Химико-термическая обработка (хто)

ХТО – процесс насыщения поверхности электролитами в активной среде, что позволяет изменить структуру не только поверхностного слоя, но и его химических свойств. Это позволяет получить особые свойства на поверхности : повышенная HB, σ_в, коррозионная стойкость, жаростойкость и др.

Преимущества ХТО перед другими методами поверхностного упрочнения :

1. более радикальные изменения свойств поверхности по сравнению с сердцевиной;

2. независимость насыщения от формы изделия;

3. позволяет экономить дорогостоящие материалы;

Процесс ХТО состоит из трех элементарных процессов:

1. протекает в окружающей насыщающей среде и связан с образованием насыщающего элемента в активном состоянии в локанизированном виде. Обычно это происходит в процессе диссоциации компонентов насыщающей среды.

NH→H₂+N

2. Второй процесс протекает на насыщенной поверхности и связан с захватыванием активных атомов поверхностью – адсорбция. В результате на поверхностей образуется атомарный слой, Для равномерного проникновения адсорбции на поверхности не должно быть окислов и грязных пятен.

3. Диффузия адсорбированых атомов в поверхностные слои.

Рациональное построенное ХТО предполагает соответствие всех трех скоростей подпроцессов. Основные параметры при ХТО – это температура и время. По этому используют Второй закон Фика в интегральном виде:

начальная концентрация элемента на поверхности остается постоянной. Концентрация этого элемента в насыщаемом материале ровна нулю.

С_о= const

C_насыщ.=0

С_x=C_o[1-Ф ] , где

С_x – концентрация элемента на расстоянии х от поверхности

– толщина диффузионного слоя с концентрацией С_х

D - коэффициент диффузии

- время

- это дает возможность анализировать влияние температуры и времени.

Если t=const, то D=const

- параболическая зависимость

Диффузионный слой растет в первый момент насыщения, а потом замедляется.

Если τ=const, то .

Важная величина – Q. Это энергия активации диффузии насыщаемого элемента в насыщаемом материале.

От Q зависит в основном D.

При τ=const, t= const и заданной концентрации элемента. Глубина диффузионного слоя также зависит от начальной концентрации на поверхности (С_о). Чм больше С_о ,тем больше глубина закаленного слоя с закаленной концентрацией С_х.

Механизм формирования диффузионного слоя

Есть два фактора, которые влияет на структуру диффузионного слоя :

1. стремление системы образовывать равновесные фазы соответствии с соответствующими диаграммами состояния – термодинамический фактор.

2. кинетический фактор, обусловлено скоростью роста фаз, что может привести к изменениям некоторого строения фаз.

Первым этапом диффузионного насыщения обычно является насыщение твердого раствора при цементации. В первую очередь происходит насыщение углеродом А-та. Предельной концентрацией на поверхности является концентрация ES.При азотировании в первую очередь насыщается Ф, до придельной концентрации точки 1. Дальнейшее насыщение твердого раствора не происходит.

На поверхности зарождается новая фаза, содержащая большое количество диффундирующего элемента. При цементации, такой фазой является Ц, а при азотировании выше 600^оС – это азотистый А.

Концентрация на границе раздела двух фаз изменяется скачком. Двухфазные области образовываться не могут, так как в них фазы при t=const имеют постоянные составляющие.

Формируются слои из тех фаз , в которых имеется область гомогенности. Это обеспечивается наличие градиента концентрации при формировании слоя. При азотировании после придельного насыщения азотистого А, следующей фазой будет γ΄-фаза Fe₄N. После насыщения этой фазы Азотом, зарождается и растет ε – фаза. Зарождение и рост новой фазы происходит в соответствии с теми же закономерностями, что и при фазовых превращениях. А именно образование зародышей происходит с помощью флуктуации. В обязательном порядке соблюдаются ориентационные и размерностные соответствия. Таким образом, по ходу образования фаз, соблюдается их порядок в соответствии с диаграммой состояния. Схематически этот порядок можно рассматривать так :

Каждый формирующийся слой должен обязательно иметь область гомогенности. При температуре азотирования больше 600^оС азотированный слой состоит из четырех фаз: α,γ,γ΄,ε. При охлаждении фазовый состав будет меняться : из α – твердого раствора выпадает γ΄ - фаза. Γ – фаза распадается на эвтектоид (α+γ΄). Из ε – фазы может выделяться избыточная γ΄ - фаза. При охлаждении фазовый состав слоя будет меняться.

Вывод: при основополагающем влиянии термодинамического фактора при любой температуре, состав и структура сплава будет соответствовать диаграмме состояния.