Поверхневої обробки

1.1. Фізико-хімічні основи поверхневої обробки та відновлення виробів

У даний час все більш широке використання знаходять дифузійні покриття для підвищення експлуатаційних властивостей (зносостійкості, жаростійкості, жароміцності, корозійної стійкості) деталей машин і елементів конструкцій, які експлуатуються в різних агресивних середовищах. Успішне вирішення цього питання можливе при широких дослідженнях існуючих і розробці нових способів дифузійного насичення.

Зроблено певні спроби вирішити існуючі проблеми з питань дослідження фізико-механічних властивостей покриттів, одержуваних різними способами традиційної хіміко-термічної обробки (ХТО) [1]. Були досліджені як при кімнатній, так і при підвищених температурах зносо- та корозійна стійкість, твердість і мікротвердість, коефіцієнт лінійного розширення, електроопір та коерцитивна сила покриттів. Ці дані можуть бути корисними для оцінки можливості застосування покриттів для деталей, які працюють в заданих умовах.

Результати проведених досліджень показали [2], що спосіб дифузійного насичення в середовищі рідкометалевих розчинів є пер­спек­тивним при насиченні тугоплавких металів і сплавів, а також при насиченні тугоплавкими металами конструкційних сталей і сплавів на основі хрому і нікелю. Він є оптимальним і для дифузійного насичення дорогоцінними металами - сріблом, золотом, платиною та ін. При цьому є можливим регулювання фазового складу і структури покриття при одержанні твердих розчинів однорідного складу без крихких складових типу карбідів і нітридів.

1.1.1. Умови та фактори, які забезпечують нанесення покриття

Термічна обробка металів і сплавів полягає в швидкому їх охолодженні (зміні температурно-часового фактора) при постійній концентрації їх складу. При цьому відбуваються фазові перетворення і структурні зміни, які надають конструкційному матеріалу необхідні властивості. Інколи задають необхідний тиск, що розширює можли­вості переходу в різні агрегатні, фазові і структурні стани, але також при умові постійного складу компонентів сплаву. Зміну складу сплаву можна досягнути не тільки зміною температури і тиску, але і складу компонентів при постійних температурі та тиску. Вказані шляхи створення одного і того ж складу сплаву, який відповідає положенню точки К, показані (рис.1.1а) стрілками (1-зміна температури; 2-зміна складу). Відповідно, в залежності від розміщення точки К, система переходить з одного фазового стану в інший. При ХТО використовуються методи зміни складу поверхневих шарів у процесі дифузійної металізації, які дають можливість одержати новий стан: склад та структуру, необхідні для визначених умов експлуатації.

Рис.1.1. Діаграма стану двохкомпонентної системи

евтектичного типу (а) і термодинамічний потенціал

твердих розчинів при температурі Т_Н (б)

Розглянемо умови і фактори, які забезпечують одержання необхідного складу поверхневих шарів дифузійною металізацією. Для протікання гетеродифузії потрібна наявність на поверхні насичуваного металу атомів насичуючого металу, які забезпечують відповідний хімічний зв'язок з поверхневими атомами. Дифузійне покриття при ХТО формується в ізотермічних умовах і в штучно розроблених середовищах при прямому або непрямому контакті поверхні виробу з металом покриття в умовах, які забезпечують хімічний контакт. Температура і активне середовище обумовлюють протікання наступних процесів, необхідних для одержання покриття:

1. Активація поверхні, очищення її від поверхневих плівок, які перешкоджають хімічній адсорбції і дифузії насичуючого елемента. Це досягається розчиненням плівок основним або навколишнім середовищем та активаторами.

2. Хімічна адсорбція атомів насичуючого металу на поверхню виробу. Вона проходить при пониженні поверхневої енергії насичуючого металу; може визначатися реакціями відновлення молекулярних з’єднань, які містять насичуючий елемент з атомами поверхні, змочуванням, твердофазною взаємодією, адсорбцією із парової фази або вакууму і т.д.

