книги из ГПНТБ / Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали)

Поскольку мы приняли, что процесс не лимитируется внешними условиями, то .можно считать, что на поверхности (в нулевом и вось­ мом интервалах) практически мгновенно устанавливается концент­ рация, близкая к нулю, т. е.

= 0 при любом значении т > 0.

На рис. 89 показана кривая зависимости среднего содержания углерода в полосе от продолжительности обезуглероживания, по­ строенная на основании найденных расчетом данных.

Рнс. 89. Средняя концентра­ ция углерода в полосе (0 = =0,64 мм) в зависимости от времени обезуглероживания и температуры:

О — расчетные данные для

( С ) п о в = 0 ; Д — эксперимен­ тальные данные, полученные

при 830° С; X — т о ж е , при 900" С На оси абсцисс д а н о время, мпн

12 15

Исходя из максимально возможной скорости, решим конкретный пример, приняв С с о = 1 % (см. ниже).

ванный аммиак смешивали с воздухом. Кислород гидро-

274

получаем значение TI = 316 с, близкое к принятому ра­ нее (318 с).

Обезуглероживание с 0,008 до 0,003% С рационально вести на тонкой ленте. Проанализируем вторую ступень обезуглероживания на ленте толщиной 0,35 см.

Предполагая, что скорость обезуглероживания не за­ висит от концентрации углерода, определим по уравне­

тектоидной стали приводит к понижению твердости и из­ носоустойчивости, создает условия для большого роста зерна в поверхностном слое при нагреве под закалку. Различие объемных изменений в обезуглероженном слое и основной массе металла вызывает в ряде случаев появ­ ление трещин.

В работе [64] указано, что небольшое обезуглерожи­ вание стали Р18 снижает работоспособность инструмен­ та на 20—40%.

Это имеет прямое отношение и к стали ШХ15. Отжиг этой стали на металлургических заводах осу­

ществляется с целью измельчения зерна и получения структуры зернистого перлита. Оптимальной температу­

ливается коагуляция нерастворенных карбидов и перлит становится более крупнозернистым, а распределение карбидов неоднородным. Эти обстоятельства приводят к более низким механическим свойствам в закаленном и низкоотпущенном состоянии.

Неоднородное распределение карбидов усиливает также концентрацию остаточных напряжений в отдель­ ных микро- и макрообъемах закаленной стали.

276

Если же температура нагрева превышает 800° С, то возрастает количество участков пластинчатого перлита.

При последующем охлаждении такого металла кар­ биды из аустенита выделяются в виде пластин в преде­ лах зерна и в виде сетки иа границах зерна, что ухудша­ ет механические свойства после закалки. В том же нап­ равлении действует продолжительная выдержка.

Время, необходимое для распада аустенита при изо­ термической выдержке, относительно мало и составляет

(при марочном содержании 0,96—1,06% С), что сущест­ венно превышает допустимый уровень глубины обезугле­ роживания по ГОСТ 801—60.

Отжиг прутковой стали ШХ15 на некоторых метал­ лургических заводах проводят в защитной газовой сре­ де, известной под индексом ПСО-09 и получаемой сжи­ ганием природного газа при коэффициенте расхода воз­ духа а = 0,9-ь0,95, с последующей очисткой продуктов сгорания от углекислоты и влаги [65].

Газ ПСО-09 (1,5—2,5% СО; 1,5—2,0% Н2 ; 0,05% 0 2 ; остальное N2 ) обезуглероживает даже при влажности соответствующей т.т.р. от —40 до —42° С. Полное обез­

газа на один объем природного газа). При этом в одних случаях получают науглероживание, в других — обезуг­ лероживание.

Даже при удовлетворительных результатах послойно­ го анализа более чувствительными методами обнаружи­ вается неполное восстановление углерода в обезуглеро^ женном слое. Таким образом, процесс науглероживания до сих пор остается неуправляемым.

В конечном итоге эффективность такого способа исп-

277

равления дефектного поверхностного слоя достаточно

При максимальной глубине обезуглероживания 1,14 мм науглероживание ведут на глубину 1,27 мм (~1 2 ч). После науглероживания в целях выравнивания концент­ рации углерода сталь подвергают нормализации.

