Гомогенизация (металлургия)

При гомогенизации главная движущая сила — увеличение энтропии, а понижение энтальпии связано с тем, что растворяются избыточные фазы, имеющие повышенную энергию. Для определения гомогенизации в общем химическом смысле есть формула^[2]:

Основной механизм гомогенизации — диффузия, соответственно поток диффузии пропорционален градиенту концентрации^[2]:

${\displaystyle J\sim {\frac {\Delta c}{dx}}=grad(c)}$

,

где J — диффузионный поток, c — концентрация примеси.

Чем больше градиент концентрации, тем быстрее будет проходить гомогенизация. Все значимые изменения происходят в течение 1-2 часов.

Скорость диффузии зависит от коэффициента диффузии^[2]:

${\displaystyle D=D_{0}\exp {\Bigl (}{\frac {-Q}{RT}}{\Bigr )}}$

Где D₀ — коэффициент самодиффузии, Q —энергия активации диффузии, R — газовая постоянная.

Возможные пути ускорения процесса гомогенизации заключаются в повышении температуры или использовании характеристик материала, но они не годятся, так как в первом случае возникает чрезмерный рост зерна и есть опасность пережога, а во втором эти характеристики металла трудно поддаются управлению.

Другим вариантом является изменение времени гомогенизация для разных элементов. Чем меньше D₀ и больше Q у элемента, тем больше ему времени требуется на гомогенизацию. Углерод по сравнению с железом имеет Q в 2 раза меньше, а D₀ больше на 4 порядка. Абсолютное большинство легирующих элементов имеют D₀ меньше, а Q — больше. Скорость диффузии углерода на 5 порядков больше, чем скорость диффузии металлических атомов, в результате сталь гомогенизируется по углероду в течение 1-2 секунд при охлаждении.

В связи с этим рекомендуется углеродистые стали не гомогенизировать, а легированные стали гомогенизировать на атомы, растворённые по типу замещения (хром, никель, молибден, вольфрам, титан)^[2].

• Выравнивание химического состава внутри раствора происходит за счёт решёточной диффузии.
• Из-за разности концентраций легирующего элемента на границе твердого раствора и второй фазы происходит растворение второй фазы и отток легирующего элемента внутрь твердого раствора по градиенту концентраций, вплоть до полного растворения второй фазы.
• Поры образуются при гомогенизации путём захлопывания вакансионных дисков и последующего роста.
• Зёрна растут по механизму собирательной рекристаллизации.
• Ещё один вариант механизма гомогенизации — выравнивание химического состава внутри раствора за счет массопереноса в результате ИПД (интенсивной пластической деформации), например в ходе равноканального углового прессования^[2].

При нагреве после завершения аустенитизации в металле внутри зёрен развивается процесс гомогенизации по углероду и другим элементам. Перераспределение элементов происходит в соответствии со значениями градиента химического потенциала в разных участках зёрен. Углерод перераспределяется из зон, обогащенных некарбидообразующими элементами, в зоны, обогащенные такими элементами, поскольку первые повышают, а вторые понижают термодинамическую активность углерода. При повышении содержания углерода его активность увеличивается, в результате направление перераспределения углерода изменяется, чему также способствует произошедшее к этому моменту перераспределение других элементов.

При нагреве до температур свыше 1100—1200 °C развивается процесс гомогенизации в направлении равномерного распределения элементов по телу зёрен. Гомогенизация продолжается также на ветви охлаждения до температур сохранения диффузионной подвижности элементов или температур начала фазовых выделений, например, карбидов в высоколегированных мартенситно-стареющих сталях^[3]. Существует высокотемпературная гомогенизация, когда интенсификация диффузионных процессов происходит путем диффузионного (гомогенизирующего) отжига с нагревом как выше, так и ниже температуры неравновесного солидуса^[4].

Такой отжиг широко применяется для гомогенизации металлов и сплавов в целях устранения ликвации — неоднородностей, образующихся при охлаждении расплава из-за отставания диффузионных процессов от процесса кристаллизации. Условия проведения гомогенизации зависят, главным образом, от состава и размера неоднородностей, скорости диффузии компонентов сплава.

Например, гомогенизацию стальных слитков проводят при 1100—1300 °C в течение 20-50 ч, алюминиевых сплавов — при 420—450 °C в течение 20-30 ч. Гомогенизацию осуществляют в целях повышения пластичности, ударной вязкости, коррозионной стойкости и др.

Гомогенизация с использованием механического воздействия (дробления, перемешивания) применяется в химической промышленности (например, для стабилизации пластичных смазок), в пищевой промышленности (для приготовления пастообразных продуктов, молочных смесей), в строительстве (в производстве бетона, строительных смесей и растворов) и др.^[5].