Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

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

.pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
22.10.2023
Размер:
15.83 Mб
Скачать

С п л а в Х15Н35. С края шлифа находится светлое поле, на ко­ тором расположены разрозненные карбиды, затем следует разор­

ванная феррптная сетка;

в середине — равномерно распределенные

карбиды различно» величины.

С п л а в Х18Ы25С2.

Структура неоднородная. С края шлифа

на аустепнтном фоне разбросаны карбиды различной формы: вытя­ нутые и округленные. Размер зерен № 1—3 (в исходном состоянии

7—8).

Сп л а в Х23Н18. На нетравлеиом шлифе отмечено иитеркристаллнтное окисление па глубину 0,06—0,11 мм. Структура неод­ нородная. В отдельных местах обнаружено несколько фаз. Дисперс­ ные карбиды расположены па границах и внутри зерен. Встречаются

радужные,

вытянутые, крупные, пластинчатые включения 2-фазы.

С п л а в

Х15Н60Ю2. С края шлифа наблюдается скопление

мелких карбидов. Затем на некоторой глубине

расположены крупные

зерна, по границам зерен — карбидные сетки.

Внутри зерна также

обнаружены карбиды игольчатой и округлой формы. В наиболее окисленных местах отмечено выделение феррита и 2-фазы.

Cr—А1

с п л а в .

Характеризуется структура крупными зерна­

ми феррита

(более

крупных, чем № 1 по стандартной шкале). По

границам зерен обнаружено выделение мелких карбидов. Более

крупные карбиды отмечены внутри зерен.

 

 

 

 

 

Согласно проведенным

исследованиям, наибольшую окалппостой-

кость в цементационной среде обнаружил

двойной

хромонмкелевый

сплав Х20Н80.

 

 

 

 

 

 

 

 

Цементационная

среда

оказывает разрушающее

действие

на

хромоиикельжелезиые сплавы типа Х15Н60 и Х15Н35.

 

 

 

Вывод находится в соответствии с результатами испытания на

живучесть

[6], но противоречит

выводу,

сделанному в

работе

[7],

согласно которой наибольшей стойкостью

в науглероживающей

сре­

де при

температуре

1050° С

обладают

Cr—А1

сплав,

сплавы

0Х27Ю5А и 0Х23Ю5А.

Науглероживание

сплава Х15Н60ЮЗА

почти

в 2 раза превышает науглероживание сплавов Х20Н80 и ХН70Ю (обнаружены карбиды трех типов: Сг2 3 С6 , Сг7 С3 и СгзС2 ). Макси­ мальный срок службы при 1050° С в цементационной среде нагрева­ теля, выполненного из проволоки диаметра 12 мм, составляет 12000 ч для сплава 0Х23Ю5А и 8000 ч для сплава Х20Н80. В то же время авторы указывают, что вследствие местной коррозии действитель­ ный срок службы нагревателя из сплава 0X23IO5A колеблется в пределах 300—2000 ч.

В целях увеличения срока службы нагревателей, выполненных из сплавов 0Х23Ю5А и 0Х27Ю5А, рекомендуются их шлифовка на глубину 0,4—0,5 мм и предварительное окисление на воздухе в те­ чение 50—70 ч при температуре 1200° С.

На основе изложенного выше автор считает возмож­ ным рекомендовать для науглероживающих сред двой­ ной сплав Х20Н80.

Зарубежный опыт подтверждает применение двойно­ го сплава в печах, использующих эндогаз.

20

"СО = 1 ат
/ — упругость диссоциации кислорода для FeO; 2 — то ж е , для окиси углерода при р с о = 0 , 0 5 ат; 3 — то ж е , при
Рис. 6. Термодинамическая вероятность окисления ж е л е з а окисью углерода в зависимости от температуры и парци­ ального давления окиси углерода:
600 700 800 300 /ООО //00/200 Температура, °К
-15
-25

Г л а в а I I I

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ БЕЗ ОКИСЛЕНИЯ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ РЕАКЦИЯМИ ОКИСЛЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Предохранение металла от окисления при высоких температурах основано на нагреве его в средах с очень малыми парциальными давлениями кислорода. Теорети­ чески значения указан­ ных давлений должны быть меньше или равны величине упругости дис­ социации окисла, однако практические требования бывают иногда менее жесткими из-за того, что скорость окисления ме­ талла при малых давле­ ниях кислорода ничтож­ но мала. Благодаря это­ му отсутствует опасность образования видимого окисления в средах, где парциальное давление кислорода превышает уп­ ругость диссоциации окисла.

Сообразно с этим безокислнтельный нагрев железа можно осущест­

вить, например, в обычном вакууме, где давление кисло­ рода не бывает ниже 10~5 мм рт. ст., хотя упругость дис­ социации окислов железа гораздо ниже.

Применение вакуума ограничивает, однако, размеры печей, их производительность и связано, как правило, с необходимостью муфелирования садки, что усложняет и удорожает процесс. Экономически более рационально на­ гревать металл в искусственно полученных газовых сре­ дах с контролируемым парциальным давлением кислоро­ да. Например, парциальное давление кислорода в окиси

углерода очень мало.

При

температурах

выше 1000° К

"(а для рсо =0,05 ат

выше

850°К), как

это видно из

21

кривых на рис. 6, это давление ниже, чем упругость диссо­ циации окислов железа. Поэтому при температурах вы­ ше 1000° К окись углерода восстанавливает окислы желе­ за, а при температурах ниже 1000° К существует вероят­ ность окисления железа.

Предохранение железа от окисления при температу­ рах выше 1000° К может быть обеспечено не только в атмосфере чистой окиси углерода, но и в смеси последней с инертным газом или двуокисью углерода, однако лишь при условии, чтобы суммарное давление кислорода не превышало упругости диссоциации закиси железа. В про­ тивном случае смесь СО—СОг будет окислять железо.

Равновесие системы Fe—FeO—СО—CGV

Рассмотрим условия, необходимые для полного предот­ вращения окисления железа в смеси СО—СОг.

Движущая сила реакции окисления

железа до вю-

стпта

 

Fe + C027-FeO - f СО

(III-1)

может быть вычислена как разность стандартных изме­

нений свободных энергий AF° продуктов

реакции и ис­

ходных реагирующих веществ.

 

При 1000° К AF° для FeO составляет

—47850, для

СО — 47940 и для С 0 2 — 94610 кал/моль. Для реакции

в целом AF° составит AF° =

(—247 850 — 47 940) —

— (—94 610) =—1180 кал/моль.

Так как Af° = —1180 =

= —4,576 lg ftp, то lgftP = 0,258 и ftp = 1,82, т. е. при соот­ ношениях PcolPco. = Ь 8 2 не будет происходить окисле­ ния железа в смеси СО—СО?.

В этом нетрудно убедиться, проверив суммарное пар­

циальное давление Рсо~\~Рсог

смеси при найденном со­

отношении Рсо'Рсо,-

 

По условию р с о = 1,82 рсо

. Диссоциация углеки­

слоты при 1000° К, протекающая по реакции

со2^со + vА,

характеризуется следующей константой равновесия:

Рсо,

Величину ftp при известном

значении

AF° при 1000° К

можно определить по формуле

 

l e f t -

^ l _ = _ i ^ =

_ 1 0 i 2 .

(Ш-З)

6 р

4.576Т

4576

 

 

22

Учитывая, что рсосо=

 

1,82, находим, что

 

 

l g £ p = l g l , 8 2 + 7 2 l g P 0 = .

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

,

—10,2— 0,258

 

о ,

 

, т т т

g Р ° ° =

0,5

= ~

'

(

)

что соответствует упругости диссоциации кислорода для FeO при 1000° К (см. рис. 6).

Приведенные выше рассуждения справедливы для си­ стем, в которых отсутствует тенденция выделения твер­ дого углерода по реакции Беля — Будуара.

