CC BY
6
УДК 669-1
ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЫЩЕНИЯ СТАЛЕЙ УГЛЕРОДОМ
© 2023 Е. В. Трусова
доцент кафедры общетехнических дисциплин и безопасности жизнедеятельности e-mail: ev.trusova@yandex.ru
Курский государственный университет
Статья исследует процесс насыщения сталей углеродом и выявляет закономерности, которые определяют этот процесс. Проведен анализ различных факторов, таких как содержание углерода в начальной стали, температура, длительность обработки и т. д., и исследовано их влияние на уровень насыщения стали углеродом. Проведены эксперименты, при которых меняли значения каждого из факторов и измеряли уровень насыщения стали углеродом. Результаты экспериментов позволили выявить определенные закономерности в процессе насыщения стали углеродом, что имеет важное практическое значение для производства и использования стали. Эта статья может быть полезной для исследователей и инженеров, занимающихся производством и использованием сталей углеродом.
Ключевые слова: науглероживание, сталь
PATTERNS OF CARBON SATURATION OF STEELS
© 2023 E. V. Trusova
Associate Professor of the Department of General Technical Disciplines and Life Safety e-mail: ev.trusova@yandex.ru
Kursk State University
The article examines the process of saturation of steels with carbon and reveals the patterns that determine this process. The article analyzes various factors, such as carbon content in the initial steel, temperature, processing time, etc., and examines their influence on the level of carbon saturation of steel. Experiments were carried out in which the values of each of the factors were changed and the level of saturation of steel with carbon was measured. The experimental results made it possible to identify certain patterns in the process of saturating steel with carbon, which is of great practical importance for the production and use of steel. This article may be useful for researchers and engineers involved in the production and use of carbon steels.
Keywords: carburization, steel
Насыщение стали углеродом - это процесс добавления углерода к составу стали для повышения ее прочности и твердости. Углерод считается одним из основных легирующих элементов для стали и его концентрация влияет на ее свойства.
Процесс насыщения стали углеродом может быть осуществлен различными способами, в зависимости от требуемых характеристик и конечного использования. Один из методов - это использование углеродных сплавов, таких как чугун или сплавы
с высоким содержанием углерода, которые добавляются в расплавленную сталь. Этот процесс называется карбонизацией.
Кроме того, углерод также может быть добавлен в начальный состав стали через использование углеродистых сплавов или путем насыщения газом (газовая карбонизация) или использования специальных покрытий, которые содержат углерод.
После добавления углерода в состав стали она подвергается термообработке, которая включает нагревание стали до определенной температуры и последующее охлаждение для получения желаемых свойств. Такой процесс может быть проделан несколько раз для достижения требуемой прочности и твердости.
Насыщение стали углеродом позволяет ей обладать высокой прочностью, жесткостью и износостойкостью, что делает ее идеальным материалом для различных применений, таких как строительство, автомобильная промышленность, производство инструментов и т.д. Однако высокое содержание углерода может сделать сталь хрупкой, поэтому необходимо учитывать и балансировать его концентрацию в зависимости от конкретных требований.
Науглероживание сталей при химико-термической обработке происходит главным образом в результате протекания на поверхности стали двух реакций:
2С0 ^ С02 + Сре (1)
СН4 ^ 2Н2 + Сре. (2)
Углерод, выделяющийся при показанных реакциях, абсорбируется поверхностью стали и диффундирует в нижележащие слои металла. Реакции (1) и (2) обратимы: их протекание в прямом направлении способствует науглероживанию стали, протекание в обратном направлении - обезуглероживанию.
В системе СО2 - СО углерод во всех случаях содержится в газовой фазе в атомарном состоянии. Парциальное давление углерода зависит от парциальных давлений СО2 и СО. Взаимное равновесие в изобарных изотермических условиях (давление и температура постоянные) согласно закону термодинамического равновесия определяется следующим уравнением:
к; = , (3)
Рсо
где РС02 и Рсо - парциальные давления СО2 и СО в науглероживающей
атмосфере;
Рс - парциальное давление атомарного углерода в атмосфере;
К1 - константа равновесия.
Парциальное давление углерода является показателем способности той или иной среды к науглероживанию стали.
Переход углерода из атмосферы в твердый раствор возможен, если парциальное давление углерода в атмосфере больше парциального давления его над поверхностью стали, равновесного с активностью углерода в твердом растворе. Науглероживание, как любой химический или физический процесс, происходит только тогда, когда свободная энергия системы уменьшается (т. е. когда процесс направлен к более устойчивому энергетическому состоянию). Изменение свободной энергии при науглероживании в изотермических условиях можно оценить выражением
Ав = -ИТЫРс!"#, (4)
Рс
где Ав- изменение свободной энергии;
Я - газовая константа, равная ~ 1,9 кал/град;
Т - абсолютная температура;
Рс(Бе) - парциальное давление углерода, находящегося в равновесии с твердым
раствором аустенита;
Рс - парциальное давление углерода в атмосфере (газовой фазе).
Если величина изменения свободной энергии, AG отрицательная, то происходит науглероживание, когда AG = 0, то среда находится в равновесии с углеродом в стали и не происходит ни науглероживание, ни обезуглероживание. Равновесие получается при равенстве давлений, т. е. выражение /n(Pc(Fe)/Pc) равно нулю.
Надо отметить, что величина давления углерода, находящегося в равновесии с твердым раствором аустенита, очень мала и ее нельзя измерить общепринятыми методами. До сих пор она не была экспериментально определена. Величины Pc(Fe) и Pc можно определить косвенным методом - заменив их термодинамическими активностями ас и ас (а_- активность углерода в аустените, ас - активность углерода в газовой фазе). Термодинамические активности прямо пропорциональны парциальным давлениям. Они обычно рассматриваются по отношению к известному стандартному состоянию, для углерода таким стандартным состоянием является графит.
Согласно этому активность углерода ас определяется отношением давления углерода в исследуемом состоянии Pc (или Pc) к давлению углерода в стандартном состоянии, т.е. находящегося в равновесии с графитом, которое обозначается через Рсо
&с=рРс . (5)
Рсо
Активность стандартного состояния всегда принимается равной единице.
С учётом значения активности уравнение (3) принимает вид
Кх = ррСо &с , (6)
Ро
отсюда
аС = K¡ -Ро- . (7)
С ¡ РС02 v '
Согласно этому способность атмосферы к науглероживанию увеличивается пропорционально квадрату парциального давления СО (как науглероживающего компонента) и уменьшается линейно с ростом парциального давления СО2 (являющегося обезуглероживающим компонентом атмосферы).
Аналогично отношение (4) при введении активности примет вид
AG = - RTln— (8)
или
р
*г
2
Со
АС = -ИТ 1п. (9)
ас
Условие равновесия согласно уравнениям (8) и (9) требует, чтобы
АС-0;ас = ас = К,-^ . (10)
Рс02
Активность углерода в аустените пропорциональна его концентрации в этом твёрдом растворе
&с_ = Ус_ = Сс_ , (11)
где ус - коэффициент пропорциональности, т.н. коэффициент активности;
Сс - концентрация углерода в аустените.
Подставив эти значения в уравнение (7), получим
Сс . (12)
с_ Гс_ ' РС02 У ^
На основании полученного уравнения можно точно определить, с каким содержанием углерода в аустените находится в равновесии газовая среда. Для этого требуется знать парциальные давления СО и СО2 в насыщающей среде, величину константы равновесия К1 и коэффициент активности у£. Содержание углерода
в аустените, находящемся в равновесии с газовой средой, обозначается как углеродный потенциал или потенциал науглероживающей атмосферы.
Температурная зависимость константы равновесия реакции можно выразить следующим уравнением [3, с. 45-57]:
1одК, = 10дР-^ = -5 + В = 8-7^-9.060. (13)
Рсо 1 1
Величина коэффициента активности при 1000 оС для равновесия углерода в аустените с системами СО-СО2 и СН4-Н2 выражаются уравнением
1одас = 1п>- + 6.9>- , (14)
- >ре >ре
где Н^и №0 - малярные доли углерода и железа в аустените при данной концентрации углерода.
В качестве стандартного состояния для выражений (14) принят бесконечно разбавленный раствор углерода в аустените.
Эксперименты показывают, что активность углерода в твёрдом растворе растёт не линейно с ростом его концентрации, а несколько быстрее, хотя теоретически предсказано, что активность углерода идеального твёрдого раствора численно равна концентрации.
При рассмотрении науглероживающего действия различных атмосфер следует учитывать, что углерод в аустените находится в равновесии с цементитом и никогда не находится в равновесии с графитом. Как показано в работе [1], цементит метастабилен по отношению к графиту во всём интервале температур, поэтому углерод должен иметь более высокую активность, а следовательно, и большую растворимость, чем в равновесии с графитом.
Теоретически по реакции 2СО ^ СО2 + С никогда не должно достигаться полное насыщение аустенита до равновесия с цементитом. При парциальном давлении окиси углерода более высоком, чем это соответствует равновесию с графитом, избыточный углерод выделяется в виде сажи. Однако сажа выделяется относительно медленно, и её выделение можно предотвратить и повысить активность углерода в названной системе в большей степени, чем это соответствует равновесию с цементитом.
