Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (поверхностное легирование) − термическая обработка материалов (в основном металлов и сплавов) в химически активных средах для изменения химического состава, структуры и свойств в поверхностных слоях.

Механизм химико-термической обработки металлов и сплавов включает:

1) образование в окружающей среде (или в отдельном реакци­онном объеме) высокой концентрации диффундирующего элемента в атомарном (ионизированном) состоянии;

2) адсорбцию атомов (ионов) на поверхность металла с обра­зованием химических связей между ионами насыщающего элемента и основного вещества;

3) диффузию адсорбированных атомов от поверхности вглубь обрабатываемого материала.

В результате диффузии образуется диффузионный слой, то есть слой материала у поверхности насыщения, отличающийся от исход­ного по химическому составу, структуре и свойствам.

Концентрация диффундирующего элемента уменьшается от поверхности вглубь металла. При этом диффузионный слой образу­ется в той же последовательности, что и однофазные области на диа­грамме состояний при температуре, равной температуре насыщения (рис. 4.28). Двухфазные области в диффузионной зоне могут образо­ваться только при многокомпонентном насыщении, так как в про­тивном случае через фазу постоянного состава диффузионный пере­нос невозможен из-за отсутствия градиента концентрации.

Если при температуре насыщения имеется значительная рас­творимость или неограниченная растворимость в твердом состоянии, то концентрация растворенного компонента будет монотонно уменьшаться от поверхности вглубь. Если при температуре процесса могут возникать химические соединения или промежуточные фазы переменного состава, то концентрация растворенного компонента по глубине слоя будет изменяться скачками.

Рис. 4.28. Схема распределения диффундирующего элемента в слое при ограниченной растворимости в твердом состоянии и наличии в системе промежуточной фазы: а – диаграмма состояния металла А и диффундирующего элемента В; б – распределение элемента В в слое; t1 − температура процесса насыщения

При охлаждении от температуры насыщения фазовый состав диффузионного слоя и его структура не изменяются, если в системе «исходный материал − диффундирующий компонент» нет превра­щений в твердом состоянии. Если в твердом состоянии имеют место фазовые превращения, то каждый участок диффузионного слоя будет претерпевать те или иные превращения в зависимости от состава и характера взаимодействия компонентов.

Для оценки процесса химико-термической обработки используется понятие «эффективная толщина диффузионного слоя».

Эффективная толщина диффузионного слоя − часть общей толщины диффузионного слоя, определяемая кратчайшим расстояниемот поверхности насыщения до мерного участка, характеризуемого установленным предельным номинальным значением базового параметра. Например, значением твердости.

Эффективная толщина зависит от температуры насыщения, продолжительности процесса, характера образующихся фаз, состава обрабатываемого материала и концентрации диффундирующего элемента на поверхности.

Химико-термическая обработка наиболее результативна в случае, когда диффундирующий элемент и исходный материал взаимодействуют, образуя твердые растворы или химические соединения. Чтобы судить о фазовом составе полученных диффузионных слоев, как правило, рассматривают изотермический разрез соответствующей диаграммы состояния сплавов при температуре химико-термической обработки.

Химико-термическую обработку металлов и сплавов классифицируют по диффундирующему веществу и по способу диффузионного насыщения.

По диффундирующему веществу различают следующие виды насыщения при химико-термической обработке:

цементация − углеродом;

нитроцементация − углеродом и азотом одновременно;

азотирование − азотом;

борирование − бором в определенных средах;

силицирование − кремнием;

алитирование − алюминием;

хромирование − хромом.

По способу диффузионного насыщения применяют погружение в расплав, насыщение из расплавленных солей (с электролизом или без не­го), насыщение из сублимированной фазы (путем испарения или из га­зовой фазы).

Химико-термическая обработка получила достаточно широкое распространение для упрочнения неорганических стекол. Последние при такой обработке подвергаются закалке в подогретых кремнийорганических жидкостях, в результате чего на поверхности изделия об­разуются полимерные пленки; этим создается дополнительное, по сравнению с результатом обычной закалки, упрочнение.