Сл.1. Химико-термическая обработка
Закономерности изменения состава и структуры при химико-термической обработке
Сл.2. 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. Кроме того, химико-термическую обработку можно использовать для диффузионного удаления из изделия примесей, а в отдельных случаях и основных компонентов.
Подавляющее большинство промышленных процессов химико-термической обработки включает диффузионное обогащение поверхностных слоев изделий неметаллами или металлами из внешней активной среды, для чего используют газовые, жидкие и твердые среды. Самый известный из этих процессов – цементация (науглероживание стальных изделий в древесном угле при высоких температурах) относится к числу древнейших операций термической обработки, использовавшихся задолго до н. э.
Сл.3. Можно выделить три одновременно идущих процесса, обеспечивающих обогащение изделия элементами из внешней среды.
Первый процесс – образование химического элемента в активированном атомарном состоянии в результате разнообразных химических реакций, а также в результате испарения. В отдельных случаях, например при поступлении атомов металла непосредственно из расплава, эта стадия отсутствует.
Второй процесс – адсорбция атомов поверхностью изделия. Адсорбционный процесс может включать простую физическую адсорбцию, при которой моно- или полиатомный адсорбционный слой на всей поверхности изделия или в ее активных участках образуется благодаря действию ван-дер-ваальсовых сил притяжения. Одновременно возможна и химическая адсорбция (хемосорбция) с возникновением сильных химических связей между адсорбируемыми атомами и атомами металлической поверхности.
Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.
Третий процесс при химико-термической обработке – 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.
Сл.4. ОБРАЗОВАНИЕ ОДНОФАЗНОЙ ДИФФУЗИОННОЙ ЗОНЫ
Рассмотрим процесс диффузионного проникновения элемента с поверхности в глубь изделия. 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:
дС/дτ = D∂2C/∂x2 (37)
Здесь и ниже для упрощения принимаем, что коэффициент диффузии D не зависит от концентрации.
С увеличением времени выдержки диффузионная зона расширяется, а содержание диффундирующего элемента в ней возрастает (рис. 191). Площадь под кривой распределения концентрации элемента по сечению изделия характеризует общее количество элемента в диффузионной зоне при данном времени выдержки.
Рис. 191. Распределение концентрации в однофазной зоне диффузионного обогащения в разные моменты времени при постоянной концентрации на поверхности Сп (C0 – исходная концентрация в объеме)
Установлено, глубина диффузионной зоны изменяется пропорционально корню квадратному из времени выдержки при постоянной температуре. Чтобы увеличить глубину диффузионной зоны, например, втрое, время выдержки следует увеличить в девять раз.
В реальных процессах химико-термической обработки параболический закон роста диффузионной зоны может нарушаться из-за непостоянства концентрации на поверхности изделия.
Зависимость глубины однофазной диффузионной зоны от температуры, как показывают опыты, меняется по экспоненте, или близкой к ней.
Эти простые закономерности образования диффузионной зоны относятся к двухкомпонентному твердому раствору. Закономерности формирования диффузионной зоны в многокомпонентном растворе значительно сложнее, так как изменение концентрации одного элемента, изменяя термодинамическую активность других элементов, влияет на их распределение.