3. Гетеродифузія на границі адсорбований насичуючий метал – поверхня виробу. Вона може мати одно- або взаємно напрямлений характер дифузії компонентів металу, що покривається, і адсорбованих атомів. Визначаючими факторами є різниця в міжфазних хімічних потенціалах, температурні умови. Характер дифузії визначається різницею хімічних потенціалів і кінетичним параметром.

Поряд з цими основними процесами, які забезпечують одержання покриття, є можливими відведення і розчинення компонентів металу, що покривається, середовищем, із якого проводиться насичення. Цей процес може визначати якість покриття (висока пористість, ло­кальна або рівномірна корозія поверхні насичуючого металу). Переважно активація поверхні і адсорбція при ХТО не розглядаються. Але вони впливають на швидкість утворення шару, їх склад, розподіл концентрації по глибині шару і гранично досяжну концентрацію дифузійного елемента на поверхні.

Дифузійні процеси на зовнішній міжфазній границі в початковий період насичення призводять до утворення твердих розчинів, концентрація елементів в яких збільшується в процесі взаємодії. Після досягнення границі розчинності наступний етап насичення супро­воджується перебудовою вихідної гратки в гратку нової фази. При цьому, окрім енергії активації дифузії, необхідно враховувати енергію активації даного процесу перебудови. В зв’язку з тим, що кінетика швидкості хімічної реакції на міжфазній границі є більшою від швидкості проходження процесу твердофазної дифузії, розглядають умови і фактори, які забезпечують її протікання. В результаті одержують щільні, високоякісні за структурою покриття. Твердофазну дифузію при одержанні покриття можна, в основному, охарактеризувати трьома стадіями:

1) на першому етапі за рахунок взаємної поверхневої дифузії компонентів основного і насичуваного металів утворюється шар однакової концентрації. При достатній активності та адсорбції встановлюється динамічна рівновага;

2) на другому етапі проходить гранична дифузія, яка обумовлена структурою насичуваного металу;

3) третій етап – об’ємна дифузія.

Протікання дифузії на цих етапах обумовлює формування в поверхневих шарах насичуваного металу зони з визначеним складом і концентрацією дифундуючих елементів та відповідною міжфазною границею. Структура зон, їх товщина і розміщення є критеріями, які характеризують результати одержання дифузійних покриттів при хіміко-термічній обробці. Ці критерії, в основному, визначаються складом і активністю зовнішнього середовища, температурою, тривалістю насичення і швидкістю подальшого охолодження.

Розподіл компонентів у дифузійному шарі у випадку насичення металу А металом Б можна визначити на основі діаграми двохкомпонентної системи (див. рис.1.1а). Існування фаз характеризується співвідношенням термодинамічних потенціалів при визначених тисках, температурі і концентрації. При P = const і температурі Т_Н, термодинамічний склад моля розчину визначеного складу С_р буде:

Z_р = Z_а C_а + Z_b C_b,

де Z_a, Z_b, C_a, C_b – термодинамічні потенціали і концентрація компо­нентів А, Б. Якщо в точці, яка характеризує склад розчину (залежність Z = f(c), див.рис.1.1б), провести дотичну, то на осях А і Б їх пересічення буде відповідати значенню хімічного потенціалу компонентів у розчині. В порівнянні з хімічним потенціалом чистого компоненту ( і ) в даних умовах (С_р, Т_Н) хімічний потенціал компонентів у розчині буде відрізнятися на величину

де - активність компонента в розчині.

При температурі Т_Н (див рис.1.1а) в твердому стані в залежності від концентрації на ділянці АС_ме стійким є розчин , на ділянці С_меС_н – суміш + , і на С_НБ – розчин . Зміна хімічного потенціалу компонента Б при збільшенні концентрації від 0 до 100 % при Т_Н і залежності z = f(c) показана на рис.1.2а.

Рис.1.2. Діаграма зміни хімічного потенціалу компонента Б

в залежності від концентрації (а) і концентрації в поверхневих шарах

в залежності від часу насичення (б)

Якщо процес адсорбції протікає інтенсивно і швидкість дифузії невелика, то за короткий час (інкубаційний період) утворюється обмежена концентрація С_п.к. (див рис.1.2б).

