Файл: Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие.pdf

Табл. 7.1. Сравнительная стоимость термической обработки при применении различных карбюризаторов и контролируемых атмосфер [51]

Примерная стоимость Технологические процессы термической обработки обработки 1 т,

руб.

Находят применение методы химико-термической обработки в расплавах (например, процессы жидкостного цианирования). Эти ■операции проводятся в ваннах, заполненных расплавленными соля­ ми (ВаСОз, Na2C03, NaCl и другие в смеси с цианистым натрием).

Процессы жидкостного цианирования характеризуются не только высокой стоимостью (табл. 7.1), но и тяжелыми условиями труда, связанными с повышенной опасностью при работе с расплавами волей и цианистыми соединениями.

Наиболее распространены в настоящее время операции цемен­ тации (нитроцементации) в газовых средах, отличающиеся как от­ носительно высокой интенсивностью процесса, удобством обслужи­ вания и низкой стоимостью, так и возможностью автоматического регулирования и управления процессом. В качестве карбюризатора применяют углеводородные газы или жидкости, переходящие в про­ странстве печи в газообразное состояние. При нитроцементации носителем азота обычно является аммиак, подаваемый в печь вместе ■с метаном. Насыщение в газовых средах осуществляется в муфель­ ных и безмуфельных печах. Процесс в последних наиболее эконо­ мичен (табл. 7.1) особенно при нитроцементации.

В последнее время появились лабораторные и промышленные ■образцы печей для химико-термической обработки в псевдоожи­

154

f

женном (кипящем) слое твердого зернистого вещества (например, графита). Интенсивное движение твердой фазы слоя способствует ускорению нагрева изделий и обеспечивает постоянный подвод све­ жих частиц к поверхности. В результате, как показывает практика, скорость насыщения в этих условиях больше, чем в печах других типов. Причины, обусловливающие ускорение химико-термической обработки в кипящем слое, до конца не вскрыты.

Известны конструкции печей, в которых подается разность элек­ трических потенциалов на кипящий слой и погруженные детали. Это вызывает возникновение разрядов в местах соприкосновения деталей с частичками, что приводит к локальному увеличению тем­ пературы и резкому ускорению процесса.

Процессы цементации в электротермическом кипящем слое находятся в стадии разработки.

Температура химико-термической обработки определяется диа­ граммой состояния сплава реагирующих элементов, а также стой­ костью материалов применяемого оборудования. Цементацию в га­ зовых печах проводят при температурах примерно 900—950, нитро­ цементацию — 840—860° С.

Чтобы обеспечить качественное изготовление машин и механиз­ мов, соответствующее современному уровню мировых стандартов, необходимо при термообработке не допускать обезуглероживания и окисления, сохраняя чистую и светлую поверхность. Это позволит также ликвидировать операции очистки. Решение такой задачи воз­ можно лишь в том случае, если операции термической обработки будут производиться в среде с заранее заданными свойствами и хи­ мическим составом. Каким бы не был состав этой среды — активным (насыщающим, обезуглероживающим) или нейтральным (защит­ ным) — он должен быть постоянным и подвергаться непрерывному или периодическому контролю. Отсюда и название печных атмосфер, применяемых при химико-термической обработке — контроли­ руемые.

Процессы в контролируемых атмосферах находят применение при отжиге, закалке, нормализации, вытесняя постепенно аналогич­ ные процессы в естественной атмосфере печи. Контролируемые ат­ мосферы используются также при спекании металлокерамики, пайке металла и других операциях.

В зависимости от состава может быть осуществлено различное по характеру взаимодействие контролируемых атмосфер с поверх­ ностью изделий:

1)защита от окисления или обезуглероживания. При этом ат­ мосфера печи нейтральна по отношению к изделиям или находится

вравновесии с материалом изделий;

2)насыщение поверхностного слоя;

3)обезуглероживание поверхностного слоя. Этот вид воздей­ ствия применяется в тех случаях, когда целесообразно понизить твердость и улучшить обрабатываемость изделий, например перед операциями эмалирования, нарезки резьбы и др. Если необходимо вновь повысить твердость, изделие подвергают повторной химико­

155

термической обработке, проводимой с насыщением поверхностного слоя.

Таким образом, любой процесс термообработки в атмосферах заданного состава, связанный с химико-физическим взаимодействи­ ем целесообразно рассматривать как процесс химико-термической обработки.