Равновесие науглероживающей реакции СЩ^ 2Ш+С, согласно термодинамическим представлениям, выражается уравнением
К'и = Р-??р . (15)
В уравнении (15) можно заметить парциальное давление атомарного углерода Рс активностью углерода ас, отнесённой к графиту как и стандартному состоянию
Кп=Р?^*ас. (16)
" -СН4 С ^ '
Переход углерода из атмосферы в твёрдый раствор может произойти лишь в том случае, если он связан со снижением свободной энергии
* РСН@ *Ц—2-
№ = -ИТ1п-а^ = -ЯТ1п—Рн2 . (17)
ас ас
При этом ДСв уравнении (17) должно быть отрицательной величиной.
Равновесие между насыщающей СН4 - Н2 и углеродом в твёрдом растворе
с железом может произойти лишь в том случае, если.....равняется нулю, то есть когда
активность углерода в твёрдом растворе аустенита и активность углерода, обусловленная соотношением компонентов в среде, одинаковые.
Константа равновесия реакции науглероживания в среде метана (СН4), определяется соотношением [1]
1одК„ = 1од--НН@= -«51+5,770 . (18)
В работе Г. Г. Бондаренко, В. В. Рыбалко, Т. А. Кабановой [2, с. 225-230] предлагается несколько другое соотношение, впрочем не сильно отличающееся от первого
4649
logKII = --F-+ 5,672 . (19)
Расчёт равновесия углерода в аустените с атмосферой метана и водорода полностью аналогичен приведенному для системы.
Наиболее распространёнными средами, используемыми для насыщения стали углеродом, являются газовые атмосферы, содержащие окись углерода СО и метана СН4. Для анализа поведения этих атмосфер необходимо определить условие, при котором возможно равновесие частных систем СО - СО2 и СН4 - Н2. Это условие предусматривает равенство парциальных давлений газообразного атомарного углерода в каждой из обеих частных систем. Это означает, что
Рс = К1^ = КиР~^@ . (20)
РС02 РН2
Если применить термодинамическую активность, то уравнение (20) примет вид ас = К1-^ = КиР-СН@ . (21)
С 1 РС02 11 Р?2
Последнее уравнение определяет взаимные соотношения и равновесные парциальные давления компонентов в газовой науглероживающей среде.
Практическое значение условия равенства парциальных давлений углерода в каждой из систем заключается в том, что при равновесном состоянии достаточно знать парциальное давление газообразных компонентов только одной из систем, чтобы единообразно определять потенциал цементующей способности многокомпонентной газовой среды [4].
В настоящее время науглероживающий потенциал газообразных карбюризаторов на основе эндотермических атмосфер (содержащих СО, СО2, СЩ,Ш, Н2О), которые используются в условиях массового производства, определяется по парциальному давлению Н2О. При поточном (непрерывном) определении влаги в цементующей атмосфере, т.н. «точки росы», появляется возможность регулировать требуемое содержание углерода в цементуемых сталях.
Равновесное парциальное давление водяных паров легко определяется из анализа окислительно-восстановительных реакций, сопровождающих науглероживание стали в газовых атмосферах. Для системы СО - СО2 устанавливается, кроме парциального давления углерода, ещё определённое парциальное давление кислорода по реакции
2 СО + О2 ^2ШО. (22)
Константа равновесия реакции (22) определятся отношением
Кш = -Р. (23)
111 Р2С0*Р02 v ;
Пробным образом возникает некоторое парциальное давление водяного пара в системе, содержащей водород:
2Н2 + О2^ 2Н2О, (24)
KIV = . (25)
IG Р?2*Р02 V '
Окислительно-восстановительные системы, представленные уравнениями (22) и (24), будут находиться в равновесии, если парциальное давление кислорода у обеих систем будет одинаковым
Ро2=*пф2 = *фо . (26)
РС0 РН2
Из условия (26) вытекает соотношение для т.н. реакции водяного газа Н2 + СОг^ Н2О + СО
Ph20+Pcq Ph2+Pco2
Из уравнений (26) и (27) можно видеть, что парциальное давление СО и СО2 единообразно определяет и парциальное давление водяного пара. В науглероживающей атмосфере, содержащей кислородные соединения, устанавливается закономерное равновесие между системами цементующими, обезуглероживающими и окислительно-восстановительными, причём определённое парциальное давление углерода полностью соответствует парциальному давлению кислорода и других компонентов [6].
Опытные данные на базе большого числа анализов показывают, что равновесие компонентов водяного газа(пара) устанавливается значительно быстрее, чем равновесие с метаном. В системе СО2 - СО поэтому образуется парциальное давление углерода, зависящее главным образом от равновесия с водяным паром. В системе СН4 - Н2 парциальное давление углерода практически не зависит от парциального давления в системе СО - СО2.