У загальному випадку в процесі насичення концентрація в по­верхневому шарі може бути змінною. Збільшення товщини покриття в часі залежить від градієнту хімічного потенціалу по глибині дифузійної зони і характеризується ефективним коефіцієнтом дифузії. В початковий період градієнт є значним і товщина покриття швидко зростає. Із зменшенням градієнту товщина зростає повільніше.

Оцінка можливого складу дифузійного покриття на основі діаграм стану може бути тільки орієнтовною в зв’язку із багатокомпо­нентністю сталей і сплавів. Особливо в присутності С і N очікуваний склад покриття не відповідає отриманому. Домішки з дифундуючими елементами утворюють тверді розчини або сполуки.

Другою умовою є співвідношення розмірів між атомами металу матриці і покриття. При дифузії атомів з меншим діаметром від атомів розчинника чи з різницею не більше 15-16%, виникають напруження в кристалічній гратці. При великих співвідношеннях кристалічна гратка втрачає стійкість.

Основним фактором для протікання дифузійного насичення є також температура, яка повинна забезпечувати теплове переміщення атомів. При цьому можна сформувати покриття значної товщини за порівняно невеликий проміжок часу. Товщина покриття вибирається з врахуванням умов експлуатації, оскільки глибина дифузійної зони впливає на міцність, зносостійкість та корозійні характеристики системи основний метал - покриття.

Таким чином, для успішного протікання дифузійного процесу в твердій фазі при одержанні покриттів необхідні наступні основні умови:

1) наявність градієнта міжфазних хімічних потенціалів насичуючого елемента в активному середовищі і в насичуваному металі.

2) атомний діаметр насичуючого елемента не повинен перевищувати атомний діаметр насичуваного металу більше ніж на 15%;

3) елементи, які утворюють покриття, повинні бути взаємно розчинними або забезпечувати протікання реактивної дифузії;

4) забезпечення температури, при якій можна одержати покриття значної товщини.

1. 1. 2. Способи ХТО дифузійним насиченням

Дифузійне насичення поверхні металевих виробів відноситься до області ХТО, в процесі якої деталі нагріваються в штучно створеному середовищі, видержуються протягом визначеного часу і охо­лоджуються.

Навколишнє середовище, насичене відповідними елементами при забезпеченні необхідних умов і факторів, дозволяє одержати на поверхні металу відповідне покриття. Одержані поверхневі шари складаються із хімічних сполук або твердих розчинів. Можливе утворення покриття з високим вмістом хімічних сполук, які розподілені певним чином у вигляді дисперсних часточок. Склад і структура покриття залежить від складу зовнішнього середовища і можливостей зміни складу і структури металу під дією температури. Правильний вибір середовища дозволяє отримати очікуваний склад покриття при мінімальній температурі. Остання є важливим фактором, оскільки небажані зміни в складі і структурі сплаву будуть мінімальними. В зв'яз­ку з цим методи одержання покриття класифікуються із врахуванням активності фізико-хімічних середовищ.

Дубінін Г.Н. запропонував наступну класифікацію методів поверхневої обробки:

1) насичення із твердої фази (твердофазний метод);

2) насичення із рідкої фази (рідкофазний метод);

3) насичення із газової фази (газофазний метод);

4) насичення з парової фази (парофазний метод).

Визначальними при насиченні є вимоги до підготовки поверхонь оброблюваних деталей. Це впливає на подальшу якість виробу. Вибір технології підготовки поверхні визначається способом нанесення покриття і його складом, конфігурацією та габаритами деталей, складом матеріалу і т.д. Поверхня повинна бути очищена від окислів і забруднених ділянок, дефектів у вигляді тріщин, раковин і т.д. Гострі кути, грані, кромки повинні бути відповідно оброблені, а поверхня гладкою, оскільки мікрорельєф після обробки мало змінюється. Деталі необхідно обезжирити і протравити, що залежить від складу, форми і габаритів виробу.

