Теория термической 
обработки
Химико-термическая обработка
1
Химико-термическая обработка – это термическая обработка, сочетающая тепловое воздействие с химическим, в результате чего изменяются состав и структура 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.
Для диффузионного обогащения поверхностных слоев изделий неметаллами или металлами из внешней активной среды используют газовые, жидкие и твердые среды.
2
Три одновременно идущих процесса при ХТО:
1)Образование химического элемента в активированном атомарном состоянии в результате разнообразных химических реакций, а также в результате испарения.
2)Адсорбция атомов поверхностью изделия. Адсорбционный процесс может включать простую физическую адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбция).
Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.
3)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.
3
ОБРАЗОВАНИЕ ОДНОФАЗНОЙ ДИФФУЗИОННОЙ ЗОНЫ
В любой точке диффузионной зоны на расстоянии х от поверхности изделия концентрация твердого раствора С изменяется во времени τ в соответствии со вторым законом Фика:
∂С/∂ τ = D∂2C/∂x2
С увеличением времени выдержки диффузионная зона расширяется, а содержание диффундирующего элемента в ней возрастает.
Распределение концентрации в однофазной зоне диффузионного обогащения в разные моменты времени при постоянной
концентрации на поверхности Сп 4
(C – исходная концентрация в объеме)
ОБРАЗОВАНИЕ МНОГОФАЗНОЙ ДИФФУЗИОННОЙ ЗОНЫ
Участок диаграммы состояния Fe – С (I) и кривая распределения углерода по глубине диффузионной зоны (II) после науглероживания железа при
Микроструктура диффузионной зоны после медленного охлаждения с температуры науглероживания железа.
5
Новые фазы могут появиться непосредственно в процессе диффузионного изменения состава при температуре ХТО.
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 растворимостью компонентов в твердом состоянии она может протекать.
Два объяснения механизма образования новых фаз при реактивной диффузии.
1) непосредственно на поверхности раздела металла с окружающей средой протекает химическая реакция образования соединения. Новая фаза образуется в результате проявления сил химического взаимодействия реагирующих элементов.
Таким способом может образоваться лишь очень тонкий (порядка атомных размеров) слой соединения.
6
2) 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.
Диаграмма состояния двойной системы А – В
Распределение концентрации элемента В |
|
в диффузионной зоне после насыщения |
|
металла А при температуре t1 в разные |
7 |
моменты τ1–τ6 |
|
Характерные особенности образования многофазной диффузионной зоны.
Последовательность образования фаз при диффузионном изменении состава соответствует последовательности их расположения на диаграмме состояния (α β γ).
По толщине каждого растущего слоя фазы имеется градиент концентраций.
В диффузионной зоне составы фаз на границе раздела соседних слоев определяются составами фаз, находящихся в равновесии на диаграмме состояния. Это следует из того, что
новая фаза образуется только после достижения предела насыщения исходной фазы.
8
Двухфазные области в диффузионной зоне при насыщении одного элемента другим отсутствуют, т. е. граничат всегда
однофазные слои. Рост двухфазного слоя, по сечению которого состав каждой из фаз постоянен, и вообще диффузионный перенос элемента от поверхности в глубь изделия через такой слой невозможны.
Двухфазные слои могут расти при химико-термической обработке не чистого металла, а сплава или же при диффузионном насыщении металла сразу двумя элементами. В
этих случаях в диффузионной зоне мы имеем дело с тройной системой, в которой составы равновесных фаз в двухфазной области переменны.
9
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ДИФФУЗИОННОЙ ЗОНЫ
В однофазной зоне концентрация плавно изменяется от поверхности в глубь изделия, 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 глубинных слоев.
Микроструктура диффузионной зоны после насыщения железа молибденом при 1200° С в течение 12 ч. Х 200
Видна диффузионная
линия
10