Ускорение диффузионных процессов в целях оптимизации операций химико-термической обработки

Ускорение диффузионных процессов в целях оптимизации операций ХТО

Введение

Металлизация – метод повышения механических свойств и увеличения коррозионной стойкости, путем насыщения приповерхностных слоев металлическими легирующими элементами. Являясь разновидностью Химико-Термической Обработки (ХТО), металлизация приводит к изменению химического состава и образованию новых фаз в приповерхностных слоях материала обрабатываемого изделия. Не следует путать операции ХТО с методами нанесения пленок, защитных слоев и поверхностных покрытий (таких как плакирование), так как они представляют собой создание добавочного слоя поверх заготовки. При этом фактически не изменяется или изменяется на незначительную глубину исходный состав приповерхностного слоя. Более того, в ряде случаев возможно отслоение нанесенного покрытия, то есть значительную роль играет адгезия наносимого материала к поверхности.

Операции ХТО осуществляются за счет активизации диффузионных процессов при повышенных температурах и некоторых дополнительных видах воздействия. Поэтому поиск способов повышения эффективности металлизации напрямую связано с изучением возможностей ускорения процессов диффузии и массопереноса.

Задачей данной работы является обзор имеющихся способов ХТО, в частности металлизации, основных закономерностей протекания диффузионных процессов и на их основании поиск вариантов

Основные стадии процессов ХТО

Любой процесс ХТО металлов и сплавов включает в себя три вида взаимодействий: в пространстве, окружающем изделие; на границе раздела среда – металл; в самом металле. В общем случае эти взаимодействия можно представить в виде следующих последовательных стадий: 1) образование активных веществ в окружающей среде (или в отдельном реакционном объеме); 2) доставка этих веществ к поверхности изделия; 3) адсорбция активных атомов или молекул поверхностью металла; 4) реакции на поверхности (рост слоя за счет химической реакции или диффузии) и образование продуктов реакции, находящихся в адсорбированном состоянии; 5) десорбция продуктов реакции; 6) отвод продуктов реакции в окружающее пространство.

Кроме того, существуют также важные промежуточные процессы. Так, между стадиями 2 и 3 происходит образование так называемых «переходных комплексов», хемосорбции (стадия 3) может предшествовать адсорбция, а отводу продуктов реакции в окружающий объем (стадия 6) – их отвод из зоны реакции путем перехода в состояние физической адсорбции.

Скорость процесса ХТО в целом определяется скоростью протекания наиболее медленной стадии (или стадий), которая в свою очередь зависит от степени ее обратимости. В общем случае любая из перечисленных стадий процесса ХТО может быть лимитирующим звеном.

Неоднозначность влияния температуры на ХТО

Повышение температуры является наиболее действенным способом ускорения процессов диффузионного насыщения, так как коэффициент диффузии и константы скорости химических реакций связаны с температурой экспоненциальной зависимостью. Однако широкому внедрению этого способа для ускорения, например, процесса цементации в обычных печах с медленным нагревом препятствуют сильный рост зерна стали, снижение механических свойств слоя и сердцевины, повышенное коробление изделий, пересыщение поверхности углеродом и образование цементитной сетки. Эти обстоятельства не позволяют поднимать температуру цементации выше 950 – 1050 °С. Еще сложнее проводить хромирование или насыщение стали алюминием, кремнием, титаном, вольфрамом, молибденом и другими элементами, поскольку для этого требуются температуры от 1050 до 1300 °С.

Использование повышенных температур процесса ХТО в ряде случаев бывает ограничено неоднозначным влиянием температуры на различные стадии процесса. Диффузионная подвижность и химическая активность с повышением температуры возрастают, в то время, как константа скорости адсорбции уменьшается (при одинаковых характеристиках внешней среды). Число адсорбированных атомов (или молекул) на поверхности металла, связано (при прочих равных условиях) с температурой выражением

, (1)

где постоянная, теплота адсорбции.

Число адсорбированных частиц с повышением температуры уменьшается. Это следует учитывать при выборе температуры обработки. Колебания температуры процесса, особенно в районе фазовых и полиморфных превращений, в ряде случаев также позволяют интенсифицировать диффузионное насыщение. Исследователи обнаружили это влияние при борировании и алитировании стали. Широко применяется изменение температуры для некоторого ускорения процесса азотирования. Двух- и трехсупенчатые температурные режимы азотирования внедрены в производство и полностью себя оправдали.

Влияние других факторов

Давление активной газовой среды также сказывается на скорости протекания процессов ХТО, так как количество адсорбируемых атомов (или молекул) возрастает с увеличением давления газа.

Большое значение для протекания поверхностных реакций при ХТО имеет рациональный подвод активной среды (стадия 2) и своевременный отвод продуктов реакции (стадия 6). Известно, что увеличивая скорость газового потока в первый период цементации можно немного ускорить процесс насыщения. При газовом борировании никеля в смеси BCl₃ и H₂ , было установлено, что увеличение скорости подачи смеси приводит к возрастанию скорости борирования. П

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать