Diffuusiokerros

Diffuusiokerros - materiaalin pintatilavuudet, joiden kemiallinen koostumus on muuttunut diffuusion seurauksena kemiallis-lämpökäsittelyn (CHT) aikana . Muutos näiden tilavuuksien kemiallisessa koostumuksessa johtaa muutokseen diffuusiokerroksen materiaalin faasikoostumuksessa , rakenteessa ja ominaisuuksissa.

Tärkein ehto diffuusiokerroksen muodostumiselle on diffuusioelementin liukoisuuden olemassaolo kyllästettyyn metalliin kemiallis-lämpökäsittelyn lämpötilassa. Diffuusiokerrokset voivat myös muodostaa alkuaineita, jotka prosessilämpötilassa liukenevat vähän tyydyttyneeseen metalliin, mutta muodostavat sen kanssa kemiallisia yhdisteitä .

Diffuusiokerrosten luokitus

Diffuusiokerrosten luokittelu suoritetaan kyllästyvien elementtien määrän ja luonteen mukaan; rakenteessa ja ominaisuuksissa.

Yksikomponenttiset diffuusiokerrokset

Yksikomponenttiset diffuusiokerrokset saadaan metallien ja metalliseosten kyllästymisen tuloksena ei- metallisilla elementeillä ( teräksen hiiletys , nitraus, boridointi , silikonointi ... ) tai metallielementeillä ( galvanointi , kromaus , aluminointi ...)

Monikomponenttiset diffuusiokerrokset

Kyllästyselementtien luonteen mukaan monikomponenttiset diffuusiokerrokset voidaan jakaa kolmeen ryhmään:

• kyllästäminen kahdella tai useammalla ei-metallisella alkuaineella ( nitrohiiletys (syanidointi, karbonitrointi), sulfosyanointi, boorisilikonointi ...);
• kyllästys kahdella tai useammalla metallialkuaineella (kromialuminointi, kromitanoalisointi ...);
• kyllästys ei-metallisilla ja metallisilla elementeillä samanaikaisesti (alumiinin silikonointi, boorialumiinisointi, kromoalumiinin silikonointi ...).

Kyllästyvien alkuaineiden vuorovaikutuksen luonteen perusteella kyllästävän metallin kanssa (luokitus V.I. Arkharovin mukaan) [1] tai keskenään (kyllästävässä väliaineessa) (luokitus G.V. Zemskovin mukaan) [2] , on mahdollista ennustaa kaksikomponenttisen kemiallis-lämpökäsittelyn tulokset.

Fysikaalis-kemiallinen perusta diffuusiokerroksen muodostumiselle

Prosessit kyllästetyllä pinnalla

Kyllästynyt pinta ei ole tasapainossa: se ei ole kemialliselta koostumukseltaan homogeeninen, sisältää kiderakenteessa vikoja ja adsorboituneita atomeja , sen rakenteessa on luonnollista [3] ja keinotekoista karheutta .

Adsorptioprosessi kemiallis- lämpökäsittelyn aikana on monimutkainen ja riippuu monista tekijöistä: lämpötilasta, paineesta, pinnan kunnosta, metallin ja diffuusioelementin luonteesta jne. Lisäksi kyllästyvien alkuaineiden adsorptioprosessiin liittyy pinnan itsediffuusio ja heterodiffuusio , ja rajapinnalla tapahtuvien kemiallisten reaktioiden ( vaihto tai epäsuhtautuminen ) tapauksessa reaktiotuotteiden desorptio reaktioväliaineeseen.

Diffuusio kiinteissä aineissa

Pintaan adsorboituneet kyllästyvien alkuaineiden atomit diffundoituvat syvälle työkappaleeseen. Kokonaisdiffuusiovuo [4] kemiallis-lämpökäsittelyn aikana koostuu kyllästyvien alkuaineiden atomeista (heterodiffuusio), lejeeringin perusmetallista (itsediffuusio), lejeeringin seosaineista ja epäpuhtauksista (heterodiffuusio). Diffuusiovirrat vaikuttavat molemminpuolisesti kyllästysprosessin toteutuksen nopeuteen ja täydellisyyteen [5] .

Diffuusiokerroksen faasikoostumus

Tällä hetkellä on olemassa kaksi laadullisesti erilaista teoriaa: " atomi" ja " reaktio" [6] .