1. 1. 2. 1. Насичення з твердої фази

При даному методі насичення вироби контактують з дифундуючим елементом, що знаходиться в твердій фазі. Переважно використовують подрібнені чисті метали або феросплави у вигляді порошку і кусочків. Оскільки процес насичення проводиться при високих температурах, для усунення спікання і налипання порошку на поверхню виробу використовуються інертні наповнювачі: оксид алюмінію, оксид цинку, шамот, кварцовий пісок і т.д. Надходження дифундуючого елементу в поверхневі шари проходить тільки через поверхню контакту металів у твердій фазі. При цьому на даній поверхні є необхідним контакт між металом виробу і металом покриття. Швидкість утворення і якість покриття залежить від поверхні контакту. Дрібніший порошок забезпечує більшу поверхню контакту. При цьому товщина покриття є стабільнішою.

Даний метод використовується, коли необхідно провести насичення елементами, пружність парів яких є значно нижчою пружності пари насичуваного металу. Його проводять на залізі, хромонікелевих сталях і сплавах, насичених ніобієм, молібденом, вольфрамом, танталом.

Перевагами методу є простота процесу, а недоліком – приварювання часточок до насичуваної поверхні.

Рис.1.3. Схеми отримання дифузійного покриття твердофазним

способом у вакуумній (а) і відкритій (б) печах:

1,5 - термопара; 2 - металевий або керамічний тигель із сумішшю насичуючого елемента та інертного наповнювача; 3 - вироби; 4 - ваку­умна піч; 6 - піч електроопору; 7 - інертний наповнювач; 8- вироби з попередньо нанесеним на поверхню шаром насичуючого елемента; 9 - металевий тигель

Технологічні твердофазні насичення проводяться за наступною схемою. Деталі після попередньої поверхневої обробки поміщаються в тигель, в який насипається порошок або кусочки насичуваного еле­мен­та з інертним наповнювачем. Температурна витримка, необхідна для протікання процесу насичення, досягається наступними способами. Відкритий тигель поміщається у вакуумну піч і процес проходить у вакуумі або інертній атмосфері, яка утворюється після вакуумування. Тиглі заварюються в атмосфері інертного газу, що дає можливість проводити насичення в простих печах. Як інертна атмосфера використовується аргон. Схема такого варіанту отримання покриття наведена на рис.1.3.

1. 1. 2. 2. Насичення з рідкої фази

При даному виді насичення дифундуючий елемент може знаходитись у наступних станах:

1) в розплавленому стані при нанесенні покриття на конструкційні метали і сплави більш легкоплавкими металами (Al, Zn, Pb, Cu, Cd, Sn);

2) в хімічних сполуках – розплави солей насичуваних металів у суміші з іншими матеріалами або в розчинах солей у вільному стані;

3) в розчині інших більш легкоплавких металів, які не можуть проникати в тверду фазу металу внаслідок дифузії (Li, Na, Rb, Ca, Bi і т.д.).

Типовим прикладом використання першого варіанту є гаряче цинкування і алітування в розплавах. Гаряче цинкування в розплавленому цинку при Т=430-460°С протягом декількох хвилин забезпечує товщину шару 0.02-0.03 мм. Для запобігання окислення цинку на поверхню розплавленої ванни наноситься шар флюсу – низькотемпературні суміші солей.

Суть рідинного алітування полягає в насиченні з розплаву металевого алюмінію або розплаву на його основі. Атоми алюмінію хемосорбуються на поверхні виробу і дифундують в об’єм металу, утворюючи багатошарове за складом покриття (Т=700-800°С, час 1-45 хвилин). Цей метод є простим і швидкоплинним, він дозволяє обробляти деталі будь-якої конфігурації, розмірів, а також внутрішні по­верхні. Недоліком є локальне розчинення поверхні і налипання на ній алюмінію. Для їх усунення використовують інгібірування ванни до­бав­ками розплавів солей. Наприклад, для алюмінієвої ванни вводять 6-8 відсотків заліза.