Однако при низких температурах и высоких значе­ ниях отношения СО/СОг в газовой фазе возникает опас­ ность выпадения углерода и окисления железа. Оба про­ цесса вызывают образование черных пятен на поверхно­

сти отжигаемой холоднокатаной

стали. Эти пятна состоят

из окислов железа и углерода.

Такие явления

наблю­

даются, например, при отжиге стали в продуктах

частич­

ного сгорания высококалорийного газа в интервале тем­

ператур 470—510° С (отношение СО/С0 2 в газе

несколь­

ко выше 2).

 

Рассмотрим реакцию

 

»/4Fe + CO^V4 Fe3 04 + С.

(Ш-5)

В этом случае AF° при 800° К равно --7345 кал/моль. Это говорит о том, что имеется тенденция протекания реак­ ции в направлении слева направо. При этом парциаль­ ное давление рсо в равновесной смеси составляет 0,01 ат (1%).

Таким образом,

при содержании СО в газе больше

1% и температурах

=^800° К параллельно с процессом

выпадения углерода происходит окисление железа. Из­ бежать этого удается уменьшением отношения СО/С0 2 в газе или снижением суммарного парциального давле­

ния р с о + с о , в

газовой смеси.

 

 

Равновесие

системы Сг—Сг2 0з—СО—С02 .

 

Решая аналогичную задачу для хрома, получаем

2Сг + ЗС02 ч±Сг2 03

+

ЗСО;

.

(Ш-6)

VS^IOOO-K = -

4 ' 5 7

6 Т

J6 (PoolРсо)-

 

(П1-?)

Значение AFlmo^

 

определяют,

как указано

выше. Оно

составляет —69 140 кал/моль. Уже одно сопоставление

23

значений свободных энергий показывает, что движущая

сила реакции

окисления хрома в смеси СО—СОг при

1000° К гораздо

выше,

 

чем реакции окисления железа,

поскольку из формулы

(Ш-7) следует, что— 1/3-69 140 =

= —4,576-1000 I g / ? c o ' p c a

и, следовательно,

lgPcoPca = 5,05.

"

(Ш-8)

Это означает, что окисление хрома в смеси СО—СОг при 1000° К может быть предотвращено лишь только при со­ отношениях СО/СОо, превышающих 1,12-105 (напомним, что отношение рс о 'Рсо.. п 0 Будуару при 1000° К состав­ ляет 2,34). Такая степень очистки практически недости­ жима. Следовательно, безокпслнтельный нагрев хрома в атмосфере СО — С0 2 невозможен.

Вывод, сделанный для хрома, распространяется на сплавы, содержащие Ti, поскольку свободная энергия реакции окисления Ti в атмосфере СОСОо еще выше, чем для хрома.

Равновесие системы Fe—FeO—Н2 —ЬЬО. Аналогичным образом рассмотрим условия, необходи­ мые для того, чтобы предотвратить окисление железа в атмосфере Н 2 — Н 2 0 , например, при 1000° К:

Fe + H2 O^FeO - f Н2 ;

(Ш-9)

AF° = — 47850 — (— 46080) = — 1820 кал/моль;

\gk=

=0,398;

 

s

р

4,576-1000

 

kp

= 2,b.

 

(III-10)

Таким образом, при соотношении рНгРьи0

>2,5 железо

не окисляется.

 

 

 

Равновесие

системы Сг — Сг 2 0з — Н2— Н 2 0 .

Окисление хрома водяным паром описывается реакцией

2Cr + 3H 2 O^Cr 2 0 3 + ЗН2 .

(Ш-11)

В этом

случае

 

AF° = — 209150 — (— 3-46030) =—71060 кал;моль и

Ук . = — — — = 5 , 1 8 .

2)

s р

3-4,576-1000

 

Равновесие реакции сильно сдвинуто вправо и восста­ новление Сг2 0з при температуре 1000° К можно теорети­ чески осуществить только в условиях непрерывного тока

24

водорода, содержащего

менее чем 6,6 -Ю - 4 %

водяного

пара.

