Capa de difusión : volúmenes superficiales de material, cuya composición química ha cambiado como resultado de la difusión durante el tratamiento químico-térmico (CHT) . Un cambio en la composición química de estos volúmenes conduce a un cambio en la composición de fase , estructura y propiedades del material de la capa de difusión.
La condición más importante para la formación de una capa de difusión es la existencia de la solubilidad del elemento difusor en el metal saturado a la temperatura del tratamiento químico-térmico. Las capas de difusión también pueden crear elementos que, a la temperatura del proceso, tienen baja solubilidad en el metal saturado, pero forman compuestos químicos con él .
La clasificación de las capas de difusión se realiza según el número y naturaleza de los elementos saturantes; en estructura y propiedades.
Las capas de difusión de un componente se obtienen como resultado de la saturación de metales y aleaciones con elementos no metálicos ( cementación , nitruración , boruración , siliconación del acero ...) o elementos metálicos ( galvanización , cromado , aluminización ...)
Por la naturaleza de los elementos saturantes, las capas de difusión multicomponente se pueden dividir en tres grupos:
Según la naturaleza de la interacción de los elementos saturantes con el metal saturante (clasificación según V.I. Arkharov) [1] o entre ellos (en un medio saturante) (clasificación según G.V. Zemskov) [2] , es posible predecir la resultados del tratamiento químico-térmico de dos componentes.
La superficie saturada no está en equilibrio: no es homogénea en composición química, contiene defectos en la estructura cristalina y átomos adsorbidos , su estructura tiene rugosidad natural [3] y artificial .
El proceso de adsorción durante el tratamiento químico-térmico es complejo y depende de muchos factores: temperatura, presión, estado de la superficie, naturaleza del metal y del elemento difusor, etc. Además, el proceso de adsorción de elementos saturados va acompañado de autodifusión y heterodifusión en la superficie y, en el caso de reacciones químicas ( intercambio o desproporción ) que se producen en la interfase , desorción de los productos de reacción en el medio de reacción.
Los átomos de elementos saturados adsorbidos por la superficie se difunden profundamente en la pieza de trabajo. El flujo de difusión total [4] durante el tratamiento químico-térmico consiste en átomos de elementos saturados (heterodifusión), metal base de la aleación (autodifusión), elementos de aleación de la aleación e impurezas (heterodifusión). Los flujos de difusión tienen una influencia mutua en la velocidad y la integridad de la implementación del proceso de saturación [5] .
En la actualidad, existen dos teorías cualitativamente diferentes: ' atómica' y ' reaccionaria' [6] .
Según la teoría ' atómica' , durante el tratamiento químico-térmico, las fases de la capa de difusión se forman en la secuencia determinada por la sección isotérmica del diagrama de fase "metal - elemento saturante" a la temperatura de tratamiento. La expresión matemática de la teoría ' atómica' es la multifásica ( problema de Stefan ), en la que la transferencia de masa por difusión en cada fase está descrita por la segunda ley de Fick , y la condición de equilibrio de los flujos de difusión se establece en las interfaces (la no se tiene en cuenta la cinética de las transformaciones de fase en la capa de difusión).
La teoría de la difusión ' reactiva' fue propuesta por primera vez por V.Z. Bugakov [7] . Según esta teoría, cuando dos metales diferentes (o un medio de reacción y un metal) entran en contacto en el límite, como resultado de fluctuaciones heterogéneas , se forman núcleos de una nueva fase: un compuesto intermetálico . La fase emergente puede ocupar una posición intermedia en el diagrama de fase.
Al predecir la composición de fase de las capas de difusión y la secuencia de formación de fase, se deben tener en cuenta no solo las características de la transferencia de masa por difusión en el metal (o en el volumen de cada fase), sino también la cinética de las transformaciones de fase (la tasa de redistribución de los átomos en los límites de la interfase , la reorganización de las redes cristalinas y la formación de centros de cristalización de una nueva fase) [8] .
La estructura de la capa de difusión se forma en el proceso de mantenimiento a la temperatura del tratamiento químico-térmico, en el proceso de enfriamiento o tratamiento térmico posterior.
A la temperatura del tratamiento químico-térmico, se forma una estructura homogénea de la capa de difusión, o una estructura no homogénea - multifásica, heterogénea , que consta de varias zonas estructurales monofásicas, ubicadas secuencialmente a medida que se alejan de la superficie de saturación. .
La zona estructural de la capa de difusión es una parte de la capa de difusión, cuyo material se forma como resultado de las transformaciones de fase durante CT. Cada zona estructural a la temperatura CTO es monofásica y se diferencia de otras zonas de la capa de difusión [9] . En el proceso de enfriamiento o tratamiento térmico posterior , son posibles transformaciones de fase en la capa de difusión, cuya naturaleza depende del modo de enfriamiento y la estabilidad de las fases formadas a la temperatura del tratamiento químico-térmico.
Zona de transición : una estructura de transición entre la más significativa desde el punto de vista de la zona de operación de la capa de difusión y el núcleo.
En su formación de una capa de difusión durante el tratamiento quimiotérmico de iones [10] , el proceso de implantación de iones de elementos saturantes es de importancia decisiva. La estructura de una capa de difusión de este tipo difiere de la obtenida como resultado de la CTO tradicional (difusión térmica), donde la difusión a lo largo de los límites de grano juega un papel importante .
El espesor de la capa de difusión es la distancia más corta desde la superficie de saturación hasta el núcleo [11] .
El espesor efectivo de la capa endurecida es la distancia más corta desde la superficie de saturación hasta la estructura [12] con un parámetro (por ejemplo, dureza ) igual a un cierto valor límite. Este parámetro debe garantizar la confiabilidad y durabilidad del producto y se establece en función de las condiciones de operación, teniendo en cuenta las características de diseño del producto [13] .