" Atomien" teorian mukaan kemiallis-lämpökäsittelyn aikana diffuusiokerroksen faasit muodostuvat faasikaavion "metalli - kyllästyselementti" isotermisen osan määräämässä järjestyksessä käsittelylämpötilassa. " Atomien" teorian matemaattinen ilmaisu on monivaiheinen ( Stefanin ongelma ), jossa diffuusiomassan siirto kussakin vaiheessa kuvataan Fickin toisella lailla ja diffuusiovirtausten tasapainoehto asetetaan rajapinnoille ( diffuusiokerroksen faasimuutosten kinetiikkaa ei oteta huomioon).

" Reaktiivisen" diffuusion teorian ehdotti ensimmäisenä V.Z. Bugakov [7] . Tämän teorian mukaan, kun kaksi erilaista metallia (tai reaktioväliaine ja metalli) joutuvat kosketuksiin rajalla, heterogeenisten vaihteluiden seurauksena muodostuu uuden faasin ytimiä - metallien välinen yhdiste . Syntyvä vaihe voi olla väliasemassa vaihekaaviossa.

Diffuusiokerrosten faasikoostumusta ja faasin muodostumisjärjestystä ennakoitaessa tulee ottaa huomioon metallin diffuusiomassansiirron piirteiden (tai kunkin faasin tilavuuden) lisäksi myös faasimuutosten kinetiikka ( atomien uudelleenjakautumisen nopeus faasien välisillä rajoilla , kidehilojen uudelleenjärjestely ja uuden faasin kiteytyskeskusten muodostuminen ) [8] .

Diffuusiokerroksen rakenteen muodostuminen

Diffuusiokerroksen rakenne muodostuu kemiallis-lämpökäsittelyn lämpötilassa pitoprosessissa, jäähdytysprosessissa tai myöhemmässä lämpökäsittelyssä.

Kemiallis-lämpökäsittelyn lämpötilassa muodostuu joko diffuusiokerroksen homogeeninen rakenne tai epähomogeeninen - monivaiheinen heterogeeninen rakenne , joka koostuu useista yksivaiheisista rakennevyöhykkeistä, jotka sijaitsevat peräkkäin niiden siirtyessä pois kyllästyspinnasta .

Diffuusiokerroksen rakennevyöhyke on osa diffuusiokerrosta, jonka materiaali muodostuu CT:n aikana tapahtuvien faasimuutosten seurauksena. Jokainen rakennevyöhyke CTO-lämpötilassa on yksivaiheinen ja eroaa muista diffuusiokerroksen vyöhykkeistä [9] . Myöhemmässä jäähdytyksessä tai lämpökäsittelyssä diffuusiokerroksessa ovat mahdollisia faasimuutoksia, joiden luonne riippuu jäähdytystavasta ja kemiallis-lämpökäsittelyn lämpötilassa muodostuneiden faasien stabiilisuudesta.

Siirtymäalue - siirtymärakenne diffuusiokerroksen toiminnan kannalta merkittävimmän vyöhykkeen ja ytimen välillä.

Niiden diffuusiokerroksen muodostumisessa ionikemotermisen käsittelyn aikana [10] kyllästyvien alkuaine - ionien istutusprosessilla on ratkaiseva merkitys. Tällaisen diffuusiokerroksen rakenne eroaa perinteisen (lämpödiffuusio) CTO:n tuloksena saadusta, jossa diffuusio raerajoja pitkin on merkittävässä roolissa .

Diffuusiokerroksen paksuus

Diffuusiokerroksen paksuus on lyhin etäisyys kyllästyspinnasta ytimeen [11] .

Kovetetun kerroksen tehollinen paksuus on lyhin etäisyys kyllästyspinnasta rakenteeseen [12] , jonka parametri (esim. kovuus ) vastaa tiettyä raja-arvoa. Tämän parametrin tulee taata tuotteen luotettavuus ja kestävyys , ja se asetetaan käyttöolosuhteiden perusteella ottaen huomioon tuotteen suunnitteluominaisuudet [13] .

