Прямые и побочные изменения в структуре при диффузионном отжиге

Если после кристаллизации в сплаве наблюдается дендритная ликвация, но не было выделения вторичной фазы, то отжиг приведет к получению равновесной твердого раствора.

Е сли имеются вторичные фазы, одновременно протекают 2 процесса: выравнивание состава внутри дендритной ячейки и растворение вторичных фаз – оба процесса диффузионные.

%В

M

1

C d e f d

- формула Фика

При достижении температуры отжига , на границе α-твердого раствора и β-фазы (точки е и d) в α-твердом растворе устанавливается концентрация точки m (на диаграмме состояния). В результате внутри дендритной ячейки возникает градиент концентрации и соответствующий диффузионный поток компонента В. В центре концентрация В повышается, на границе падает ниже равновесной. Так как внешние условия не меняются, на границе должно восстановиться равновесие, т.е. концентрация α-твердого раствора должна соответствовать точке m. Это достигается растворением части β-фазы. При этом межфазная граница уходит в сторону избыточной фазы. После восстановления равновесия опять возникает градиент, и процесс продолжается до полного растворения избыточной фазы или ее нерастворения.

Диффузионный отжиг – процесс, затухающий во времени, т.е. с течением времени диффузионные процессы замедляются, так как падает градиент концентрации. Поэтому за необходимое время диффузионного отжига принимают время, необходимое для растворения необходимой граничной фазы.

Влияние температуры

- константа, которая определяется типом компонентов и типом твердого раствора

Q – энергия активации

R – газовая постоянная

T – температура

Малейшее изменение температуры приводит к значительному росту диффузионного коэффициента.

Температура диффузионного отжига – (0,9…0,95)

Энергия активации – энергия, необходимая для перехода атома из одного уза решетки в другой. Такую энергию атомы получают от своих соседей, которые находятся в состоянии движения.

Энергия активации сильно зависит от типа твердого раствора и элементов его образующих. Энергия активации элементов, образующих твердые растворы внедрения на несколько порядков ниже, чем элементов, образующих твердые растворы замещения.

Диффузионный отжиг для углеродистых сталей не проводится, так как содержание углерода выравнивается во время охлаждения, а так же при последующих нагревах. Для легированных сталей диффузионный отжиг проводят часто.

Увеличение времени диффузионного отжига нерационально, приведет к большим затратам энергии, труда. Интенсифицируют отжиг обычно поднятием температуры.

Кроме того, уменьшить время отжига возможно, измельчив исходную структуру. Для этого металл охлаждается ускоренно, либо измельчается структура пластической деформацией. В этом случае отдельно отжига не делают, а совмещают его с последним нагревом от деформирования.

Одновременно с прямыми происходят побочные процессы:

1. Нагрев до высоких температур вызывает сильный рост зерен (особенно актуально для сталей). После диффузионного отжига для фасонных отливок проводят отжиг ІІ рода. Если это слиток, структуру измельчают при пластической деформации.

2. Гетерогенизация структуры. В процессе отжига или охлаждения после него могут выделяться те нерастворенные фазы, появление которых при быстром охлаждении было подавлено. Обычно они образуют примеси. Если появление фазы вредно, оговаривается быстрое охлаждение после отжига.

3. Структура закалки – мартенсит. Для многих легированных сталей критическая скорость закалки невелика. В результате даже охлаждения на воздухе сталь подкаливается.

4. Появление диффузионной пористости. Образуется из-за выхода растворенных газов и эффекта Киркендала – элементы диффундируют с разной скоростью. Поры появляются на месте быстро диффундирующего металла.