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

родном потенциале можно судить в соответствии с реакцией (7.9) по содержанию одного из компонентов. В качестве таких компонен­ тов обычно принимают СО2 или Н2О. Содержание паров воды вы­

ражают обычно в градусах Цельсия, соответствующих температуре

Рис. 7.8. Номограмма для определения равновесного содержания Н2О в эндо­ термических атмосферах в зависимости от температуры при разных концен­ трациях углерода на поверхности стали [61]

точки росы. В табл. 7.3 приведены содержания СО-> и НоО в защит­ ной атмосфере состава СО — 20%, Н2 — 40%, N2 — 40% (эндогаз)

и соответствующий углеродный потенциал.

Та бл . 7.3. Содержание С02 и Н20 в атмосфере печи при 925° С и углерода на поверхности [62]

164

165

Корреляция'между углеродным потенциалом среды и содержа­ нием Н20 или С02 имеет большое значение для практики. В коорди­ натах углеродный потенциал и содержание С02 или влаги построено большинство эмпирических кривых [61], [63], [64]. Некоторые такие кривые [65], полученные для атмосферы богатого очищенного экзо­ газа с содержанием С О » 18%, Н2«22% , Н2О+СО2^0,4% , осталь­ ное N2I приведены на рис. 7.9 и 7.10. Зависимость углеродного по­ тенциала от содержания Н20 (в °С точки росы) и С02 используется при автоматическом регулировании многих процессов химико-тер­ мической обработки (содержание водяных паров, соответствующее различным значениям точки росы, приведено в табл. 7.4). Выбор показателя для регулирования (содержание С02 или Н20) зависит от точности применяемых приборов. Из табл. 7.3 следует, что при изменении углеродного потенциала более существенно изменяется точка росы. Следовательно, при использовании анализатора на Н2О

166

(влагомера) к точности прибора можно предъявить менее жесткие требования.

7.3. НАСЫЩЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Молекулы газообразного реагента в газовой атмосфере печи диффундируют к насыщаемой поверхности и попадают в силовое поле решетки твердого тела. При определенных термодинамических условиях происходит адсорбция молекул газа и их диссоциация. Атомы адсорбированного вещества вследствие теплового движения не задерживаются у поверхности, а диффундируют вглубь кристал­ лической решетки. По мере увеличения концентрации при достиже­ нии предела растворимости происходит перестройка решетки основ­ ного металла с образованием новой фазы, соответствующей диа­ грамме состояния взаимодействующих веществ. Механизм диффу­ зии весьма сложен. Анализу диффузии вообще, и при химико-тер­ мической обработке в частности, посвящено большое количество публикаций, в том числе работы [58], [66], [67], [50], [69]. В настоящее время имеются различные объяснения этого процесса. Не останав­ ливаясь на них, отметим, что диффузия связана с тепловым движе­ нием атомов в кристаллической решетке. Это движение осущест­ вляется при достижении определенной разности кинетической энер­ гии различных атомов. Атомы могут перемещаться прямым обменом местами, по междуузлиям, вакантным местам и кольцевым обме­

167

ном.* Прямой обмен атомов местами является маловероятным, так как связан с локальным резким искажением решетки. Гораздо вероятнее процессы диффузии вакансий (т. е. перемещение их к по­ верхности, а атомов — в глубину слоя), кольцевой обмен в решетке II перемещение дислоцированных атомов или ионов. Вакансии обра­

зуются не только вследствие теплового колебания. Они могут воз­ никать вследствие несовершенства и дефектов кристаллической решетки. С увеличением температуры возрастает число нарушений правильности решетки, и это облегчает диффузию.

В реальных условиях имеют место все разновидности переноса атомов в решетке. В результате диффузии достигается минимальный уровень свободной энергии системы.

Плотность потока диффундирующей массы / часто предпола­ гают пропорциональной градиенту концентрации **:

где / — поток массы, кг/сек;

F — поверхность диффузии, см2;

р— местная концентрация, или плотность, данного компонента,

кг/см2;

X — толщина слоя диффузии, см;

D — коэффициент диффузии, см2/сек.

При линейном распределении концентрации диффундирующего элемента по глубине детали уравнение (7.19) принимает вид

Рп ро

i = - D

Ах

где рп— концентрация на поверхности, кг/см3; ро — начальная концентрация компонента, общая для всего на­

греваемого изделия.

Входящий в эти уравнения коэффициент диффузии является эффективной величиной, т. е. отражает суммарное действие различ­ ных факторов, определяющих интенсивность насыщения.

Данные о коэффициенте D различных элементов приведены в литературе [66], [59], [69], [67]. Следует отметить, что сведений по этому вопросу накоплено еще очень мало, а приведенные в литера­ туре данные не всегда совпадают друг с другом.

** В общем случае диффузия углерода определяется не только градиентом концентрации, но и градиентами тепловых, электрических, электромагнитных по­ лей и т. д. В качестве обобщенной «движущей силы» иногда используют градиент химического потенциала [56], [66].

168