Образование и развитие двухфазных областей (типа зон внутреннего окисления) в процессе диффузионного насыщения

Процесс реакционной диффузии не ограничивается ситуацией, когда в приповерхностной зоне образуется слой соединения между насыщающим элементом и компонентами сплава.

В трехкомпонентных (включая насыщающий компонент) и еще более сложных системах возможна реализация и другого типа реакционной диффузии – «внутреннее окисление».

Внутреннее окисление – это процесс формирования дисперсных частиц окислов легирующих элементов в диффузионной зоне, насыщаемых кислородом сплавов. Подобного типа процессы наблюдаются и при насыщении углеродом, азотом, бором, серой и водородом (соответственно внутреннее азотирование, внутренняя цементация и т.п.), причем, их природа и механизм совершенно идентично внутреннему окислению.

Вначале (30-е годы прошлого века) исследования этих процессов были направлены на поиски способов устранения из производственной практики проявлений данного явления, поскольку считалось, что оно ухудшает механические свойства сплавов.

Дальнейшие исследования показали, что реакционная диффузия типа «внутреннего окисления» является очень эффективным средством повышения твердости сплавов, прочности, усталостной прочности, жаростойкости, жаропрочности, износостойкости.

Условием образования и роста частиц второй фазы является наличие пересыщения твердого раствора. Показателем пересыщения служит отклонение свободной энергии пересыщенного твердого раствора от ее значения в равновесном состоянии. Тогда мера пересыщения может быть определена следующим образом:

L = m ln(aA/aA(p)) + ln(aB/aB(p))

В этом выражении aA, aA(p) и aB, aB(p)) - соответственно текущие и равновесные значения термодинамических активностей компонентов А (легирующий элемент) и В (насыщающий элемент), образующих соединение AmBn.

В рассматриваемом случае реакционной диффузии на границе между внешней средой (или сплошным слоем соединения) и двухфазным слоем, а также двухфазным слоем и твердым раствором имеется термодинамическое равновесие. Тогда мера пересыщения равна нулю (в принципе, на внешней границе мера пересыщения может быть и меньше нуля, если это равновесие отсутствует) и условием существования пересыщения является наличие максимума меры пересыщения:

∂L /∂x|x=xmax; ∂²L/∂x² < 0

x- расстояние от насыщаемой поверхности.

Можно показать, что приведенные выше условия проявления синергетического эффекта выполняются в случае, когда исходная концентрация легирующего элемента в твердом растворе сплава больше его концентрации на поверхности.

Следует отметить, что необходимость выполнения данного условия корреспондируется с требованиями, выполнение которых обеспечивает появление концентрационного максимума при диффузии элементов внедрения в твердом растворе трехкомпонентных сплавов (раздел 1.4).

Данный вывод проходил экспериментальную проверку путем проведения серии экспериментов по внутреннему азотированию сплавов Fe-Cr.

Сущность экспериментов заключалась в том, что образцы сплава с различным исходным содержанием хрома (20, 30, 40, 50, 60%вес.) подвергались одновременному насыщению азотом и хромом при температуре 1100 С.

Как показали микрорентгеноспектральный анализ и металлографические исследования, сплав с 20%вес.Cr концентрация хрома на поверхности становится больше 20%, то есть происходит насыщение сплава хромом, и зона внутреннего азотирования не формируется.

Во всех других случаях хром удаляется из сплава и образуется зона внутреннего азотирования, причем ее ширина тем больше, чем больше содержание хрома в сплаве.

Дата добавления: 2014-01-07