Muistiinpanot

1. ↑ Arharov V.I. , Konev V.N. // Lämmönkestävien metalliseosten tutkimus. - T. 7. - Moskova: 1961. - S. 221.
2. ↑ Zemskov G.V. Metallien ja metalliseosten monikomponenttinen diffuusiokyllästys. - M.: Metallurgia. 1978
3. ↑ Metallin pinnalle atomitasolla on tunnusomaista kohokuvio, joka on mallinnettu joukolla terasseja, askelmia ja niiden päällä olevia murtumia. Kiteen pinnan morfologian käsitteet muotoili Ya.I. Frenkel ja kehitti useat tutkijat
4. ↑ L. G. Voroshnin , B. M. Khusid . Diffuusiomassan siirto monikomponenttijärjestelmissä. Minsk: Tiede ja tekniikka, 1979. 256 s.
5. ↑ Gurov K.P. , Kartashkin B.A. , Ugaste Yu.E Keskinäinen diffuusio monivaiheisissa metallijärjestelmissä. - M.: Nauka, Fysikaalisen ja matemaattisen kirjallisuuden pääpaino, 1981. 352 s.
6. ↑ Lahtin Yu.M. , Arzamasov B.N. Metallien kemiallinen lämpökäsittely. - M.: Metallurgia, 1985. 255s.
7. ↑ Bugakov V.Z. Diffuusio metalleissa. Leningrad-Moskova: GITTL, 1949, 212 s.
8. ↑ L. G. Voroshnin , B. M. Khusid . , Hina B.B. Monivaiheisten diffuusiokerrosten muodostumisen matemaattinen mallinnus kemiallis-termisen käsittelyn aikana. Rautametallurgia. - M.: 1987. - Nro 4. S. 103-107
9. ↑ GOST 20495-75. Metalliosien karkaisu pintakemiallisella lämpökäsittelyllä. Diffuusiokerroksen ominaisuudet ja ominaisuudet. Termit ja määritelmät. - M .: Standardien kustantaja, 1975.
10. ↑ Arzamasov B.N. , Bratukhin A.G. , Eliseev Yu.S. , Panayoti T.A. Seosten ionikemiallinen lämpökäsittely. - Moskova: Kustantaja MSTU im. N.E. Bauman, 1999.- 400 s. ISBN 5-7038-1358-1
11. ↑ GOST 28426-90. Metallituotteiden lämpödiffuusiokarkaisu ja suojaus. Teknologisen prosessin yleiset vaatimukset. - M .: Standardien kustantaja, 1990.
12. ↑ karkaisun ja karkaisun jälkeen
13. ↑ GOST 30572-98. Osat ovat hiiltynyttä ja nitrohiilettyä terästä ja lämpökäsitelty. Kovetetun kerroksen tehokas paksuus. Määritelmämenetelmät.

Suositeltu lukema

• Borisenok G. V., Vasiliev L. A., Voroshnin L. G. et ai. Metallien ja metalliseosten kemiallinen lämpökäsittely. Hakemisto. - M . : Metallurgia, 1981. - 424 s.

• Bokshtein S. Z. Metallien diffuusio ja rakenne. - M . : Metallurgia, 1973. - 206 s.
• Bokshtein B. S., Bokshtein S. Z. , Zhukhovitsky A. A .,. Kiinteiden aineiden diffuusion termodynamiikka ja kinetiikka. - M . : Metallurgia, 1974. - 280 s.
• Lyakhovich L. S., Voroshnin L. G. , Panich G. G., Shcherbakov E. D. Monikomponenttiset diffuusiopinnoitteet. - Minsk: Tiede ja tekniikka, 1974. - 288 s.
• Voroshnin LG ruosteenesto diffuusiopinnoitteet. - Minsk: Tiede ja teknologia, 1981. - 296 s.
• Voroshnin L.G. , Vityaz P.A., Nasybulin A.Kh., Husid B.M. Monikomponenttidiffuusio heterogeenisissä metalliseoksissa / toim. Bodyako M.N. - Minsk: Higher School, 1984. - 142 s.
• Krishtal M. A., Volkov A. I. Monikomponenttidiffuusio metalleissa. - M . : Metallurgia, 1985. - 176 s.
• Voroshnin L. G. , Abacharaev M. M., Khusid B. M. Kavitaatiota kestävät pinnoitteet rauta-hiiliseoksille / toim. Bodyako M.N. - Minsk: Tiede ja teknologia, 1986. - 248 s.
• Voroshnin L. G. , Labunets V. F., Kindrachuk M. V. Kulutusta kestävät boridipinnoitteet. - Kiova: Tekniikka, 1989. - 158 s. — ISBN 5-335-00329-4 .

Artikkelit

• Dubinin G.N. Diffuusiokerroksen muodostumismekanismista// Metallien suojapinnoitteet. - Ongelma. 10. Kiova: Naukova Dumka, 1976. - P.5-16.