книги / Технология термического производства. Способы наноструктурирования материалов

2. НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ

Термическая обработка включает три основных технологических перехода: нагрев с определенной скоростью до заданной температуры, выдержку для полного прогрева садки и полного протекания фазовых и структурных превращений и охлаждение с требуемой для данного вида обработки

в среде дымовых газов (топливные печи), в контролируемой защитной атмосфере, в расплавах солей и металлов (печи с жидкими теплоносителями), в кипящем слое псевдоотожженных дисперсных частиц (печи с кипящим слоем), токами высокой частоты (индукционный нагрев на установках ТВЧ) и др.

Основные виды термической обработки (отжиг, нормализация, закалка) требуют сквозного нагрева изделий с переходом исходной структуры сталей в аустенит и измельчением зерна. Известно, что указанные превращения протекают быстрее в процессе выдержки, нежели в самом процессе нагрева. Следовательно, выгодно увеличивать скорость нагрева. Выгодно это и экономически: повышается производительность печного оборудования (нагрев занимает от 40 до 80 % времени всего технологического цикла), сокращается угар металла, экономится расход топлива на единицу нагреваемого металла, сокращается парк печей и т.д.

2.1. Требования к нагреву. Взаимодействие газовой атмосферы со сталью при нагреве

Термические печи должны удовлетворять требованиям технологического процесса, обеспечивать заданную температуру и высокое качество нагрева, т.е. скорость нагрева, рав-

11

номерность нагрева, отсутствие окисления и обезуглероживания поверхности нагреваемых изделий.

В печной атмосфере могут присутствовать О2, Н2, N2, СО2, СО, Н2О, различные углеводороды (СН4 и др.), сернистые соединения SO2 и Н2S, и, следовательно, неизбежно взаимодействие этих компонентов с нагреваемым металлом. Эти же составляющие могут присутствовать и в защитных (контролируемых) атмосферах.

Диффузионный процесс взаимодействия между кислородом воздуха и содержащими кислород компонентами газовой атмосферы, с одной стороны, и железом, а также легирующими элементами, с другой стороны, называют окислением стали. Газами, которые не только окисляют но и обезуглероживают поверхность стали, являются углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О).

Железо с кислородом образуют ряд химических соединений: FеО – закись железа, Fе3О4 – окись-закись железа, Fe2O3 – окись железа. При температурах ниже 570 °С образование закиси железа исключено. При температурах выше 570 °С образуются окислы Fе2О3, Fe3O4, FеО. Слой окалины растет вследствие диффузии железа и легирующих элементов к поверхности металла и встречной диффузии кислорода во внутренние слои металла.

Основными реакциями взаимодействия газов со сталью являются:

12

Взаимодействие водяного пара с железом при температурах ниже 570 °С протекает по реакциям

Реакция взаимодействия железа с водяным паром (Н2О) сопровождается выделением тепла, т.е. является экзотермической. Реакция взаимодействия двуокиси углерода с железом сопровождается поглощением тепла, т.е. является эндотермической.

На рис. 2.1 приведены теоретические кривые равновесия реакций окисления – восстановления железа с двуокисью и окисью углерода (реакция 15) и водяным паром и водородом (реакция 10).

Кривые 1 и 2 представлены так, что в левой части от кривых расположены области восстановления железа, а в правой части – области окисления железа.

13

температуры увеличивается, а с повышением температуры уменьшается (см. рис. 2.1, кривая 2). Константа равновесия, представляющая отношение парциальных давлений водяного пара к водороду, при снижении температуры с 1300 до 370 °С изменяется от 0,85 до 0,07.

В сложной газовой атмосфере, имеющей в своем составе окись углерода, двуокись углерода, водород и водяной пар,

На рис. 2.2 приведена кривая равновесия реакции 17, имеющая важное значение при регулировании печной газовой атмосферы. По оси ординат отложена константа равнове-

сия этой реакции К3 = РН2О РСО , по оси абсцисс – темпера-

РН2 РСО2

14

зам-восстановителям в защитной атмосфере (в объемных процентах) во всем интервале рабочих температур в соответствии с кривыми равновесия, представленными на рис. 2.1.

Например, при нагреве железа до 850 °С для безокислительного нагрева необходимо, чтобы константы равновесия были

1 = РСО2 ≤ 0,487,

К5 РСО

1= РНО2 ≤ 0,564.

К4 РН2

Отсюда константа равновесия водяного газа

К3 = К4 К5 = РН2О РСО .

РН2 РСО2

Константы равновесия К3, К4, К5 имеют определенное значение для каждой температуры газовой смеси [1, 9, 10].