В атмосферах, образованных смешением эндотермического газа-носителя с углеводородом, добавка нескольких процентов метана (или другого углеводорода) нарушает равновесие газовой среды с углеродом в аустените цементуемой стали. Количество углерода, которое газовая среда в состоянии передать поверхности стали, велико по сравнению с количеством углерода, удаляемым с поверхности в глубину стали посредством диффузии [7]. Это значит, что изменением состава, а следовательно, и действием газовой среды на интенсивность насыщения стали углеродом можно пренебречь.
При взаимодействии с науглероживаемой поверхностью газовая среда в непосредственной близости к поверхности обогащается неактивной двуокисью углерода СО2. При этом заметно снижается углеродный потенциал системы СО - СО2 и насыщения стали углеродом в большой мере зависит от скорости отвода образующейся СО2 от поверхности. Это значит, что науглероживание сильно зависит от скорости подачи газового карбюризатора, то есть от интенсивности принудительной концентрации атмосферы [5].
Система СН4 - Н2 по сравнению с системой СО - СО2 ведёт себя иначе. Водород, образующийся при разложении метана в адсорбционном слое на поверхности стали, мало влияет на интенсивность науглероживания. Поэтому газовые смеси, содержащие метан, обладают способностью отдавать цементуемой поверхности большое количество углерода, причём циркуляция газа в печном пространстве при этом необязательна.
Метан при температуре цементации разлагается относительно медленно, поэтому в атмосфере печи степень его диссоциации весьма небольшая, благодаря чему содержание его повышается сверх равновесного. Это, в свою очередь, приводит к избыточному запасу углерода в цементующей атмосфере и к опасности сажевыделения.
В заключение можно сказать, что насыщение стали углеродом является одним из основных процессов, позволяющих значительно улучшить свойства и характеристики данного материала. Углерод, внедряясь в структуру стали, способствует улучшению ее прочности, твердости, устойчивости к износу и коррозии. Кроме того, насыщение стали углеродом позволяет регулировать ее микроструктуру, что влияет на ее механические свойства и способности к обработке.
Существует несколько методов насыщения стали углеродом, таких как цементация, карбонитрирование, газовая насыщение и др. Каждый из них имеет свои преимущества и возможности применения в зависимости от требуемых характеристик и свойств стали.
Однако важно учитывать, что насыщение стали углеродом также имеет свои ограничения и требует комплексного подхода к процессу. Неправильно выбранные параметры насыщения или некачественное выполнение процедуры могут привести к нежелательным результатам, таким как изменение геометрии и размеров деталей, появление трещин и других дефектов.
Поэтому для успешного насыщения стали углеродом необходимо проводить тщательную предварительную подготовку материала, правильно выбирать метод и параметры процесса, а также контролировать его качество. Только в таком случае можно достичь желаемых результатов и получить сталь с оптимальными характеристиками для конкретных условий эксплуатации.
Таким образом, насыщение стали углеродом является важным и неотъемлемым процессом в металлургической отрасли. Он позволяет значительно повысить свойства и качество стали, делая ее надежным и долговечным материалом для различных сфер применения.
Библиографический список
1. Арзамасов, В. Б. Материаловедение и технология конструкционных материалов / В. Б. Арзамасов, А. Н. Волчков, В. А. Головин. - Москва: Академия, 2011. - 448 с.
2. Бондаренко, Г. Г. Материаловедение / Г. Г. Бондаренко, В. В. Рыбалко, Т. А. Кабанова. - Москва: Машиностроение, 2013. - 360 с.
3. Зинченко, В. М. Технологические процессы цементации и нитроцементации / В.М. Зинченко, Б.В. Георгиевская, В.А. Оловянников и др. - Москва: НИИТавтопром, 1982. - 122 с.
4.Костин, Н. А. Исследование насыщающей способности азотирующей пасты при низких и высоких температурах нитроцеменации штамповой стали / Н. А. Костин, Е. В. Трусова // Учёные записки: электронный научный журнал Курского государственного университета. - 2013. - №1 (25). - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-nasyschayuschey-sposobnosti-azotisto-uglerodistoy-pasty-pri-nizkih-i-vysokih-temperaturah-nitrotsementatsii-shtampovoy (дата обращения: 13.11.2023).
5. Способ нитроцементации деталей из штамповых сталей: Патент № 2501884 от 20.12.13. Заявитель: ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет», Авторы: Н.А. Костин, Е.В. Трусова, В.И. Колмыков, Д.В. Колмыков.
6. Трусова, Е. В. Износостойкость нитроцементованных наплавок штамповых сталей / Е. В. Трусова, Н. А. Костин // Машиностроение и инженерное образование. -2011. - № 3. - С. 2-7.
7. Трусова, Е. В. Разработка насыщающей среды для упрочнения штампового инструмента при различных температурных режимах / Е. В. Трусова // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. - Курск, 2016. - № 4. - URL: http://auditorium.kursksu.ru. /pdf/012-006.pdf (дата обращения: 13.12.2023).
