Науглероживание и обезуглероживание сталей

 

Атмосферы, содержащие H₂–H₂O и СО–CO₂, могут также взаимодейство­вать с углеродом стали. Так атмосфера СО–CO₂ может обезуглероживать или науглероживать сталь, а атмосфера H₂–H₂O – обезуглероживать.

Реакции взаимодействия:

C (графит)+СО₂=2СО; Кр₃=Р_СО/Р_СО2      (6.5)

С (аустенит) +СО₂=2СО; Kp₆= Кр3/Ас (6.6)

С (графит)+Н₂О= СО+H₂; Кр₇= (Р_СО*Р_Н2)/Р_Н2О (6.7)

С (аустенит)+H₂O= СО+ H₂; Кр₈ =Kp₇/Ac (6.8)

СН₄=С(графит)+2Н₂; Кр₉=(Р_Н2)²/Р_СН4     (6.9)

СН₄=С(аустенит)+2Н₂; Кр₁₀=Кр₉/Ас     (6 10)

Во внешней среде состав науглероживающей контролируемой атмосферы регулируется реакциями:

СН₄+ СО₂= 2СО+- 2Н₂       Кр₁₁=[( Pco )²*( P_{H 2} )²]/[ P_{CH 4} * P_{CO 2} ] (6.11)

СН₄+ H ₂ O = СО+ ЗН₂       Кр₁₂=[ Pco *( P_{H 2} )³]/[ P_{CH 4} * P_{H 2 O} ] (6.12)

Зависимость констант равновесия реакций (6.6) и (6.8) от температуры от­ражают диаграммы равновесия, приведенные для сталей с разным содержанием углерода, представленные на рис. 6.3 и 6.4.

Из всего сказанного следует вывод, что для предотвращения обезуглерожи­вания стали нужно выполнять следующие соотношения между газами:

 

CH₄/H₂≥ Кр₁₀;  CO/CO2 ≥ Kp₆  СО-Н₂/Н₂О≥ Кр₈.

 

Рис. 6.3. Кривые равновесия смеси CH₄/H₂ над поверхностью стали

 

Рис.6.4. Кривые равновесия смеси СО-СО₂ над поверхностью стали

 

 

Увеличение содержания водорода и диоксида углерода способствует обез­углероживанию стали, а повышение содержание оксида углерода - науглерожи­ванию.

Отдельно также нужно отметить водород как газ практически всегда содер­жащийся в контролируемой атмосфере и из веех газов являющийся самым взрывоопасным - нижний предел горючести водорода соответствует 4%. а тем­пература самовоспламенения смеси водорода с воздухом равна 530... 590°С (см. табл. 6.2). Поэтому содержание водорода в атмосфере стараются макси­мально снизить.

Водород является и обезуглероживающим газом. Но скорость обезуглеро­живания сталей сухим водородом мала. Однако в присутствии этого газа пары воды проявляют свое обезуглероживающее воздействие очень сильно.

Водород в составе контролируемой атмосферы может проявлять отрицательное действие на обработанные изделия - снижать пластичность вследствие водородного охрупчивания (в верную очередь легированных сталей).

Следовательно, пары воды и диоксид углерода являются окисляющими и обезуглероживающими газами. Поэтому их удаляют из состава контролируемой атмосферы.

 

Нагрев в вакууме

 

Вакуум используют в качестве защитной атмосферы при термообработке деталей из жаропрочных и электротехнических сталей, магнитных сплавов, титановых сплавов и т. д.

Вакуумное пространство электропечей даже при глубоком вакууме еще не свободно от молекул воздуха. При вакууме 10² Па (1 мм рт. ст.) концентрация молекул воздуха составляет около 3*10¹⁶ мол/см³. При глубоком вакууме 10^-4 Па (1*10^{-6 мм рт.ст.}) концентрация молекул воздуха составляет 3*10¹⁰ мол/см³ [22].

Средний вакуум (см. гл. 5) как защитная среда нагрева инертен и обладает малой химической активностью. При его использовании возможно удаление из металлов и сплавов растворенных газов за счет диссоциации оксидов или диф­фузии газов. Допускается, что в остаточном воздухе после получения вакуума содержится по объему 70% водяных паров.

В ряде случаев производят комбинированную термическую обработку в ус­ловиях вакуума с последующим заполнением вакуумированного пространства печи контролируемой атмосферой, например, очищенным аргоном или гелием.

Недостатком высокого вакуума при высокотемпературном нагреве является возможность обеднения сплавов легирующими компонентами за счет испаре­ния или возгонки более летучих компонентов этих сплавов. Например, при ва­куумной термообработке можно превратить латунь в медную губку или умень­шить содержание Сr, Al, Ti, В в поверхностных слоях жаропрочных сплавов на никелевой основе [29].

По условиям возможности достижения температуры диссоциации оксидов в твердом состоянии элементы подразделяют на три группы[26]:

- элементы, диссоциация оксидов которых возможна при нормальном давлении 10⁵ Па (750 мм. рт. ст.). Это Ag, Pt, Рl Ru, Os.

- элементы, диссоциация оксидов которых возможна при определенном разряжении - остаточном парциальном давлении кислорода. Это Сu. Ni, Со, Мо, W, Fe.

