Ускорение диффузионных процессов в целях оптимизации операций химико-термической обработки (стр. 3 из 3)

, (11)

где

, и – соответственно количества вещества, продиффундировавшего через границы, монокристалл (зерно) и эффективный поток через поликристалл (через зерно и границы). Так как в линейных задачах количество продиффундировавшего вещества пропорционально , то из (3) получаем:

(12)

Здесь

, и – соответственно коэффициенты диффузии по границам и в монокристалле и эффективный коэффициент диффузии в поликристаллическом веществе. Если измерить коэффициент диффузии при двух размерах зерен и , то

,

. (12.а)

Исключив из этих двух уравнений

, получим:

(13)

Измерив коэффициент диффузии при двух известных размерах зерен, по формуле (13) можно определить

, не измеряя непосредственно коэффициента диффузии в монокристалле.

Расчеты коэффициента диффузии по границам зерен по формуле (12.а) неточны, в частности, и потому, что только при достаточно низких температурах можно диффузионные потоки через зерно и границу считать независимыми.

Зейт и Кейль не обнаружили влияния размера зерна на самодиффузию свинца и объясняют это способностью свинца к рекристаллизации при относительно низких температурах. Однако проведение эксперимента при температуре 25 °С позволило зафиксировать эффект.

На основании исследований, проведенных Манегольдом и Смиттельсом, сделан вывод о том, что зерно в 100 мкм является сравнительно крупным, и если

, эффективные коэффициенты диффузии зерна в 100 мкм и монокристалла отличались бы всего на несколько процентов, что перекрывается ошибками опыта.

Для случая диффузии азота и водорода в металлы данные противоречивы, хотя отсутствие эффекта в некоторых опытах может не наблюдаться. По мнению С.Д. Герцрикена обогащение границ зерен примесями приводит к торможению процессов диффузии. Вследствие этого может иметь место разностный эффект, обусловленный влиянием примесей и разрыхленностью границ. Возможен даже такой случай, когда коэффициент диффузии через монокристалл может быть больше, чем через поликристалл.

Таким образом, в большинстве случаев скорость диффузии падает с увеличением зерна. Это объясняется тем, что на границах зерен решетка сильно искажена, следовательно, плотность дефектов значительно выше, чем внутри зерна. Как в случае с межузельным, так и вакансионным механизмами диффузии, наличие дефектов и действие внутренних напряжений значительно ускоряют диффузионные процессы. Поэтому, несмотря на то, что фронт границ гораздо у́же фронта зерен, эффективный коэффициент диффузии растет с измельчением зерен за счет усиления роли границ. Исключения составляют случаи, когда границы зерен насыщены примесями.

Катализаторы

Для каждой ХТО можно подобрать специальные добавки, позволяющие катализировать процесс. Однако применение всякого рода катализаторов имеет один общий недостаток: они все не влияют непосредственно на скорости диффузии насыщающего элемента в стали, кроме случаев, когда вещества наносят на поверхность изделия, и благодаря протекающим реакциям температура поверхностного слоя металла повышается. Поэтому катализаторы дают некоторый эффект только в начальной стадии процесса, после чего уже не действуют.

Ультразвуковые колебания

Влияние ультразвука на цементацию в жидких средах было изучено в ЭНИММСе. Ускорение цементации в 2 – 2,5 раза Е.М. Морозова и Б.Н. Батурина объясняют интенсивным перемещением расплава солей под действием ультразвуковых колебаний, что облегчает подвод новых порций среды к поверхности, удаление продуктов реакции и приводит к повышению концентрации углерода в поверхностных слоях, а следовательно – к увеличению глубины цементируемого слоя. Экспериментально установлено, что воздействие ультразвука увеличивает скорость насыщения стали азотом, бором, алюминием. Отметим, что влияние ультразвуковых колебаний на интенсификацию поверхностных явлений при многих процессах ХТО является очевидным. Методом радиоактивных изотопов изучена диффузия углерода в стали в интервале температур 400 – 580 °С в условиях воздействия ультразвуковых колебаний. Исследование показало, что влияние ультразвука на диффузионную подвижность углерода неоднозначно, и существенно зависит от амплитуды колебаний. При 400 °С подвижность атомов углерода в озвученном образце в 1,5 раза, а при 580 °С в 4 раза выше, чем в обычных условиях. Этот эффект, вероятно, связан с изменениями структуры стали под действием ультразвуковых колебаний. Имеются работы, в которых приведены убедительные доказательства влияния колебаний на тонкую структуру металлов (плотность дислокаций, их распределение, концентрацию точечных дефектов, субмикропористость, дефекты упаковки и т.д.).

Структурные факторы играют основную роль и в методах интенсификации, основанных на применении пластической деформации как предварительной, так и осуществляемой в процессе насыщения (механико-химико-термическая обработка).

Насыщение из порошков

Существуют следующие способы термодиффузионного алитирования (металлизации алюминием) с применением скоростного электронагрева:

1) в порошкообразных смесях;

2) в пастах;

3) в газовой среде

4) в жидкой среде (растворы солей)

5) металлизация стали алюминием и последующий отжиг с нагревом в ТВЧ.

Последний способ применяют в промышленности при алитировании рабочих фасок клапанов двигателей внутреннего сгорания. Остальные способы алитирования проверены в лабораторных условиях, причем наиболее полно исследован способ насыщения из активных паст.

Газовое алитирование армко-железа, среднеуглеродистой стали и стали 35ХМА. Источником активного агента являлись хлориды алюминия, предварительно созданные взаимодействием тщательно очищенного хлора и алюминиевого порошка при 600 – 650 °С. Алитирование стали 35ХМА при 800 – 1000 °С в течение 25 секунд привело к образованию слоя глубиной около 20 мкм. На армко-железе при 1200–1300 °С в течение 8 секунд образовался слой глубиной 300 мкм. Микротвердость слоя на армко-железе составляла около 320 кгс/мм², а основы – 130 кгс/мм². Металлографическое исследование после травления в смеси HF и HCl показало наличие на поверхности α-твердого раствора. Других фаз не обнаружено. Большим недостатком этих опытов является невысокая точность измерения температуры, проводившаяся оптическим пирометром ОППИР-09 и не позволившая исследовать кинетику процесса образования слоев.

Список использованных источников

1. Герцрикен, С.Д. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе /[Текст]/ С.Д. Герцрикен, И.Я. Дехтяр – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, Ленинград, издательство Типография №2 им. Евг. Соколовой УПП Ленсовнархоза, 1960. – 564 с.

2. Кидин, И.Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов /[Текст]/ И.Н. Кидин, В.И. Андрюшечкин, В.А. Волков, А.С. Холин. – М.: Изд-во Металлургия, 1978. – 320 с.

3. Акимова, И.А. Диффузионные процессы в металлах /[Текст]: учебное пособие/ Куйбышев, Изд-во Куйбышевский государственный университет. 1983. – 102 с.

4. Белов, А.Ф. Строение и свойства авиационных материалов /[Текст]: учебник для вузов/ А.Ф. Белов, Г.П. Бенедиктова, А.С. Висков и др. М.: Изд-во «Металлургия», 1989. – 338 с.

5. Мазанко, В.Ф. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций: в двух томах /[Текст]/ В.Ф. Мазанко, А.В. Покоев, В.П. Миронов и др. – М.: Изд-во «Машиностроение-1»; Самара: Изд-во «Самарский университет», 2006. – Т. II. – 320 с.