Такая степень

осушки

(соответствует т. т. р.1

—70° С) достижима,

но

для процесса восстановления

С г 2 0 3

потребовалось

бы

огромное

количество

водорода.

В

реальных сталях и сплавах легирующие

компонен­

ты образуют твердые растворы. Прочность окисла в этом случае зависит от концентрации реагирующего вещества

в

растворе. Рассмотрим,

например,

реакцию окисления

хрома парами воды:

 

 

 

[2Сг] +

ЗН2 0<> [Сгг 03 ] +

ЗН2 .

 

(III-13)

Константа равновесия реакции

 

 

Ар =

%

° Д

,

 

 

(Ш-14)

 

 

*СгРн,0

 

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

/

Рн.

\ 3

.

4 г

 

 

 

где

М> и #cr,o5 концентрация хрома и окиси

хрома

 

 

 

 

в растворе.

 

 

 

Равновесное отношение Рн ,/рн „о

характеризует

упру­

гость диссоциации окисла и его устойчивость. Чем мень­

ше это

отношение,

тем больше упругость

диссоциации

С г 2 0 3

и тем ниже его устойчивость.

отношение

С

уменьшением

концентрации хрома

Рн /Рн„о

уменьшается, а следовательно, упругость дис­

социации окиси хрома возрастает и окисел легче восста­ навливается.

Рассмотрим условия равновесия на примере окис­ ления аустенитных хромоникелевых сталей, взаимодей­

ствие которых

с газовой смесью

Н 2 — Н 2 0

может быть

представлена

реакцией

 

 

 

 

у Р Ч Л

,

C r u + 1 ) ] + Н2 0<± ±

[ F e ( m ) N i ( n )

С г ( 0 ]

+

+ V A A

+

H,.

 

 

 

(Ш-15)

Для того чтобы вычислить значение

&F°

реакции

(III-15),

надо знать величину

AF°

реакции образования

1 Здесь

и

далее т. т. р. — температура

точки росы.

 

25

твердого раствора хрома в легированном никелем желе­ зе, записываемой следующим образом:

2 3 [ F e ( m ) N i ( f ! ) C r ( 0 ]

H - j - C r ^ / , F e ( m ) N i ( l l ) C r ( , + 1 ) ] . (Ш-16)

Нужные величины

определяли экспериментально для

сталей марок Х18Н10Т и ЭИ844Б, имевших следующий

состав,

% (по

массе):

 

сталь марки Х18Н10Т:

0.09С

0,008S;

0,029 Р;

0,56 Si;

17,74 Cr;

1,42 Mn;

10,30 Ni

0;21 Cu;

0,11 Mo; 0,12W;

 

0,67Ti и сталь марки

ЭИ844Б

0,03

С;

0,04 S; 0,02 Р;

0,31

Si;

15,94 Cr; 0,46 Mn;

15,35 Ni

2,75 Mo; 0,41 Nb; 0,36 N.

 

 

 

 

 

 

 

Для этого сначала экспериментально определяли ве­

личину

lg «барьерного»

отношения

р н „ / р н , 0

, при

кото­

ром

«сосуществуют»

окись

хрома

и хром

в стали Сгс .

Для

стали Х18Н10Т

при

 

1100° С lgPH./PH,o

 

оказался

равным

3,16.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\gkp

реакции

(Ш-15)

 

можно найти из условий равно­

весия для чистого хрома

Сгч :

 

 

 

 

 

г / 3 Сг ( ч ) + H 2 0 - V 3 C r a 0 3 + Н2 .

При 1100° С искомое значение lgkp равно 3,36.

