Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Для обезуглероживания термической обработке подвергают электротехническую сталь, чугунные и стальные изделия, например, перед эмалированием. Кроме того, обезуглероживание может сопутствовать чистой термической обработке, когда обезуглероженный слой не превышает пределов допуска. Электротехническую сталь обезуглероживают в увлажненной атмосфере при 720—780° С по реакции (XXVI).
Расчет состава атмосферы для обезуглероживающего отжига трансформаторной стали, содержащей 3% Si; 0,005% С, проведен в работах. При обезуглероживании кремнистой стали возможны реакции (XXIII) окисления железа и кремния Fe+H2O=FeO+H2, Si+2Н2O=2Н2+SiO2 и реакция SiO2+2Fe+2H2O=Fe2SiO4+2Н2 (XXX) с образованием поверхностных оксидных пленок из FeO, кремнезема SiO2 и файялита Fe2SiO4.
Расчет равновесного отношения рH2/рH2O и соответствующей температуры точки росы по указанным реакциям приведен в табл. 13.
Если в газовой смеси отношение рH2/рH2O меньше указанных в табл. 13 значений, то по соответствующей реакции произойдет окисление.
При обезуглероживающем отжиге при 750—850° С в увлажненных азото-водородных смесях можно исключить образование на поверхности металла закиси железа и файялита, но окисление кремния неизбежно, поскольку температуру точки росы (-50)—(-60)° С трудно обеспечить в промышленной печи и, кроме того, при таком низком влагосодержании обезуглероживание замедляется. В зависимости от содержания влаги кремнезем может образовываться на поверхности стали и внутри. Это сопровождается уменьшением концентрации кремния в α-растворе и образованием неметаллических включений, особенно в слоях металла, близких к поверхности, что ухудшает магнитные свойства металла.
Как уже было отмечено, оксидная пленка замедляет обезуглероживание.
В условиях безокислительного нагрева при температуре 1000 К равновесное значение рCO=0,22 по реакции (XXVI) для аC=0,5 и рH2/рH2O=5,96. С ростом температуры равновесное парциальное давление окиси углерода возрастает.
Большие значения равновесной концентрации окиси углерода по реакции (XXVI) обусловлены высокой термодинамической активностью углерода в феррите и особенно в феррите, легированном кремнием. Однако на практике даже при малой концентрации окиси углерода в атмосфере может наблюдаться торможение обезуглероживания. Причинами этого могут быть локальное повышение концентрации окиси углерода у поверхности металла, образование поверхностной пленки SiO2, затрудняющей доступ окислителя к металлу и отвод окиси углерода от него, снижение активности углерода в феррите под влиянием растворенного в нем кислорода. Для уменьшения действия этих факторов следует организовать газовый поток у поверхности, максимально возможно сократить время процесса и обеспечить оптимальное отношение компонентов газовой фазы.
Обезуглероживающий отжиг ленты из трансформаторной стали успешно проводят в протяжной печи в атмосфере N2—H2 (до 5% H2) с увлажнением ее в зоне обезуглероживания до температуры точки росы 30—35° С.
Обезуглероживание проводят также в окислительной среде. Существуют две гипотезы механизма обезуглероживания в окислительной атмосфере. Согласно первой, углерод, диффундирующий из внутренних слоев стали, переходит границу железо — оксид железа, диффундирует через слой окалины, достигая границы оксид железа — окисляющий газ, окисляется атмосферой и удаляется в последнюю. По второй гипотезе на границе железо — оксид железа углерод вступает в реакцию с оксидами железа, восстанавливает их и в составе газообразного продукта удаляется в атмосферу через поры и микротрещины. Более вероятной является вторая гипотеза, так как степень обезуглероживания линейно зависит от времени, несмотря на непрерывное утолщение слоя окалины, и, следовательно, диффузия углерода через слой окалины не может быть стадией, определяющей скорость процесса. Кроме того, растворимость углерода в вюстите очень слабая и обезуглероживание не происходит при наличии сплошного (без пор и трещин) слоя окалины.
Прочность сцепления окалины с металлом определяется ее структурой. Легирующие элементы, менее благородные, чем железо, реагируют с вюститом, образуя промежуточные слои, определяющие прочность сцепления слоя, например кремний образует промежуточный слой из файялита.
При реакциях CFe+FeO=CO+Fe и CFe+2FeO=CO2+2Fe на границе железо — оксид железа устанавливаются парциальные давления CO и CO2, величины которых должны соответствовать локальному равновесию с углеродом, диффундирующим из внутренних слоев стали. Если сумма этих давлений превосходит силу сцепления слоя окалины, то он отделяется от монолита и газ оказывается в прямом контакте с металлом.
Процесс обезуглероживания в безокислительной увлажненной газовой фазе описывается уравнением нестационарной массопроводности при следующих краевых условиях: начальном — С(х, 0)=C0; граничном первого рода — концентрацию углерода на поверхности принимают равной нулю вследствие большой скорости химической реакции обезуглероживания паром.
В работе рассчитана продолжительность обезуглероживания ленты из трансформаторной стали толщиной 25. В этом случае граничные условия первого рода имеют вид С(+S, τ)=0; C=(-S, τ)=0.
Решение уравнения (105) в этом случае описывается следующим выражением:
Ряд под знаком суммы в уравнении (139) быстро сходится, и при τ≥4,5*10в-2 (2S)2 можно ограничиться его первым членом с ошибкой менее 1 %.
На рис. 46 приведены результаты расчета по уравнению (139) при коэффициенте диффузии углерода в феррите D=0,02e-20100/RT см2/с.
Коэффициент диффузии углерода в феррите практически не зависит от присутствия легирующих элементов.
Расчет проведен для диапазона температуры 700—850° С. Снижение концентрации углерода в десять раз, например с 0,05 до 0,005%, может быть достигнуто за время τ:
Продолжительности обезуглероживающего отжига, представленные на рис. 46, являются минимальными при больших скоростях подвода пара и отвода продуктов реакции.