Однако при насыщении поверхности углеродом в ат­ мосфере эндогаза наблюдается внутреннее окисление хрома и марганца, которые в поверхностном слое пере­ ходят в окислы (за счет кислорода окиси и двуокиси уг­ лерода, содержащихся в эндогазе). Твердый раствор, обедненный легирующими элементами в поверхностном

278

слое, обусловливает значительно более низкую проч­ ность стали после ее закалки [4] .

При термической обработке сталей типа ШХ15, ЗОХГТ, 45Х и др. в средах с высоким содержанием водо­ рода, к которым относится эидогаз, наблюдается также снижение механических свойств в результате водородно­ го охрупчивания [35]. Снижение ударной вязкости для стали ЗОХГТ проявляется уже при содержании свыше 10% водорода (по сравнению с углеродом и азотом ско­ рость диффузии водорода при 20° С в 101 2 раз выше). Предполагается, что в микропорах происходит рекомби­ нация протонов в молекулярный водород с образованием высоких давлений. Поэтому наше внимание было сосре­ доточено на изучении процесса взаимодействия заэвтектоидиой стали с газовыми средами, состоящими из азота, водорода (до 10%), метана (до 10%) и паров воды.

Кинетика взаимодействия этой смеси с углеродом в стали рассмотрена в гл. IV.

279

На основе данных по кинетике нами разработаны принципы управления процессом восстановления углеро­ да [67]. Ниже описан наиболее сложный случай из прак­ тики, когда восстановление совмещено со структурным отжигом стали ШХ15 (при длине прутков не более 7 м) в колпаковой печи (рис. 90) с открытой футеровкой.

Такая печь состоит из стенда, футерованного корун­ довым легковесом, и колпака с кладкой из шамота-лег­

Нагрев садки осуществляется радиантнымп горелка­ ми, размещенными на боковых стенках колпака.

Учитывая определяющее влияние влажности на про­ цесс науглероживания, нами предварительно были изу­ чены вопросы увлажнения газовой среды под колпаком (вследствие дегазации сухой кладки) в зависимости от огнеупорного материала, температуры, а также времени

S— поверхность, см2 ;

Ъ—толщина кладки, см;

ными давлениями, если принять во внимание, что обе ве­ личины связаны между собой уравнением

Обозначив через wy суммарное количество газов, экс­ трагированных из единицы объема, а через К произведе­ ние коэффициентов диффузии и растворимости (коэффи-

280

циент проницаемости), получим выражение для времени дегазации.

В целях уменьшения времени т необходимо прежде всего снижать толщину кладки, повышать проницае­ мость .(выбирать материал с открытыми порами) и сни­ жать wy. Последнее зависит от времени контактирова­ ния открытой кладки с атмосферой цеха, температуры кладки, а также материала кладки (структуры пор).

Процесс дегазации кладки изучали непосредственно на промышленных колпаковых печах, а также на модели (рис. 91). Проверяли адсорбцию и десорбцию влаги на шамотном и корундовом легковесном огнеупоре. Процесс адсорбции на модели проводили при температуре цеха, пропуская через короб вентиляторный воздух в течение заданного времени. Затем через короб над поверхностью кирпича пропускали сухой защитный газ. Кратность об­ мена, отнесенная к сумме объема футеровки в модели, бы­ ла равна аналогичному параметру на промышленной пе-

281

чи. Десорбцию определяли при температурах, указанных на кривой рис. 92. Кривая 2 характеризует изменение влажности газовой среды в объеме короба для шамотно­ го легковеса, кривая 3— для корундового. В этом случае адсорбция влаги из воздуха продолжалась 7 ч.

На кривых 2 и 3 отчетливо видны три максимума: первый связан с повышением температуры до 450° С; второй — до 700° С, третий — до 800° С.

Уровень влажности при 700° С для шамотного легко-

возрастает до + 5 ° С и падает до —23° С через 12,5 ч. Та­ ким образом, каждой температуре соответствует свой максимум влажности, называемый в дальнейшем на­ чальной влажностью ("фо)- Уменьшение влажности от во времени происходит по экспоненте. Величина гр0, кро­ ме температуры, зависит и от материала кладки.

Количество адсорбированной влаги, отнесенное к еди­ нице объема кладки (wy), для шамотного легковеса рав­ но 330, а для корундового 46 см3 /дм3 .

282