Если реакцию (Ш-16)

упрощенно представить в виде

7 з С г ( ч ) ^ 2 / 3 С г ( с )

 

 

и вычесть реакцию (Б)

из реакции (А), то получим

2 ; з С г ( с ) + Н 2 0 - 1 ' з С г 2 0 3

+

Н,,

адекватную реакцию (Ш-15). В этом случае

(А)

(Б)

(В)

Д Р

=

AF3

— AF"

 

 

(Г)

(В)

 

" J

(А)

(Б) •

 

 

\ 1 )

Подставляя экспериментальные

данные в известное

уравнение AF° =—RT\nkp,

получим

 

AF°{B)

= — 4.576Г (3,36 — 3,16) = —

1240 кал/моль;

(Д)

A F ° ] I I 1 6 )

= 3j2AF°(B)

= — 1865

кал/моль.

(Е)

Выразив кр{Ш

15) через активность в виде

 

 

 

Pjk7T

 

 

 

 

(Ш-17)

 

P H 2 O a C r

 

 

 

 

и определив аС г

из уравнения

 

 

A / ? a n - 1 6,

= 4 , 5 7 6 r i g a C r )

 

 

(Ш-18)

26

получим

 

 

 

— 1865 = 4,576-1373 lga C r ,

 

 

откуда

 

 

 

\gaCr = — 0,296 и aC r

= 0,5.

 

(Ш-19)

Аналогичным

образом

определенная

величина

д ^Г(ш-1б) д л я стали

ЭИ844Б

составила 3100

кал/моль,

что соответствует оС г =0,32.

Таким образом, абсолютное содержание хрома в ста­ ли неполностью характеризует его химическую актив­ ность, которая проявляется по-разному в зависимости от

содержания других легирующих элементов.

 

 

 

Вычислим на основе полученных данных

максималь­

но допустимую

влажность

газовой смеси Н 2 — N 2 с кон­

центрацией

Н 2

75%,

при

которой

стали

Х18Н10Т и

ЭИ844Б не окисляются. Определим рн^'рно

из следу­

ющих уравнений:

 

 

 

 

 

к

[Рн>н: о]х.8и.от = lg К + 2 'з lg а с г =

 

 

 

=

3,36 —2 / 3 0,296 = 3,163.

 

 

 

 

[Рн.>н: о]х1 8 нют = 1450.

 

 

 

 

(Ш-20)

lg [Рн>н2 о]эи8«,5

= 3,36 - 2 /з-0,493 = 3,032;

 

 

[ Р Н > Н , О ] Э И 8 «Б = Ю70.

 

 

 

 

(III-21)

 

Полученные величины соответствуют следующим зна­

чениям /7Н 0

: для стали Х18НЮТ 0,0518-Ю- 2

ат* (т. т. р.

около —27° С);

 

 

 

 

 

 

 

для стали

ЭИ844Б

0,0696-Ю- 2

ат (т. т. р.

около

—24° С).

 

 

 

 

 

 

 

 

Равновесие

системы Нг—CI-Ц—С в Сг—Ni

сплаве.

Известно, что углерод

в хромоникелевых сталях

(аусте-

нитной, мартенситно-стареющей и др.) является

вредной

примесью. Термообработка таких сталей в газовых сре­ дах не должна сопровождаться науглероживанием. Бо­ лее того, в настоящее время ставится вопрос о рафини­ ровании этих сталей от углерода в твердом состоянии.

Рассмотрим в этой связи требования, предъявляемые к чистоте газовой среды по отношению к метану (присут­ ствие последнего в электролитическом водороде и диссо-

* Здесь и далее приводится абсолютное давление.

27

ципрованном аммиаке обусловлено попаданием паров масла).

Представляют интерес два случая: область ненасы­

щенных растворов п область,

где выпадает избыточная

карбидная

фаза.

 

Область

ненасыщенных растворов. Концентрация уг­

лерода для хромонпкелевой

стали, содержащей 9% Ni

и20% Сг, отвечающая точке насыщения, определяется

[8]по уравнению

l g С = (— 5500/Г) + 2,83.

