» » Нейтральная термическая обработка нелегированной стали
13.01.2015

Нелегированные стали могут быть условно поделены на низкоуглеродистые (до 0,2% С); среднеуглеродистые (0,2-0,6% С); высокоуглеродистые (0,6-1,0% С).
Взаимодействие нелегированной стали с атмосферой может сопровождаться окислением железа и изменением содержания углерода. Нелегированная сталь содержит незначительные количества других элементов в соответствии с технологией ее производства, которые при рассмотрении взаимодействия стали с компонентами контролируемой атмосферы можно не учитывать.
Окисление (восстановление) железа в нелегированной стали подчиняется следующим закономерностям. Железо имеет три оксида: закись железа FeO, магнетит Fe3O4 и окись железа или гематит Fe2O3 в двух модификациях γ и α. Закись железа образуется при температуре выше 570° С. При медленном охлаждении она разлагается по реакции 4FeO=Fe3O4+Fe. Закись железа FeO образует с железом раствор, называемый вюститом, приблизительного состава Fe0,93O. Магнетит образуется при температуре ниже 570° С; гематит — при температуре выше 570° С и может существовать только в присутствии свободного кислорода. При температуре выше 570° С с железом может находиться в равновесии закись железа, при температуре ниже 570° С — магнетит. В последнем случае образование FeO возможно только в виде тонкой оксидной пленки под магнетитом. При малых значениях парциальных давлений кислорода, характерных для контролируемой атмосферы, образование гематита обычно не происходит. Таким образом, в контролируемой атмосфере окисление железа возможно по реакциям:
Нейтральная термическая обработка нелегированной стали

При наличии в контролируемой атмосфере свободного кислорода, парциальное давление которого превышает упругость диссоциации соответствующего оксида, возможны реакции при соответствующих температурах: 2Fe+O2=2FeO; 3Fe+2О2=Fe3O4; 6FeO+O2=2Fe3О4.
На рис. 20 показана диаграмма равновесия реакций окисления железа.
Константы равновесия этих реакций определяют фазовые границы Fe—FeO; FeO—Fe3O4 и Fe—Fe3O4.
Реакции окисления железа кислородом при температурах термической обработки практически необратимы, и поэтому диссоциация оксидов железа в условиях термической обработки невозможна.
Нейтральная термическая обработка нелегированной стали

Для примера рассмотрим нагрев железа в атмосфере богатого экзогаза состава, %: 14 H2; 9 CO; 5 CO2; остальное N2, осушенного до температуры точки росы -5° С. На рис. 21 представлены фазовые границы Fe—FeO; Fe—Fe3O4 и FeO—Fe3O4 линиями соответственно DG; FD; DH и изотермы равновесия реакции водяного газа. Линия AB описывает зависимость равновесного состава атмосферы от температуры, полученную расчетом по методу количественного решения задачи равновесия. Точки пересечения изотерм с линией AB определяют для каждой температуры состав атмосферы.
Нейтральная термическая обработка нелегированной стали

Линия состояния атмосферы находится в области железа, поэтому экзогаз указанного состава не должен окислять железо (при отсутствии диссоциации CO).
Взаимодействие компонентов атмосфер с углеродом стали может приводить к науглероживанию последней, что характерно для низкоуглеродистой стали, или обезуглероживанию, характерному для высокоуглеродистой стали.
Так как между составом атмосферы и активностью углерода, а также активностью углерода и его концентрацией в стали существуют однозначные связи, то можно найти состав атмосферы, равновесной с углеродом при его конкретной концентрации в стали, или, наоборот, определить концентрацию углерода в стали, равновесную с атмосферой конкретного состава. Диаграммы равновесия простых газовых смесей с углеродом нелегированной стали впервые построены А. А. Шмыковым по уравнениям констант равновесия соответствующих реакций с привлечением данных по активности углерода.
На рис. 22 и 23 приведены диаграммы равновесия нелегированной стали с атмосферами соответственно H2—H2O—CO—CO2—N2 и H2—CH4—N2, в основу которых положены диаграммы А. А. Шмыкова.
На рис. 22, а нанесены изотермы равновесия реакции водяного газа и линия равновесия реакций окисления — восстановления железа.
На рис. 22, б и в нанесены линии равновесия соответственно реакций (V) и (XXVI) для аустенита с различным содержанием углерода. Линии 1 и 4 соответствуют равновесию с цементитом по реакциям CO2+Fe3C⇔2СО+3Fe и H2O+Fe3C⇔CO+H2+3Fe, а линии 2 и 5 — равновесию с графитом по реакциям CO2+С⇔2СО и H2O+С⇔CO+H2. Область на диаграмме ниже линии 1 соответствует существованию аустенита и цементита, выше линии 1 — существованию только аустенита. Область в верхнем левом углу, ограниченная линией 3, соответствует существованию феррита и аустенита. Точки пересечения линии постоянного содержания углерода с линией 1 соответствуют предельной растворимости углерода в аустените; с линией 3 — превращению феррита в аустенит. Соотношение областей и линий на рис. 22, в такое же, как на рис. 22, б.
Промежуточные области на рис. 22 показывают соотношения: область А — между [CO ]/[CO2] и р2СО/рСО; область Б — между [H2]/[H2O] и рСОрН2/рН2О для содержаний CO в газовой фазе. В данном случае [CO]; [CO2] и т. д. — концентрация соответствующего компонента в газовой фазе, %; рСО, рСО2 и т. д. — парциальное давление соответствующего компонента в газовой фазе.
Нейтральная термическая обработка нелегированной стали

Равновесное содержание водяных паров (температура точки росы) при известном отношении рСОрН2/рН2О и сумме содержаний CO и H2 может быть определено по рис. 24.
На рис. 23 нанесены линии соответственно равновесия реакции (VI) для аустенита с различным содержанием углерода и для равновесных значений CH4. Линия 1 соответствует равновесию с цементитом по реакции 2Н2+Fe3C⇔CH4+3Fe; линия 2 — равновесию с графитом по реакции 2Н2+С⇔CH4. Соотношение областей и линий на рис. 23 такое же, как на рис. 22.
На рис. 25 показана диаграмма, на которой нанесены линии равновесия реакций, происходящих между атмосферой и нелегированной сталью.
Содержание углерода в нелегированных, например конструкционных, сталях определяет их механические свойства, поэтому цель применения контролируемых атмосфер при их термической обработке — сохранение содержания углерода в поверхностном слое при отсутствии окисления. В большинстве случаев применяют атмосферы из эндо- и экзогаза, имеющие широкий диапазон регулирования углеродного потенциала.
Для низкотемпературной термической обработки применяют невзрывоопасные азотные атмосферы, содержащие влагу, соответствующую температуре точки росы (-50)—(-70)° С, и двуокись углерода ≥0,05%.
Нейтральная термическая обработка нелегированной стали