В соответствии с изложенным под химико-термической обра­ боткой следует понимать активное воздействие на свойства обраба­ тываемых деталей, задачей которого является формирование задан­ ного химического состава поверхностных слоев, микроструктуры, механических свойств, твердости и состояния поверхности.

7.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТМОСФЕРЫ ПЕЧИ СО СТАЛЬНЫМИ ИЗДЕЛИЯМИ ПРИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Рабочее пространство печи заполнено смесью газов, каждый из которых по-разному взаимодействует с поверхностью термообраба­ тываемых изделий. Характер взаимодействия различных газов с ме­ таллами и сплавами иллюстрируется табл. 7.2.

Табл. 7. 2. Классификация газов по их воздействию на металлы и сплавы [51]

Инертные газы вследствие их высокой стоимости при химико­ термической обработке применяются очень редко и лишь в тех слу­ чаях, когда технологически неоправдано использование других атмосфер (например, при обработке титана и его сплавов, а также ряда тугоплавких металлов).

156

Как правило, контролируемые атмосферы приготавливают из углеводородного сырья (в настоящее время чаще всего из природ­ ного или сжиженных газов). В состав атмосфер входят в основном азот, окись углерода, водород, углекислый газ, а также некоторые другие вещества (например, метан, аммиак и т. д.).

Характер взаимодействия газов с металлами определяется не только реакциями, протекающими во внешней по отношению к об­ рабатываемым изделиям среде, но также реакциями на поверхности и диффузионными процессами в глубине металлических изделий. Поверхность стальных изделий окисляется при взаимодействии с кислородом, углекислым газом, водяным паром и другими кисло­ родосодержащими компонентами печной атмосферы. При этом воз­ можны следующие реакции:

В многокомпонентной печной атмосфере, в которой взаимодей­ ствуют разные газы, равновесие устанавливается в соответствии с реакцией водяного газа:

эта реакция — результирующая.

При химико-термической обработке состав газов в печи должен поддерживаться постоянным, обеспечивая равновесие среды с изде­ лиями или определенный насыщающий потенциал. В практике це­ ментации и нитроцементации (наиболее широко распространенных видах химико-термической обработки) широко используют понятие углеродного потенциала среды. Углеродный потенциал характери­ зует насыщающую способность атмосферы и определяется как по­ верхностная концентрация углерода в процентах в гомогенном аустените, находящемся в равновесии с окружающей средой. В про­

157

цессе химико-термической обработки состав газов подбирается та­ ким, чтобы он обеспечивал равновесие с конечным (для данной зоны печи) содержанием насыщающего элемента в поверхностном слое изделий.

Термодинамическое равновесие имеет место при определенной константе равновесия Кр. Рассмотрим реакцию

где А и В — реагирующие компоненты до реакции; С и Д — то же после реакции;

лу; х2; х3; A4 — число молей реагирующих веществ.

При равновесии скорость прямой и обратной реакций одина­ ковы: Ѵі= ѵ2. Так как vl= k l [A]-X|[B]'rj, a vo= k2[СҢД]**, то

[А], [В], [С], [Д] — концентрации веществ А, В, С и Д соответственно.

Величина Кр позволяет выполнить количественную оценку рав­ новесия. Как видно из уравнения (7.12), при больших значениях Кр равновесие сдвинуто в сторону образования продуктов реакции, а при малых Кр в смеси преобладают исходные вещества.

Как известно, направление реакции устанавливается в соответ­ ствии со вторым законом термодинамики. Вероятность протекания той или иной реакции определяется термодинамическим потенциа­ лом (изменением свободной энергии Az). Величина Az представляет собой ту часть внутренней энергии, которая способна превращаться в полезную работу. Она характеризует меру реакционной способ­ ности. Знак «+ » перед Az показывает, что самопроизвольный про­ цесс невозможен, т. е. реакция может протекать только с уменьше­ нием свободной энергии. Из нескольких наиболее вероятной являет­ ся реакция с наименьшим термодинамическим потенциалом. Значения стандартных * величин Az° многих химических соединений сведены в таблицы [52]. Изменение свободной энергии реакций под­ чиняется закону Гесса: величина Az равна разности конечных и ис­ ходных продуктов независимо от числа промежуточных стадий.

158