(Ш-22)

При 1050° С С = 0,048%- Благодаря высокому сродству к углероду хром пони­

жает коэффициент его активности в растворе, который зависит не только от содержания хрома, но также обус­ ловлен и содержанием никеля:

1п/с = *

Л

+ * с А г .

 

 

 

(Ш-23)

где kNi, kCr

постоянные

величины;

 

 

 

jVN i ,yVC r — атомные доли

никеля и хрома

в металли­

 

 

 

ческой части

раствора.

 

 

 

Для

сплава, содержащего 9% Ni при 1050°С, /гС г

=

=—12,7, & ж = 3,54. Учитывая, что N C r

= 0,212, a Nm

=

= 0,085, согласно уравнению (Ш-23),

находим, что fc

=

= 0,087. Тогда активность углерода составит

 

 

ас = fcNc

= 0,087-0,00223 =

0,000192,

 

(III-24)

где

0,00223 — содержание углерода

в точке

насыщения

 

 

 

(0,048%),

выраженное через атомную

 

 

 

долю.

 

 

 

 

 

 

Науглероживание через газовую фазу протекает по

реакции

 

 

 

 

 

 

 

С(. сплаве) + Я

^ С Н ^ , .

 

 

(Ш-25)

Константа

равновесия этой реакции

 

 

bp = PcHtl(PkaJ>

 

 

 

(П1-26)

при

1050° С величина kv

равна 0,0049.

 

Н п та \ ат),

 

Если термообработка

ведется в водороде

тогда допустимое содержание метана будет определять­ ся парциальным давлением

28

p C H i = 0,0049 • 0,000192 = 10~6

ат,

 

 

 

 

(111-27)

что составит 10~4 %•

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким

образом,

только при содержании

в

водороде

не более

одной

миллионной

доли

метана

 

можно при

1050°С

исключить

образование карбидов

 

хрома

или

обеспечить

рафинирование металла

от карбидной

фазы.

Указанному требованию отвечает лишь особо чистый

водород (см. гл. V I I ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Область

выпадения

избыточной

карбидной

фазы. Рас­

смотрим условия равновесия реакции

 

 

 

 

 

*7в Сг( с )

+ СН„->76 Сг2 3 С6

+ 2Н 2 .

 

 

 

 

 

(Ш-28)

AF реакции (III-28)

при температуре

1000° С

составит

AF = — 18300— 11750 +

' 8 6 5 ' 2 3

= — 22900

кал/моль,

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

(1П-29)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lg/fep =

lg

 

^

= -

2

2

9 0 0

=

3,93,

 

 

 

 

 

 

 

РСН.43 /6

4,576-1273

 

 

 

 

 

 

 

 

kp = 8500.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Ш-30)

Приняв

величину

аСс

для стали

Х18Н10Т

равной 0,5

(см. выше), определяем значение отношения

 

 

 

р У р с н <

= 850043 /6 = 8500-0,0706 =

600.

 

 

 

(III-31)

Обозначим молярную дробь Н2

через х, составив и ре­

шив относительно х уравнение

 

 

 

 

 

 

 

— - —

= 600,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(111-32)

0,75 —Л;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

получим, что х равно 0,74925,

откуда

p C H i

=0,75—

—0,74925=0,00075 ат, что соответствует 0,075%.

 

В действительности

 

в газе,

взаимодействующем со

сталью, наряду с Н 2 имеется

Н 2 0 .

В этом

случае воз­

можно

протекание следующих

двух реакций:

 

 

 

2 /3 Сг( с )

+ Н2 0<> у А2 03 + Н 2 ,

 

 

 

 

 

 

(111-33)

2 з/6 Сг( с )

+ CH4 7±y6 Cr2 3 06

+ 2Н 2 ,

 

 

 

 

 

(III-34)

адекватных суммарной

 

реакции

 

 

 

 

 

 

СН4 + у з Сг 2 0 3 + "/ в Сг ( с ) ч±Н 2 0 +

у8 Сг2 3 С6

+ Н 2

,

(Ш-35)

29

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