Насичення в середовищах із розплавів солей проводилось при одержанні покриттів на основі бору, хрому та алюмінію. Для одержання необхідного складу насичуючого середовища використовувалась суміш солей. Насичення проводилось при ізотермічній витримці в ванні без електролізу або з ним. Оскільки другий метод є більш загальним, то розглянемо його схему (рис.1.4).

Рис.1.4. Схема дифузійного насичення із соляної ванни

з використанням електролізу:

1 – термопара; 2 – анод, 3 – катод, 4 – піч, 5 – тигель

У тиглі із жорсткої сталі розплавляють сіль або її суміш. Виріб слугує катодом. Як анод використовується графітовий або вугільний стержень.

Cклад дифузійних шарів і структура покриття при насиченні в розплавах солей залежить від багатьох факторів: складу ванни, режиму електролізу, температури, тривалості процесу. Використання солей для дифузійного насичення має ряд переваг. Більш електронегативні домішки розчиняються в першу чергу, а це дозволяє керувати процесом при багатократному насиченні. Процес насичення залежить від швидкості перенесення іонів до катоду, величини потенціалу, виділення металу на даному катоді, температури, густини струму. Основними складовими ванн використовуються розплави галогенних солей лужних металів, а також метали, які знаходяться в твердій фазі. Насичення із рідкої фази солей є перспективним, тому що дозволяє отримувати різні покриття і управляти процесом насичення. Але цей метод має ряд недоліків: складність фізико-хімічних процесів, корозійну дію розплавів солей на матеріали ванни та інші.

3. 1. 2. 3. Насичення з газової фази

Метод базується на одержанні дифузійного елемента в атомарному стані із газової фази. При цьому можливі декілька технологічних варіантів.

1. Взаємодія газової фази, яка містить дифудуючий елемент у вигляді хімічної сполуки з поверхнею насичуваного металу. В результаті реакцій відновлення відбувається одночасна хемосорбція металу, що утворює покриття.Як сполуки, що містять дифузійний елемент використовуються галогеніди металу:

МЕдГn+МЕ=МЕГm+МЕд.

2. Взаємодія з участю газу-відновника, наприклад, водню:

МЕдГn+n/2(H2)=HГ+МЕд

Водень одночасно активізує поверхню металу, очищає його від окисних плівок, допомагає протіканню хемадсорбції насичуючого елемента на поверхні.

Рис.1.5. Схема газофазного насичення контактним способом

у подвійному контейнері:

1 – чавунна стружка; 2 – реакційна суміш; 3 – вироби; 4 – вогнестійка обмазка; 5 – металеві кришки; 6 – термопара; 7 – зовнішній контейнер; 8 – внутрішній контейнер

3. Осадження дифундуючого металу, яке відбувається в результаті термічного розкладу галогенідних з’єднань:

МЕдГn=МЕд+Гn.

У даних реакціях МЕд – метал (дифузант) в сполуці або в атомарному стані;

Г – галоген; МЕ – метал виробу; n,m – цілі числа, які визначаються складом сполуки.

Рис.1.6. Схема газофазного насичення неконтактним способом

у контрольованій атмосфері:

1 - реакційна реторта; 2 - вироби; 3 - термопари;

4 - електропіч; 5 - насичуючий елемент

Газофазний метод найбільш широко використовується у виробничих умовах. Технологічно метод реалізується двома способами: 1) контактним (у порошкових сумішах); 2) неконтактним. У першому випадку (рис.1.5) вироби упаковуються в одинарному або в подвійному контейнері, який герметизується або не герметизується у атмосфері печі. Цей метод є простим і забезпечує добру якість покриття, економічний в малосерійному виробництві. Вироби в контейнері знаходяться в робочій суміші, яка складається з порошку металу, який знаходиться у вільному стані або у хімічній сполуці, інертних наповнювачів (кварцу, оксидів алюмінію та ін.) і газофазних активаторів типу хлористого амонію.

При другому способі (неконтактному насиченні) (рис.1.6) ак­тивна газова фаза утворюється на визначеній відстані від виробу і насичення відбувається внаслідок підведення реакційного газу до виробу.

В останній час способи газофазного насичення постійно удос­коналюються. Розроблені і оправдали себе: насичення в газових середовищах з використанням тліючого розряду в умовах низькотемпературної плазми, циркуляційний спосіб з використанням швидкого нагріву С.В.Ч. або електроудару, при одночасній дії мікропластичної деформації та імпульсного іскрового пробою в газовому середовищі.

1.1.2.4. Насичення з парової фази

При даному методі насичення дифундуючий елемент подається до поверхні виробу з парової фази, яка утворюється при нагріванні металу або сплаву, що містить цей метал. Пари металу адсорбуються на поверхні виробу і в результаті високої температури останнього утворюється хімічна сполука. Метод реалізується контактним і неконтактним способами. При контактному способі випаровування металу проходить в реакційному середовищі поблизу від місць контактування порошку дифундуючого металу з поверхнею виробу. При неконтактному способі випаровування проходить на деякій відстані від насичуваної поверхні.

Товщина дифузійних покриттів залежить від двох основних фак­торів: тиску парів дифундуючого металу і швидкості дифузії елементів у виріб.

1.1.3. Утворення покриття

Схематичне зображення типової структури напиленого покриття показано на рис.1.7.

Рис.1.7. Схематичне зображення типової структури покриття:

1 - границі між часточками; 2 – границі між шарами; 3 - границя між покриттям і підкладкою; 4 - часточки; 5 – підкладка (основний метал)

Взаємодія часточки з навколишнім середовищем характеризується поверхневою адсорбцією газів, розчиненням їх у рідкому металі і утворенням плівок окислів. Одночасно протікають дифузійні процеси, які підсилюються конвективними потоками і механічним збуренням рідкого металу. У випадку високої температури металевої часточки вказується на можливість протікання процесів вибіркового окислення марганцю, кремнію і вуглецю при напиленні сталі. Завдяки підвищеним швидкостям охолодження можлива поява перенасичених розчинів або виділення газів при кристалізації в атмосферу (відкрита пористість) або в мікропустоти (ізольована пористість).

Експериментально доведено, що при електродуговому і плазмовому напиленні сталі, алюмінію і вольфраму вміст кисню в покритті майже на два порядки вищий його вмісту в вихідному матеріалі і перевищує розчинність кисню в ньому. Цим обумовлено наявність тонкого шару оксидів на границях між часточками.

Товщина нанесеного за один прохід шару може сягати 50-100 мкм. Сприятливі умови для адсорбції газів, поява мікропустот і осад­ження пилеподібних фракцій суттєво погіршують властивості міжшарової зони покриття.

Зв’язок між часточками обумовлений утворенням сил когезії (зчеплення) або хімічною взаємодією.

Міцність напилених покриттів є невеликою (500-5000 Па). Це обумовлено декількома причинами: низьким рівнем когезії (зв’язок між часточками) та підвищеною пористістю, яка викликана незаповненими пустотами, що утворилися при формуванні покриття з окремих затверділих часточок. Наявність значних залишкових напружень обумовлена теплофізичниими властивостями матеріалів часточок і основного металу.

В залежності від співвідношення між міцностями зчеплення покриття з основним металом і часточками його руйнування може бути адгезійним або когезійним. У більшості випадків міцність самого покриття визначається силами зчеплення між часточками, а не міцністю самих часточок. Із зростанням товщини покриття в ньому накопичуються залишкові напруження і міцність покриття падає.

Залишкові напруження виникають у результаті нерівномірного нагріву і розподілення нанесеного матеріалу в покритті. Їх зменшують шляхом підбору матеріалу основного металу і покриття з близькими коефіцієнтами теплового розширення, регулюванням теплового режиму нанесення покриття (зміни теплової потужності джерела нагріву, швидкості його переміщення, дистанції напилення).

1.1.4. Вплив насичуючого середовища на формування дифузійних покриттів

ХТО методом дифузійного насичення полягає у дифузії елементів через границю різних фаз, тобто визначається міжфазною гетеродифузією. Часто компоненти системи метал (виріб) - зовнішнє середовище знаходяться в різних агрегатних станах. Поверхня виробу взаємодіє із штучно створеним зовнішнім середовищем в температурних умовах протягом певного часу. Зовнішнє середовище – один з основних факторів, який визначає умови отримання покриття. Від нього залежить температура, технологія, тривалість процесу, розподілення елементів по товщині дифузійного шару, фазовий склад та структура покриття.

Визначаючий характер середовища проявляється: 1) шляхом міжфазної реакції на зовнішній границі насичуючого тіла (тверда фаза) – середовище, яке поставляє дифундуючий елемент; 2) особливістю протікання дифузійного процесу через міжфазну границю метал (виріб)-середовище.

Якщо поверхня насичуваного металу знаходиться в активному стані, тобто є вільною від окисних плівок, процес граничної взаємодії визначається трьома стадіями:

1) адсорбція; 2) гетеродифузія в зоні контакту; 3) об’ємна дифузія, що спричиняє утворення твердого розчину, зародження і ріст нових фаз.

Зовнішнє середовище впливає не тільки на швидкість утворення і склад покриття, але і на його будову. При неконтактному способі хромування сталі 45 карбідна зона росте швидше, ніж при контактному при температурі насичення 1100°С. Зовнішнє середовище є визначальним і при алітуванні. При алітуванні з рідкого середовища дифузійний шар на границі з основним матеріалом виробу має голчасту будову, що визначається особливою природою кристалічної гратки фази Fe₂Al₅, яка не фіксується при насиченні з інших фаз.

Рис.1.8. Зміна концентрації вуглеводню по глибині дифузійного шару при насиченні карбідоутворюючими (а) і некарбідоутворюючими (б) елементами: 1 – розподілення концентрації насичуючого елементу; 2 – розподілення концентрації вуглеводню

Великий вплив має середовище і на неметалеві домішки в твердій фазі при насиченні карбідоутворюючими елементами. Домішки (кисень, азот) в насичуючому матеріалі, завдяки своїй високій активності і можливості взаємодіяти з багатьма елементами з утворенням з’єднань типу карбідів і нітридів, і більш значній дифузійній рухливос­ті в твердій фазі, ніж металічні елементи, можуть сильно впливати на характер дифузійного насичення, склад, структуру покриття. Переважно при насиченні металів і сплавів, що містять вуглець, карбідоутворюючими елементами, покриття повністю або частково складається з карбідної фази. Під дифузійним шаром утворюється обезвуглецьована зона (рис.1.8а). При насиченні карбідоутворюючими елементами - в покриттях утворюються карбіди і відбувається витіснення вуглецю з дифузійної зони, що призводить до утворення шарів з підвищеним вмістом вуглецю (рис.1.8б). Така взаємодія дифузійного елемента з вуглецем відбувається практично в багатьох способах насичення.

При насиченні, особливо контактному з газової фази, велика увага приділяється складу активаторів зовнішнього середовища, ос­кільки структура, склад, швидкість росту і якість покриття залежать від впливу активаторів на процеси гетеродифузії. Основні вимоги, які висуваються до активаторних добавок, є наступними:

1. Вони повинні забезпечувати ювенільну поверхню шляхом змішування або утворення поверхневих плівок, які слугують бар’єром для дифузійної металізації.

2. Домішки повинні реагувати в зовнішньому середовищі з дифузійними металами з утворенням активної газової фази.

3. Забезпечувати транспортування активних атомів до поверхні виробу і утворювати хемадсорбований шар на поверхні виробу.

4. Активатор повинен захищати поверхню виробу від утворення бар’єрних плівок. Оскільки використання однієї добавки не завжди забезпечує потрібні вимоги, тому часто використовують декілька активаторів.

Дата добавления: 2015-07-18