Поверхностное легирование. Химико-термическая обработка.

Рассмотрим процесс диффузионного насыщения поверхности металла легирующим элементом. Для этого на поверхности создается высокая концентрация активных атомов легирующего элемента, которые адсорбируются поверхностью и далее диффундируют вглубь металла. Таким образом в приповерхностном слое, называемом диффузионным слоем, создается повышенная концентрация легирующего элемента. Толщина диффузионного слоя зависит от условий протекания процесса. Например при изменении длительности процесса легирования толщина диффузионного слоя меняется в соответствии с закономерностью

(36)

где –длительность процесса, А – константа.

При возрастании температуры активизируется диффузия, поэтому изменяется толщина диффузионного слоя по закону

(37)

где Q– энергия активации диффузии,B– константа.

Используем приведенные закономерности для решения задачи.

21. При азотировании поверхности металла при температуре 500 ^оС в течение 24 часов образуется диффузионный слой толщиной 0,2 мм. Какова будет толщина диффузионного слоя при повышении температуры процесса до 550 ^оС, если энергия активации процесса азотирования равна 1,5 э.в.?

Запишем соотношение (37) для первого и второго процессов легирования при температурах 500 и 550 ^оС.

Разделим второе уравнение на первое, получим

или

Откуда

Подставив в формулу известные значения толщины диффузионного слоя _и температур, пересчитанных по абсолютной шкале Кельвина, получим

толщина диффузионного слоя при температуре процесс азотирования 550^оС.

Задачи для самостоятельного решения

22. При азотировании поверхности металла при температуре 520 ^оС в течение 24 часов образуется диффузионный слой толщиной 0,3 мм. Какова должна быть продолжительность процесса для получения толщины слоя 0,5 мм ?

23. Цементация поверхности металла при температуре 900 ^оС в течение 3 часов приводит к образованию диффузионного слоя толщиной 0,5 мм. Какой будет толщина слоя, если повысить температуру процесса до 950 ^оС ? Энергия активации процесса 2 э.в.

24. Цементация поверхности металла при температуре 900 ^оС в течение 3 часов приводит к образованию диффузионного слоя толщиной 0,5 мм. При повышении температуры процесса до 950 ^оС толщина диффузионного слоя увеличивается до 1,2 мм. Найти энергию активации процесса цементации и выразить ее в э.в.

25. При цементация поверхности металла при температуре 900 ^оС в течение 12 часов образуется диффузионный слой толщиной 1,0 мм. Какой будет толщина слоя, если повысить температуру процесса до 950 ^оС ? Энергия активации процесса 2 э.в.

Потери в ферромагнетиках в переменных магнитных полях

В переменном магнитном поле в ферромагнитном материале возникают потери энергии, которые состоят из двух основных частей: потери на перемагничивание материала и потери на вихревые токи Фуко. Расмотрим первый вид потерь.

Пусть материал характеризуется петлей гистерезиса с заданными значениями коэрцитивной силы и индукции насыщения. Процесс намагничивания материала сопровождается затратой энергии, обратный процесс размагничивания – отдачей энергии. Поскольку прямой ход кривой намагничивания отличается от обратного хода размагничивания, то количество затраченной и возвращенной энергии оказываются неодинаковыми. Разность этих энергий при прохождении по всему замкнутому циклу гистерезиса составляет потери на однократное перемегничивание материала. Величину этих потерь энергии (или потерь на гистерезис) можно вычислить по формуле:

(38)

где W₁– потери в единице объема материала за один цикл перемагничивания,H– напряженность,B– индукция магнитного поля.

Количественно этот интеграл пропорционален площади петли гистерезиса. Площадь петли гистерезиса точно вычислить сложно, но можно приближенно оценить как площадь параллелограммма (см. на рис. НН) с такой же шириной Hcи высотой Bs. Тогда можем записать

(39)

При перемагничивании переменным полем с частотой f за секунду происходит f циклов перемагничивания материала, т.е. мощность затрачиваемая на это будет равна

(40)

где Pмощность затрачиваемая на перемагничивание единицы объема ферромагнитного материала.

Чтобы получить удельную мощность, необходимую для перемагничивания единицы веса материала, полученную величину необходимо разделить на массу единичного объема материала, т.е. его плотность:

(41)

или используя (40) и (39) получим

(42)

или

(43)

Подставив в формулу значения из таблицы 1 для конкретного материала, вычислим числовые значения мощности потерь на перемагничивание.

Табл.1

	Fe	Э330
Hc, А/м	80	16
Bs, Тл	2,18	2,0
r, мкОм м	0,1	0,47
, г/см3	7,86	7,86

Рассмотрим второй вид потерь на вихревые токи Фуко.

В переменном магнитном поле возникает ЭДС индукции, которая в проводящем материале приводит к возникновению токов, вызывающих нагрев материала. Рассчитаем величину этих потерь. Пусть материал имеет геометрические размеры a,b,c(см. рис.НН). Тогда в проводящем контуре со сторонамиa,bпо закону электромагнитной индукции будет индуцироваться ЭДС

(44)

Рис. НН.

Протекающий электрический ток будет нагревать проводник с мощностью

(45)

сопротивление проводящего контура легко рассчитать, если для простоты принять, что толщина пластины много меньше ширины, т.е. а<<b. Тогда

(46)

Подставляя (44) и (46) в (45) найдем

(47)

Величина B/t– это скорость изменения магнитной индукции. Запишем ее через дифференциалы и найдем, задав синусоидальный закон изменения магнитного поля

(48)

(49)

Тогда (47) запишется в виде

(50)

Усреднив по времени полученное выражение, и учтя что

, иabc=V, (51)

найдем

(52)

или (53)

Т.е. это мощность вихревых токов, выделяющаяся в единице объема материала. Для нахождения удельной мощности, приходящейся на единицу массы, поделим на плотность материала. Тогда окончательно получим

(54)

Общие потери в ферромагнетике в переменном магнитном поле будут равны сумме выражений (43) и (54).