Файл: Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 95
Скачиваний: 0
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. |
|
(р 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
для |
которой |
AF° равно —2368 кал/моль, |
что дает для |
|
kp |
значение, |
равное |
|
|
. |
= |
Р н ! ° Р н * |
= 2,55. |
(Ш-36) |
|
|
РСН, аСг |
|
|
Определим концентрацию влаги, находящейся в равно весии с метаном (0,075%) при 1000°С. Так как
РнаРн. = 2,55-0,00075-0,112 = 0,000214, то
%.о = °'°0 °g'4 = 0,000285 ат, т. е. 0,0285% (т.т.р.—35° С). (Ш-37)
Если влажность будет ниже найденной, то реакция пой дет в сторону образования карбида. При влажности, со ответствующей т.т.р. —50° С, например, равновесное со держание метана равно всего лишь 0,001 %.
В работе [9] указывается на сильную зависимость углеродного потенциала от содержания влаги в защит ном газе. Так, при концентрациях метана 0,01%, 0,02% СО и 0,002% СОг углеродный потенциал составляет 0,10% при влажности, соответствующей т. т. р. —60° С, и уменьшается в 5 раз при влажности газа, соответству ющей т. т. р. —40° С.
Эти данные хорошо согласуются с приведенными вы
ше расчетными |
величинами. |
Равновесие |
систем Н2 —NH3 —Cr—Сг2 0з и Н 2 — Н 2 0 — |
N2 —Сг—Сг2 0з. Азот, расширяя область существования Fe—у, способствует стабилизации аустенита и повышает прочность стали.
Присадка 0,2% N в хромистую |
сталь, содержащую |
||
18—30% Сг, позволяет |
получить |
смешанную |
структуру, |
менее восприимчивую |
к межкристаллитной |
коррозии. |
|
Аустенитные стали с повышенным |
содержанием N в по |
||
следнее время приобрели особое значение для маломаг нитных коррозионностойкнх сталей. Однако известно также, что в некоторых случаях азотирование аустенитной стали вызывает падение ее коррозионной стойко сти.
Изменение свойств стали под влиянием азота зависит прежде всего от формы его существования в металле. Азот может образовать твердые растворы замещения
30
(с Mn, Si, Сг п др.) или однородные твердые растворы внедрения; он может неоднородно распределяться в ме талле, концентрируясь у дислокаций или у других де фектов кристаллической структуры, выделяться из ме талла в виде самостоятельных фаз — нитридов или карбонитридов. Наибольшую опасность представляет выде ление нитридов хрома, так как это приводит к обеднению аустенита стабилизирующим его хромом и азотом. В не которых случаях (в сталях, близких по своему составу к границе устойчивости аустенита) образуется феррит. Коррозионная стойкость и ударная вязкость такой стали существенно падают. .
Рассмотрим термодинамические условия, исключаю щие образование нитридов хрома в газовых средах, со держащих азот в молекулярном или атомарном виде. Воспользуемся реакцией
(4[Fe ( m ) Ni ( n ) Cr ( i . + 1 ) ] - b2NH 3 <> |
|
7>4 [Fe( m ) N i ( n ) Cr( i ) ] + 2Cr2 N + ЗН.2 . |
(Ш-38) |
Расчет показывает, что содержание N H 3 в равновес ной смеси при суммарном парциальном давлении рн^ +
+рш |
, равном |
0,75 ат, при 1100°С |
составляет |
0,001%. |
||
Химический |
потенциал |
азота |
в молекуле |
N2 ниже, |
||
чем в молекуле NH 3 , но достаточен для того, чтобы вы |
||||||
звать |
образование |
нитридов хрома |
по реакции |
|||
4 [Fe( m ) N i ( n ) C r ( |
i + 1 ) ] |
+ N a * 4 |
[Fe( m ) N i ( l l ) Сг( £ ) ] + |
|
||
+ 2Cra N. |
|
|
|
|
(Ш-39) |
|
Д/7 0 этой реакции при 1100°С составляет —8790 кал/моль, что соответствует концентрации N2 в равновесной смеси, равной 4,0%.
В действительности N 2 , NH 3 , Н 2 0 , Н 2 присутствуют в газе одновременно. Рассмотрим условия, при которых можно исключить взаимодействие хрома с молекуляр ным азотом при термообработке хромистых сталей в дис социированном аммиаке (р^ =0,25 ат).
Суммарная реакция указанного взаимодействия, име ющая вид
Я 2 0 - f V A s N ^ V e C r A 4. V,N S + Н 2 > |
(Ш-40) |
|
получается |
в результате сочетания следующих двух |
|
уравнений: |
|
|
31