- элементы, диссоциация оксидов которых невозможна при любом практи­чески достижимом разряжении (p=10^-8 Па). Это Мn, Сr, Та, V, Ti.

При нагреве в вакууме металлов и сплавов происходит их испарение (сублимация), интенсивность которой зависит от скрытой теплоты.

По уменьшению скорости испарения при данной температуре элементы можно расположить в следующий ряд:

Мn - Ag - Al - Со - Сu - Si - Сr – Fe – Ni - Ti - V - lr - Zr - Mo - Hf - Os - Nb - Re - Та - W [4].

Упругость диссоциации оксидов железа в зависимости от температуры представлена на рис. 6.5. На нем представлены четыре реакции окисления же­леза:

 

1. 2Fe +O₂ = 2FeO;                           (6.13)

2. 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄                       (6.14)

3. 6FeO + O₂ = 2Fe₃O₄                    (6.15)

4. 4Fe₃O₄ + O₂ = Fe₂O₃                    (6.16)

 

Окисление железа происходит интенсивно при преобладании реакции (6.16), а восстановление при условиях когда ни одна из реакций окисления не­возможна. Также из рисунка видно, что при температуре термической обработ­ки 600…1200°С железо окисляется при очень малых концентрациях кислорода в газовой среде. Поэтому кислород недопустим в печной атмосфере [3].

 

Рис.6.5. Упругость диссоциации оксидов железа в вакуум

 

Рис.6.6. Активность науглероживающих газов СО и СН₄

 

 

6.1.5. Взаимодействие сталей и сплавов с контролируемыми атмосферами

Стали. Как уже отмечалось выше, одни газы, входящие в состав атмосферы, могут окислять железо в легирующие элементы, а другие восстанавливать. Также имеются компоненты, которые науглероживают или обезуглероживают обрабатываемые стали. Например, оксид углерода и метан являются науглеро­живающими газами, активность которых отражена на рис 6.6.

Так как одна из основных целей применения контролируемых атмосфер при нагреве состоит в защите стальных изделий от окисления, то для этой цели применяют атмосферы N₂-H₂, N₂-CO-CO₂ а также N₂-H₂-CO-CO₂. При приме­нении этих атмосфер окисления поверхности ие происходит.

Атмосфера N₂-H₂-CO-CO₂-CH₄ применяется как контролируемая для защи­ты от обезуглероживания при нагреве высокоуглеродистых сталей, а также как карбюризатор для процессов газовой цементации [23].

Цветные металлы и сплавы. Рассмотрим взаимодействие контролируемых атмосфер с цветными металлами и сплавами.

 

1. Алюминий. Он стоек лишь в атмосфере сухого воздуха. Во влажной атмо­сфере на поверхности алюминиевых изделий образуется слой атомарного во­дорода. Далее водород проникает вглубь металла и вызывает образование пузырей, от­слоений, потемнение поверхности. Поэтому алюминий нагревают в атмосфере сухого воздуха, молекулярного водорода, в инертном газе и азоте.

2. Магний Это инертный металл до 400°C из-за устойчивой оксидной пленки MgO. Однако при повышении температуры до 450 °С магний начинает гореть. С приближением к температуре плавления металл насыщается азотом, что нежелательно. С повышением содержания водяных паров в атмосфере стойкость магния повышается в два раза за счет образования Mg(OH)₂. Нагрев магния производят в углекислом газе, инертных газах, а также на воздухе.

3. Титан. При температурах выше 800 °С он начинает взаимодействовать с азотом, образуя TiN. Кислород при 1000 °С вызывает окисление поверхности, а растворяясь в матрице вызывает появление твердой и хрупкой пленки из α - фа­зы, что приводит к затруднению обработки изделия. Титан окисляется парами воды по реакции: Ti+ 2Н₂О= TiO₂+ Н₂+2[Н]. Это вызывает хрупкость и сниже­ние пластичности. Вакуумный отжиг проводят для обезводороживания. Обра­ботку титана проводят в основном в вакууме.

4. Мель и ее сплавы. Делятся на стойкие и нестойкие к окислению. К пер­вой группе относится сама техническая медь, бронза оловянная, сплавы систе­мы Cu-Sn-Pb, мельхиоры. Нагрев этих сплавов проводится в атмосфере диокси­да углерода, водорода, очищенного азота, влажного воздуха.

Ко второй группе относятся бронзы, легированные Be, Сг, Zr, Мп, Si, Al, Ti. На поверхности бронзового изделия возникают плотные пленки оксидов леги­рующих элементов. При нагреве хромистых бронз в атмосфере азота, водорода, СО и COi (экзогаз) при температуре 900... 950 °С интенсивно проходит внут­реннее окисление. Эти бронзы нагревают в атмосфере диссоциированного ам­миака, не содержащего паров воды и диоксида углерода.

При нагреве латуни с содержанием цинка более 20% может проходить диф­фузия цинка к поверхности (так как цинк - легкоплавкий металл с температурой испарения 905 °С) и либо возгонка, либо окисление. Поэтому атмосферой для термообработки латуней может служить очищенный азот при повышенном дав­лении.

5. Тугоплавкие металлы. В водородно-азотных атмосферах нагревают Мо, W, так как они не растворяют азот. Nb, Та обычно нагревают в инертных газах или в вакууме.

⇐ Предыдущая26272829303132333435Следующая ⇒

Поделиться: