ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ КАРБИДООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ОТПУСКЕ ВАНАДИЕВЫХ СТАЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Библиографический список

1. Перевощиков С. И. Адаптация приведенных характеристик нагнетателей природного газа к техническому состоянию машин // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2018. - № 1. - С. 100-105.

2. Перевощиков С. И. Уточнение приведенных характеристик центробежных нагнетателей в их аналитическом виде // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2018. - № 2. - С. 94-100.

3. Перевощиков С. И. Коррекция приведенных характеристик центробежных нагнетателей по результатам параметрической диагностики машин // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2015. - № 6. - С. 78-83.

4. Перевощиков С. И. Параметрическая диагностика технического состояния центробежных нагнетателей природного газа // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2011. - № 3 - С. 97-104.

Сведения об авторе

Перевощиков Сергей Иванович, д. т. н., консультант кафедры прикладной механики, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)467480, е-таИ: perevoscЫkovsi@tyшu. ги

Information about the author

Perevoschikov S. I., Doctor of Engineering, Consultant at the Department of Applied Mechanics, Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)467480, e-mail: perevoschikov-si@tyuiu. ru

Материаловедение и технологии конструкционных материалов

УДК 669

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ КАРБИДООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ОТПУСКЕ ВАНАДИЕВЫХ СТАЛЕЙ

THERMODYNAMIC CONDITIONS OF CARBIDE FORMING DURING TEMPERING OF VANADIUM STEELS

А. В. Афонаскин, А. Н. Венедиктов, И. М. Ковенский

A. V. Afonaskin, A. N. Venediktov, I. M. Kovenskiy

Курганский государственный университет, г. Курган

Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень

Ключевые слова: термодинамика; кинетика; отпуск; ванадиевая сталь; карбид ванадия Key words: thermodynamics; kinetics; temper; vanadium steel; vanadium carbide

Ванадий широко используется для легирования стали. Он оказывает существенное влияние на ее свойства, образуя специальный карбид VC0,88, который обеспечивает вторичную твердость в улучшаемых ванадиевых сталях. В связи с этим представляет значительный интерес рассмотрение термодинамических условий выделения карбида VC0,88 при отпуске закаленной стали (0,85 ат.% C и 0,65 ат.% V).

Исследуемую сталь закаливали с 1 260 0С 5 часов и подвергали изотермическому отпуску (700 0С) различной длительности. Преципитаты, выделяющиеся в процессе отпуска, идентифицировали с помощью электронно-графического и рентгенографического анализа карбидных осадков и с помощью электронной микроскопии тонких фольг. Результаты показывают, что в начале отпуска выделяется цементит, затем цементит растворяется, и на электронно-микроскопических снимках тонких фольг видны выделения, разрешаемые только по деформационному контрасту ферритной матрицы. Рефлексов, отвечающих каким-либо карбидным фазам, не обнаружено. Эти факты свидетельствуют о том, что в рассматриваемый период отпуска в стали образуются зоны атомов ванадия типа зон Гинье — Престона (зон ГП). При длительности отпуска 1,25 часа зоны ГП не фиксируются, и обнаруживаются тонкодисперсные карбиды ванадия VC0 88. По-видимому, углерод, поступающий из растворяющегося цементита, насыщает зоны ГП, и последние превращаются в карбиды VC0 88.

120

Нефть и газ № 3, 2018

Эксперименты с помощью гамма-резонансной спектроскопии образцов после отпуска различной длительности подтверждают результаты фазового анализа.

Определение условий выделения карбида VC0,88 проводилось, исходя из общих термодинамических соотношений между активностью элементов в системе Fe-V-C, составом стали и температурой процесса. Активность ванадия в стали с 0,85 ат.% С и 0,65 ат.% V не определяли. Для расчета можно использовать данные об aV в системе Fe-V [1] без учета влияния углерода на эту величину. Такое приближение не внесет существенной ошибки при малом содержании углерода [2].

При малых концентрациях ванадия в a-Fe коэффициент его активности y" постоянен и при 700 0С равен 0,106 [1] (экстраполируя данные [1] к низким температурам), то есть Ya < 1 — тенденция к образованию ближнего порядка. Определяем

активность ванадия aV = y" ■ NV = 0,106 • 0,0059 = 0,000625 ; активность углерода находим из выражения

Yc fe ,

где lg yCC

5050 T

■ 3,52 ; InfeV = KV ■ NV ; KV = 1,92■ KCr [2].

Свободная энергия образования карбида ванадия, по данным В. И. Малкина и В. В. Покидышева, почти не зависит от его состава, поэтому для дальнейших термодинамических расчетов будут использованы данные о АОгс из работы [3].

На рисунке представлена зависимость коэффициента активности углерода в ванадиевой стали уС от молярной доли ванадия му при Т = 973 0К. При NС < 0,005 коэффициент активности углерода уС > 25 — образование цементита термодинамически возможно. При NV > 0,005 и /С < 25 — образование цементита термодинамически невозможно. Однако в стали с ^ = 0,0059 цементит образуется. По-видимому, такое образование происходит в областях, обедненных ванадием,

где % < 0,005 и /С > 25 .

Проведем термодинамическую оценку возможности выделения специального карбида УС0,88при 973 0К из полностью разупорядоченного твердого раствора Бе-У-С, каким является сталь с 0,65 ат.% У и 0,85 ат.% С после

закалки. Из работ И. А. Томилина и Ф. П. Шора известно, что при условии

IgYc

Те = 25

V7 \ * ^900 °С (Алексеев Э.И., Парпис Э.М.)

\ 0,25 \ 1 «.5 Nv 1 ^

0,005

- 700 °С ^

Рисунок. Зависимость ^ уС = /(^ )

для сталей с ванадием (отпуск 700 0С)

lnaV ■ a088 <

ln aV ■ aC'88 >

AG

VC 0

RT

AG

VC0

RT

образование специальных карбидов невозможно, а при

■ из твердого раствора выделится VC0,88. Расчет показывает, что

для исследуемой стали, когда она представляет полностью разупорядоченный

№ 3, 2018

Нефть и газ

121

твердый раствор, образование карбидов ванадия при нагреве до 700 0С термодинамически невозможно и, как было показано выше, невозможно образование цементита. Единственный процесс, который допускает термодинамика, — это ближнее упорядочение вследствие неидеальности твердого раствора Fe-V. Процесс ближнего упорядочения проявляется в образовании в стали областей, обогащенных и обедненных атомами ванадия. В результате этого процесса термодинамические условия в обогащенных и обедненных областях изменяются, и в них становится термодинамически возможным образование карбидов: в обогащенных областях — карбида ванадия, в обедненных — цементита. Таким образом, можно сделать заключение, что карбидообразование в исследуемой стали начинается с ближнего упорядочения твердого раствора Fе-V, и в этом смысле процессы ближнего упорядочения можно квалифицировать как начало распада сплава. Эти процессы имеют все признаки спинодального распада, кроме одного: сталь является непересыщенным по ванадию твердым раствором неспинодального состава. Альтернативный механизм распада — механизм зародышеобразования — к процессам ближнего упорядочения неприменим.

Когда в областях, обедненных ванадием, достигается концентрация 0,5 ат.% V,

/С достигает 25, и становится термодинамически возможным образование цементита. В этот момент, исходя из условия равновероятности, в областях, обогащенных ванадием, концентрация последнего достигает всего лишь 0,85 ат.%, и образование VC0,88, по-прежнему невозможно. Поэтому цементит обнаруживается в стали первым (в обедненных областях). В обогащенных ванадием областях продолжает увеличиваться концентрация атомов ванадия как результат процессов ближнего упорядочения и диффузии атомов углерода в эти области. Однако в этих областях должен иметь место значительный дефицит атомов углерода, так как они уже участвуют в образовании цементита.

Определим состав зон атомов ванадия, когда становится термодинамически возможно их превращение в карбиды VC0,88. Предположим, что образование областей, обогащенных и обедненных атомами ванадия, равновероятно. Тогда методом проб и ошибок можно подсчитать, что в исследуемой стали при Т = 973 0К образование VC0,88 становится термодинамически возможным в обогащенных ванадием областях, содержащих более 12 ат.% V (содержание ванадия в обедненных областях в это время составляет 0,03 ат.% и уС = 35 ). Однако кинетически образование VC0,88 из зон атомов ванадия произойти не может, так как 75 % всего углерода связаны в карбиды железа Fe3C (по данным гамма-резонансной спектроскопии). В этом случае единственно возможным процессом продолжает, по-видимому, оставаться процесс ближнего упорядочения твердого раствора Fe-V, процесс образования и развития зон ГП.

На определенном этапе этого процесса, когда активность атомов ванадия в зонах превысит активность атомов углерода, связанных в цементите, то есть когда

ауны будет больше аСезС, становятся возможным растворение цементита, переход атомов углерода через твердый раствор в зоны и образование VC0,88. Таким образом, расчеты показывают, что растворение цементита становится термодинамически возможным, когда ауны > 0,29, что соответствует концентрации атомов ванадия в зонах, большей 45 ат.%.

Библиографический список

1. Myles К. M., Aldred A. T. - Journal of Physical Chemistry. - 1964. - Issue 68 (I). - С. 64.

2. Могутнов Б. М., Томилин И. А., Шварцман Л. А. Термодинамика сплавов железа. - М.: Металлургия, 1984. -206 с.

3. Уикс К. Е., Блок Ф. Е. Термодинамические свойства 65 элементов. - М.: Металлургия, 1865. - 240 с.

122

Нефть и газ

№ 3, 2018

Сведения об авторах

Афонаскин Александр Васильевич, д. т. н., профессор кафедры энергетики и технологии металлов, Курганский государственный университет, г. Курган, тел 8(3522)432652

Венедиктов Анатолий Николаевич, к. т. н., доцент кафедры материаловедения и технологии конструкционных материалов, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 89044902920, e-mail: vene-diktovan@tyuiu. ru

Ковенский Илья Моисеевич, д. т. н., профессор, заведующий кафедрой материаловедения и технологии конструкционных материалов, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)283610, e-mail: kovenskijim@tyuiu.ru

Information about the authors

Afonaskin A. V., Doctor of Engineering, Professor at the Department of Energy and Metal Technology, Kurgan State University, phone: 8(3522)432652

Venediktov A. N., Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Material Science and Technology of Structural Materials, Industrial University of Tyumen, phone: 89044902920, e-mail: venedikto-van@tyuiu.ru

Kovenskiy I. M., Doctor of Engineering, Professor, Head of the Department of Material Science and Technology of Structural Materials, Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)283610, e-mail: kovenskijim@tyuiu.ru

УДК 669.017

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЭЛЕКТРООСАЖДЕННОГО НИКЕЛЯ И СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ

INFLUENCE OF CONDITIONS FOR OBTAINING COATINGS ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF ELECTRODEPOSITED NICKEL AND ITS ALLOYS

А. А. Кулемина, А. В. Афонаскин, И. М. Ковенский, В. В. Поветкин

A. A. Kulemina, A. V. Afonaskin, I. M. Kovenskiy, V. V. Povetkin

Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень

Курганский государственный университет, г. Курган

Ключевые слова: структура; отжиг; коррозионная стойкость Key words: structure; annealing; corrosion resistance

Модифицирование поверхности с помощью гальванических покрытий — один из наиболее известных и эффективных способов, позволяющих кардинальным образом изменить ее свойства. Применение гальванических покрытий в качестве защитных и защитно-декоративных известно довольно давно, однако потенциал, связанный с изменением структуры, а, следовательно, и свойств получаемых покрытий посредством термической обработки, изучен не в полной мере.

В работе рассматриваются условия получения и термической обработки покрытий никелем и сплавами Ni-Mo на его основе, которые могут использоваться в качестве защитных для нефтепромыслового оборудования. Покрытия толщиной 9-12 мкм электроосаждали при различных режимах (табл. 1) и подвергали отжигу в среде аргона, варьируя температурно-временными параметрами.

Таблица 1

Покрытия и условия получения

Материал покрытия Состав электролита, г/л Режим осаждения

Ni NiSO4 — 200-220 H3BO3 — 25-30 NaCl — 8-10 Температура — 50-60 0С Катодная плотность тока — 1,2-2,5 А /дм2

Ni-Mo NiSO4 — 150 Na2MoO4 — 1-10 KCl — 20 C6H8O7 — 5 Температура — 20-60 0С Катодная плотность тока — 2-15 А /дм2

При электроосаждении параметры тока варьировались от «мягких» до «жестких». Под «мягкими» понимали значения до 0,33 Е/Епр, «средними» — 0,33-0,66 Е/Епр и «жесткими» — свыше 0,66 Е/Епр, где Е/Епр — интегральный

№ 3, 201S

Нефть и газ

123