
  • Ляхович Л. С., Ворошнин Л. Г., Панич Г.Г., Щербаков Э.Д. Многокомпонентные диффузионные покрытия. — Минск: Наука и техника, 1974. — 288 с.
  • Ворошнин Л. Г. Антикоррозионные диффузионные покрытия. — Минск: Наука и техника, 1981. — 296 с.
  • Ворошнин Л. Г., Витязь П.А., Насыбулин А.Х., Хусид Б.М. Многокомпонентная диффузия в гетерогенных сплавах / под ред. Бодяко М. Н. — Минск: Высшая школа, 1984. — 142 с.
  • Криштал М. А., Волков А. И. Многокомпонентная диффузия в металлах. — М.: Металлургия, 1985. — 176 с.
  • Ворошнин Л. Г., Абачараев М.М., Хусид Б.М. Кавитационностойкие покрытия на железоуглеродистых сплавах / под ред. Бодяко М. Н. — Минск: Наука и техника, 1986. — 248 с.
  • Ворошнин Л. Г., Лабунец В. Ф., Киндрачук М. В. Износостойкие боридные покрытия. — Киев: Техника, 1989. — 158 с. — ISBN 5-335-00329-4.

СтатьиПравить

  • Дубинин Г.Н. О механизме формирования диффузионного слоя// Защитные покрытия на металлах. - Вып. 10. Киев: Наукова думка, 1976. - С.5-16.