15

Большое влияние на степень окисления железа оказывает присутствие в атмосфере сернистых соединений SO2

иH2S. Если содержание SO2 в контролируемой атмосфере увеличивается от 0,1 до 0,5 %, то окислительная способность

этой атмосферы увеличивается примерно в 3 раза. SO2 и H2S понижают точку плавления окалины железа, вследствие чего оплавляющаяся окалина обнажает все новые слои металла, что сильно увеличивает потери металла. Необходимо тщательно очищать контролируемые атмосферы от SO2 и H2S

ине допускать их остаточного содержания в газе свыше

0,005 %.

Помимо окисления стальные детали могут науглероживаться или обезуглероживаться. Обезуглероживание стали – это диффузионный процесс взаимодействия кислорода воздуха или кислородсодержащих компонентов газовой среды с углеродом стали, приводящий к частичному или полному удалению углерода из поверхностных слоев стали.

Диффузионный процесс, при котором поверхностные слои стали насыщаются углеродом, называется науглероживанием или цементацией. Этот процесс протекает в три этапа: 1) диффузия молекул цементующего газа к поверхности стальных деталей; 2) химический процесс адсорбции аустенитом углеродсодержащих молекул с образованием атомов

углерода в результате диссоциации молекул СО и СН4 при температурах выше верхней критической точки; молекулы

СО и СН4 образуют с аустенитом прочную связь; 3) дальнейшая диффузия атомов углерода в глубинные слои стали.

При цементации имеют место следующие реакции:

При насыщении углеродом γ-твердого раствора железа– аустенита сверх предела растворимости протекают реакции с образованием карбида железа–цементита:

16

PNRPU

Одновременно в газовой атмосфере могут протекать реакции с образованием углерода (сажи).

На рис. 2.3 показаны типичные теоретические равновесные кривые реакции (18) для углеродистых сталей с различным содержанием углерода.

Рис. 2.3. Кривые равновесия реакции

3Fe + 2CO ↔ Fe3C + CO2 (Остин и Дей) I – науглероживание, II – феррит+аустенит, III – обезуглероживание

17

Таким образом, взаимодействия компонентов газовых сред со сталью являются атомно-молекулярными процессами, направление которых определяется законами химической термодинамики. Основные факторы, влияющие на ход процессов окисления (восстановления) и обезуглероживания (науглероживания) стали: состав печной атмосферы, температура, время, состав стали, состав окалины. Однако термодинамические уравнения и теоретические кривые равновесия не учитывают скорость протекания процессов взаимодействия, поскольку они не включают такой параметр, как время процесса. Поэтому на практике разрабатываются и используются эмпирические диаграммы равновесия, эмпирические кривые равновесия, построенные по экспериментальным данным для различных систем и различных газовых атмосфер применительно к конкретным условиям. В практике термической обработки для защиты от окисления и обезуглероживания широко используют контролируемые атмосферы (эндо-, экзоатмосферы), состав которых оценивают и регулируют по содержанию водяного пара или по содержанию двуокиси углерода. Непосредственное измерение содержания водяных паров в атмосфере затруднительно, поэтому используют косвенный параметр «точку росы».

Точка росы – это температура, при которой начинается конденсация содержащихся в атмосфере водяных паров. Возможность использования этого параметра вытекает из однозначной зависимости между точкой росы и содержанием

Науглероживающую (обезуглероживающую) способность атмосферы определяет ее углеродный потенциал, под которым понимают концентрацию углерода в стали, находящейся в равновесии с данным составом атмосферы. Это значит, что

19

если, например, значение углеродного потенциала атмосферы при данной температуре составляет 0,6 % С, то низкоуглеродистая сталь будет науглероживаться, а высокоуглеродистая – обезуглероживаться в пределе до этого содержания углерода. Для стали с 0,6 % С атмосфера будет нейтральной.

При выборе состава атмосфер для различных операций термической обработки наряду с характером взаимодействия атмосферы со сталью следует учитывать также температуру процесса. Дело в том, что атмосферы, содержащие свыше 4 % горючих компонентов (окиси углерода и водорода), взрывоопасны и их можно вводить в печь и использовать только при температуре не ниже 760 °С. При более низких температурах

впечи может образоваться гремучая смесь и достаточно пламени и даже искры, чтобы вызвать взрыв этой смеси. Только атмосферы с суммарным содержанием горючих газов меньше 4 % безопасны при любых температурах и количестве воздуха

всмеси, и поэтому их можно использовать для низкотемпературных процессов термической обработки.

Экспериментальные кривые равновесия между сталями и эндотермической атмосферой приведены на рис. (2.4–2.7) [9].

Рис. 2.4. Кривые равновесия углеродистой стали с эндотермической атмосферой

20