Такое явление наблюдается при цементации технически чистого железа в атмосфере СО в результате повышения температуры свыше 900°С. Предельная концентрация углерода в поверхностном слое при всех температурах ниже концентрации насыщения.
Типичным примером реактивной диффузии является диффузия при окислении металлов. Процесс окисления железа начинается с образования на поверхности металла тонкой пленки высшего окисла Fe203 (в модификации γ при низкой температуре и α при высокой). При температурах, превышающих 100-150°С вслед за Fe203 во внутренних слоях окалины образуется магнитная окись Fe304, а выше 570°С -также закись железа Fe0 (вюстит). С течением времени каждая из трех зон слоя окалины утолщается (как и весь слой).
При окислении железа сквозь слой окалины диффундируют навстречу друг другу кислород и железо. Kоэффициенты диффузии железа в различных окислах различны - самый большой коэффициент диффузии железа в закиси FeO, в которой имеются вакантные узлы на месте недостающих ионов железа.
Поскольку реакция окисления железа идет быстрее диффузии сквозь нарастающий слой окалины, скорость образования окалины определяется скоростью лимитирующего процесса диффузии. Позтому нарастание слоя окалины на поверхности железа в сухом воздухе резко ускоряется при переходе через температуру образования закиси железа FeO, равную 575°С.
Присутствие некоторых легирующих элементов (например, Мn и Сr) повышает температуру образования вюстита и тем самым повышает жаростойкость соответствующих сплавов по сравнению с технически чистым железом и углеродистой сталью.
Как считает В. И. Архаров, одной из важнейших причин повышения стойкости стали при легировании Ni и Со является то, что в сложных окислах (Fe, Со),О и (Fe, Ni)О число вакантных узлов в кристаллической решетке значительно меньше, чем в вюстите, а это затрудняет диффузию металла сквозь слой окалины.
Процессы реактивной диффузии происходят при азотировании стали. На рис. 5.13 приведены построенные Ю.М. Лахтиным кривые распределения азота в азотированном слое технически чистого железа.
На кривой отчетливо видны скачки концентрации азота при переходе из одной фазовой области в другую.
При температуре 7000С, которой соответствуют эти графики, в системе Fe-Ni устойчивы три фазы: а) ε-фаза нитрид переменного состава с гекс. п. у. решеткой металлических атомов, часто описываемый формулой Fe2N, которая соответствует максимальному содержанию азота; б) твердый раствор азота в γ-железе с г. ц. к.; в) твердый раствор азота в α-железе с ОЦК решеткой. На микрофотографии (рис. 5.14,а) слои ε- и γ-фаз обладают резко выраженной столбчатой структурой, что объясняется условиями фазовых превращений при диффузионном насыщении.
Рис. 5.14. Микроструктура азотированного слоя
технически чистого железа в закаленном состоянии (а)
и после медленного охлаждения (б), ×450.
При медленном oxлаждении образца (см. рис. 5.14,6) γ-фаза испытывает эвтектоидный распад, превращаясь в смесь α- и γ'-фаз (нитрид Fe4N). В связи со снижением растворимости азота в α-фазe при понижении температуры медленное охлаждение азотированного слоя сопровождается выделением γ'-кристаллов в слое α-фазы там, где она всегда сильнее насыщена азотом (т. е. вблизи поверхности раздела между фазами α и γ).
Микроскопическое исследование и наблюдение за изменением концентрации азота в поверхностном слое азотируемого образцa с увеличением выдержки от 5 до 45 мин при 520°С привели Ю. М. Лахтина к заключению, что нитриды не сразу образуются на поверхнасти железа в результате химической реакции между железом и азотом. По-видимому, сначала азот растворяется в α-Fe, причем концентрация его в поверхностном слое постепенно повышается. Когда α-фаза насыщается до предела, в ней возникают кристаллы устойчивой при этой температуре γ'-фазы, которая образует затем сплошной слой. В этом слое при дальнейшем насыщении возникают кристаллы ε -фазы.
Чередование фаз в диффузионном слое при реактивной диффузии обычно соответствует диаграмме состояния взаимодействующих элементов.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.