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 слоев

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

Однокомпонентные диффузионные слои

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 слои

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) или между собой (в насыщающей среде) (классификация по Г.В. Земскову) можно прогнозировать результаты двухкомпонентной химико-термической обработки.

Физико-химические основы формирования диффузионного слоя

Процессы на насыщаемой поверхности

Насыщаемая поверхность не равновесна: не однородна по химическому составу, содержит дефекты кристаллического строения и адсорбированные атомы , её структура обладает естественной 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 теле

Адсорбированные поверхностью атомы насыщающих элементов диффундируют вглубь обрабатываемого изделия. Суммарный диффузионный поток 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 .

Фазовый состав диффузионного слоя

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

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 . 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) .

Формирование структуры диффузионного слоя

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 . 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 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 слоя

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

Эффективная толщина упрочненного слоя – кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до структуры 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 .

Примечания

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 литература

• 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 .

Статьи

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