книги из ГПНТБ / Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали)

„аучно - ••

УДК: 621.785.06 Щ - И А Л Ь К О

УДК : 621.785.06 Производство и применение контролируемых атмосфер

В книге рассмотрены с позиции новых эксперимен­ тальных данных, полученных автором, физико-химиче­ ские и технологические основы процессов производства контролируемых атмосфер и их использования в печах. Обобщен большой экспериментальный материал и про­ изводственный опыт, учтены новейшие разработки в этой области в СССР и за рубежом. Приведены при­ меры, облегчающие усвоение изложенного в книге ма­ териала.

Кинга предназначена для инженерно-технических ра­ ботников, занимающихся вопросами полученияконтро­ лируемых атмосфер и их использования в термических печах. Книга может быть полезна аспирантам и студен­ там вузов соответствующих специальностей. Ил. 115. Табл. 36. Список лит.: 82 назв.

© Издательство «Металлургия» 1973.

3105—193 Э 040(01)—73 143—74

Г л а в а I

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОКИСЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА И ЕГО СПЛАВОВ

Упругостью диссоциации окислов при равновесии оп­ ределяется степень вероятности окисления данного ме­ талла. Термодинамический анализ химических реакций позволяет установить вероятность образования тех или иных соединений на поверхности металла, но не дает от­ вета на вопрос о скорости образования этих соеди­ нений.

Скорости реакций быстро возрастают с повышением температуры. Некоторые реакции заканчиваются в тече­ ние нескольких минут, другие же требуют десятка лет. Отсюда понятно исключительное значение кинетики по­ верхностных реакций для процесса окисления.

Процесс окисления чистого металла или сплава скла­ дывается из многих последовательно протекающих ста­ дий. Итоговая скорость совокупности всех стадий опреде­ ляется скоростью наиболее медленно протекающей ста­ дии, выявление которой позволяет сложный процесс окисления свести к изучению закономерностей лишь од­ ной, медленней всего протекающей стадии.

Теоретические и экспериментальные работы, касаю­ щиеся окисления металлов, подробно изложены в ряде специальных монографий (см., например, труд [1]) .

Эта глава посвящена частным вопросам окисления, имеющим непосредственное отношение к применению контролируемых атмосфер.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК

Температура выдачи металла на воздух после его тер­ мообработки в защитной атмосфере определяется ско­ ростью возникновения тонких пленок на железе при низ­ ких температурах.

5

чем для смеси при р н „ 0 / р н , =3.

В последнее время много внимания уделяется «цвет­ ному» отжигу, при котором поверхность металла приоб­ ретает сплошную пленку окислов, окрашенную в различ­ ные интерференционные цвета, придающие продукции красивый товарный вид и большую коррозионную стой­ кость при транспортировке и хранении. Это достигается нагревом в защитной атмосфере с контролируемым окис­ лительным потенциалом. Значение последнего зависит от температуры, содержания С 0 2 и Н2О, а также от кон­ центрации Ог в печной атмосфере.

ния показали, что пленки- с красивым товарным видом получаются при 700° С. Необходимым условием для этого является отсутствие остаточных углеводородов, а также окиси углерода, так как они портят внешний вид пленки и способствуют ее разрыхлению.

Получена следующая зависимость приращения массы Дш. от времени выдержки при 700° С:

где kp—константа скорости;

С— постоянная.

Впатентной литературе США1 указывается на ис­

пользование башенной печи для цветного отжига ленты. В качестве защитной среды применяется защитный газ, содержащий около 5% Н2 , остальное N 2 . Необходимый кислородный потенциал газовой среды достигается в ре­ зультате поступления в печь контролируемого количест-

' Пат. (США), № 3307981, 1967.

7

ва воздуха, часть кислорода которого гидрогенизируется водородом, содержащимся в защитном газе, образуя влагу. Часть кислорода (до 1%) и водорода (до 1,5%) остается в свободном виде. Количество поступающего воздуха определяется разрежением, искусственно созда­ ваемым на поду печи.

В печи обрабатывается лента шириной 600 и толщи­

своему значению в большинстве используемых контроли­ руемых атмосфер близок к упругости диссоциации FeO. Поэтому в тех случаях, когда обрабатываемый металл содержит легирующие, характеризуемые большим срод­ ством к кислороду, чем Fe, принципиально возможно окисление легирующих. Практически с этим явлением сталкиваются при длительных выдержках (например, при цементации, реставрационном отжиге) легированных сталей, а также при газовой коррозии жароупорных эле­ ментов печей.

Растворимость кислорода в Fe в интервале темпера­ тур 800—1000°С составляет 0,4—0,0007%, а коэффициент

близко к упругости диссоциации соответствующего окис­ ла; при этом совсем не обязательно, чтобы кислород при­ сутствовал только в свободном виде. Обмен кислородом осуществляется с такими соединениями, как СО, СОг, Н 2 0 , NO.

Рассмотрим случай, когда окислительный потенциал

(О) к месту реакции в результате диффузии через ре­ шетку; 3) реакция между продиффундировавшим кисло­ родом и растворенным в решетке легирующим компонен­ том [ ( 0 ) + (ЛГе)*ь(ЛГеО)].

8

900 до 1060° С — смешанное окисление с преобладанием интеркристаллнтного.

Зона внутреннего окисления возрастает с увеличением температуры и продолжительности выдержки.

По литературным данным [3], глубина внутреннего окисления Е связана со временем х следующей зависи­ мостью:

то в поверхностном слое обнаруживается феррит с внед­ ренными в него окислами.

В точке Аг величина Е изменяется скачкообразно, что вызывается различными значениями.показателей раство­ римости и диффузии 0 2 в а- и y-Fe. Так, при нагреве в порошке Fe—FeO (т. е. когда парциальное давление ки­ слорода равно упругости диссоциации FeO) сплава Fe—

Е — глубина проникновения зоны внутреннего окисления, мкм;

т— время, ч;

Т— температура, °К.

9