Diffusionslag - overfladevolumener af materiale, hvis kemiske sammensætning har ændret sig som følge af diffusion under kemisk-termisk behandling (CHT) . En ændring i den kemiske sammensætning af disse volumener fører til en ændring i fasesammensætningen , strukturen og egenskaberne af materialet i diffusionslaget.
Den vigtigste betingelse for dannelsen af et diffusionslag er eksistensen af det diffuserende elements opløselighed i det mættede metal ved temperaturen af den kemisk-termiske behandling. Diffusionslag kan også skabe grundstoffer, der ved procestemperaturen har lav opløselighed i det mættede metal, men danner kemiske forbindelser med det .
Klassificeringen af diffusionslag udføres i henhold til antallet og arten af mættende elementer; i struktur og egenskaber.
En-komponent diffusionslag opnås som et resultat af mætning af metaller og legeringer med ikke- metalliske elementer ( stål karburering , nitrering , boring , silikonisering ...) eller metalliske elementer ( galvanisering , forkromning , aluminisering ...)
Af de mættende elementers natur kan flerkomponentdiffusionslag opdeles i tre grupper:
Baseret på arten af vekselvirkningen mellem mættende elementer med det mættende metal (klassificering ifølge V.I. Arkharov) [1] eller indbyrdes (i et mættende medium) (klassificering ifølge G.V. Zemskov) [2] , er det muligt at forudsige resultater af to-komponent kemisk-termisk behandling.
Den mættede overflade er ikke i ligevægt: den er ikke homogen i kemisk sammensætning, indeholder defekter i krystalstrukturen og adsorberede atomer , dens struktur har naturlig [3] og kunstig ruhed .
Adsorptionsprocessen under kemisk - termisk behandling er kompleks og afhænger af mange faktorer: temperatur, tryk, overfladetilstand, metallets og det diffuserende elements natur osv. Derudover ledsages processen med adsorption af mættende elementer af overflade-selvdiffusion og heterodiffusion , og i tilfælde af kemiske reaktioner ( udveksling eller disproportionering ), der forekommer på grænsefladen , desorption af reaktionsprodukter i reaktionsmediet.
Atomerne af mættende elementer adsorberet af overfladen diffunderer dybt ind i emnet. Den totale diffusionsflux [4] under kemisk-termisk behandling består af atomer af mættende grundstoffer (heterodiffusion), basismetal af legeringen (selvdiffusion), legeringselementer af legeringen og urenheder (heterodiffusion). Diffusionsstrømme har en gensidig indflydelse på hastigheden og fuldstændigheden af implementeringen af mætningsprocessen [5] .
På nuværende tidspunkt er der to kvalitativt forskellige teorier: ' atomare' og ' reaktionære' [6] .
Ifølge den ' atomare' teori dannes diffusionslagets faser under kemisk-termisk behandling i rækkefølgen bestemt af det isotermiske afsnit af fasediagrammet "metal - mættende element" ved behandlingstemperaturen. Det matematiske udtryk for den ' atomare' teori er den flerfasede ( Stefans problem ), hvor diffusionsmasseoverførslen i hver fase er beskrevet af Ficks anden lov , og balancebetingelsen for diffusionsstrømme er sat ved grænsefladerne (den kinetik af fasetransformationer i diffusionslaget tages ikke i betragtning).
Teorien om ' reaktiv' diffusion blev først foreslået af V.Z. Bugakov [7] . Ifølge denne teori, når to forskellige metaller (eller et reaktionsmedium og et metal) kommer i kontakt ved grænsen, som et resultat af heterogene fluktuationer , dannes kerner af en ny fase - en intermetallisk forbindelse . Den nye fase kan indtage en mellemposition på fasediagrammet.
Når man forudsiger fasesammensætningen af diffusionslag og sekvensen af fasedannelse, bør man ikke kun tage højde for egenskaberne ved diffusionsmasseoverførsel i metallet (eller i volumenet af hver fase), men også kinetikken af fasetransformationer (den hastigheden for omfordeling af atomer ved interfasegrænser , omlejringen af krystalgitre og dannelsen af krystallisationscentre i en ny fase ) [8] .
Strukturen af diffusionslaget dannes i processen med at holde ved temperaturen af kemisk-termisk behandling, i processen med afkøling eller efterfølgende varmebehandling.
Ved temperaturen af kemisk-termisk behandling dannes enten en homogen struktur af diffusionslaget eller en inhomogen - flerfaset, heterogen struktur , bestående af flere enkeltfasede strukturelle zoner, placeret sekventielt, når de bevæger sig væk fra mætningsoverfladen .
Diffusionslagets strukturelle zone er en del af diffusionslaget, hvis materiale er dannet som følge af fasetransformationer under CT. Hver strukturel zone ved CTO-temperaturen er enfaset og adskiller sig fra andre zoner i diffusionslaget [9] . I processen med efterfølgende afkøling eller varmebehandling er fasetransformationer mulige i diffusionslaget, hvis art afhænger af afkølingstilstanden og stabiliteten af faserne dannet ved temperaturen af kemisk-termisk behandling.
Overgangszone - en overgangsstruktur mellem den mest betydningsfulde ud fra et driftsområde af diffusionslaget og kernen.
I deres dannelse af et diffusionslag under ion-kemo-termisk behandling [10] er processen med implantation af mættende grundstofioner af afgørende betydning. Strukturen af et sådant diffusionslag adskiller sig fra den, der opnås som et resultat af traditionel (termisk diffusion) CTO, hvor diffusion langs korngrænser spiller en væsentlig rolle .
Diffusionslagets tykkelse er den korteste afstand fra mætningsoverfladen til kernen [11] .
Den effektive tykkelse af det hærdede lag er den korteste afstand fra mætningsoverfladen til strukturen [12] med en parameter (for eksempel hårdhed ) lig med en vis grænseværdi. Denne parameter skal garantere produktets pålidelighed og holdbarhed , og den er indstillet ud fra driftsbetingelserne under hensyntagen til produktets designegenskaber [13] .