Термическая обработка в машиностроении: Справочник

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Термическая обработка в машиностроении: Справочник

В современной технологии производства деталей машин и инструментов, деталей приборов и различных специальных устройств, а также в металлургии под контролируемыми атмосферами понимаются газовые среды, находящиеся во взаимодействии с металлами и сплавами в процессе их нагрева, выдержки при температурах нагрева и охлаждении при различных режимах термической и любой другой тепловой обработки.
...
Г. Насыщение поверхностного слоя металлов и сплавов различными элементами из газовой фазы (например, азотирование, борирование и др.).
...
Конечный результат взаимодействия газов с металлами и сплавами определяется явлениями, протекающими во внешней среде — в газовой фазе; на поверхности раздела фаз — газовой и твердой и в объеме металла или сплава— твердой фазе. Закономерным является изучение и анализ результатов взаимодействия во взаимосвязи всех трех явлений.
...
В зависимости от характера химического взаимодействия с металлами и сплавами контролируемые атмосферы 1 подразделяют на три группы: 1) инертные газы; 2) неравновесные атмосферы — «агрессивные» газовые среды; 3) равновесные атмосферы.
...
К настоящему времени свободная энтальпия образования окислов известна для всех чистых элементов и приводится в многочисленных справочниках,
...
Равновесные атмосферы — газовые среды, имеющие в своем составе газы противоположного направления их химического взаимодействия с металлами и сплавами. Атмосферы являются равновесными при определенной температуре; отклонение от указанной температурь! приводит к превалирующему тому или иному направлению реакции.
...
защитные (восстановительные) от окисления и обезуглероживания, для светлого отжига и нормализации, светлой закалки, пайки, восстановления порошков, спекания;
...
специальные, например, для азотирования, борирования, хромирования и других процессов химико-термической обработки металлов и сплавов.1
...
Защитные атмосферы. Физико-химическая сущность процессов взаимодействия контролируемых атмосфер с металлами и сплавами — конечный результат взаимодействия — определяется в основном термодинамическими и только частично кинетическими закономерностями.
...
При выборе состава контролируемых атмосфер определяющим является создание таких условий взаимодействия газов, при которых термодинамически возможен, например, только процесс восстановления окислов. Задача, таким образом, сводится к определению равновесного состава контролируемых атмосфер в зависимости от температуры, нахождению условий окисления или восстановления окислов.
...
Решение указанной задачи выполняется путем определения термодинамической функции — свободной энтальпии (энергии Гиббса) Лб^., Дж/моль Оа [Дж/(г.-атом)], постоянной равновесия реакций взаимодействия Кр
...
Наиболее возможное состояние системы, как было указано ранее, определяется минимальным значением величины свободной энтальпии. С уменьшением свободной энтальпии (с увеличением ее отрицательного значения), что равнозначно увеличению постоянной равновесия, повышается возможность образования окислов.
...
По диаграммам равновесия, построенным в координатах Л<3£—Т или для конкретной системы в координатах ^ К — Т'1 (табл. 2) (рис. 3),
...
Таблица 2. Уравнения * для определения постоянной равновесия реакций г.заимодействкя газовых атмосфер
...
Однако следует заметить, что все указанные данные относятся к предельно-максимальному значению окислительного потенциала атмосферы, т. е. к случаю, когда в любом исследуемом интервале температур реакции взаимодействия с кислородом и реакции (1), (2) протекают только в направлении окисления.
...
Определяющим условием роста окпсиой пленки для данного состава атмосферы являются величина к, полученная из эксперимента, и потенциал окисления (Н20)-рНг0 и (С02) - рСОа.
...
Закономерности взаимодействия равновесных контролируемых атмосфер в процессах окисления и восстановления окислов металлов и сплавов. Установлены четыре закономерности их взаимодействия.
...
Первая закономерность. По отношению к постоянной равновесия железа элементы подразделяют на две группы. К первой группе относятся АУ, Мо, Со, Си,: 1\П, постоянная равновесия которых меньше постоянной равновесия железа. Регулирование состава контролируемой атмосферы для нагрева стали, легированной указанными элементами, производится по значению постоянной равновесия для железа.
...
Ко второй группе относятся Сг, Мп, Б!, V, 2г, А1, Т1 и др., постоянная которых больше постоянной равновесия железа. Регулирование состава контролируемых атмосфер для нагрева стали, легированной указанными элементам^ должно проводиться по максимальному значению постоянной равновесия с учетом содержания легирующего элемента в стали или сплаве.
...
Так, например, для наиболее широко применяемых хромистой и хромонике-левой сталей (типа Х13, Х18Н10, иихрома) элементом, определяющим условия
...
нижается. Для данного состава атмосферы окисление происходит при температуре выше равновесной, а восстановление окислов, наоборот, — при низких температурах.
...
Атмосферы Н2—Н20 и СО—С02 имеют противоположный характер взаимодействия с железом (вольфрамом и молибденом): так, атмосфера Н2—Н20, при определенном значении постоянной равновесия, является окислительной при низких температурах и восстановительной при высоких, тогда как атмосфера СО—С02 — наоборот, является восстановительной при низких температурах и окислительной при высоких.
...
Третья закономерность — взаимодействие контролируемых атмосфер различных типов с металлами (или сталью и сплавами) — зависит от температуры применения.
...
Четвертая закономерность. Указанная закономерность взаимодействия контролируемых атмосфер с металлами (сплавами или сталью) вытекает из совместного анализа термодинамических и кинетических особенностей процессов окисления и восстановления окислов.
...
В области окисления (для элементов второй группы см. третью закономерность) при температуре ниже равновесной существует максимум скорости окисления, как результат противоположных изменений термодинамического потенциала и скорости окисления в зависимости от температуры. Эта закономерность подтверждена экспериментально.
...
При температуре равновесия термодинамический потенциал и скорость окисления равны нулю; с понижением температуры увеличивается термодинамическая возможность окисления (понижается значение свободной энтальпии, повышается постоянная равновесия) — металл находится в условиях окисления; скорость же реакции окисления от нулевого значения при температуре равновесия увеличивается до определенного значения, а затем постепенно уменьшается с понижением температуры, стремясь к минимальному значению. Отсюда и появляется максимум скорости окисления при температуре, близкой к равновесной. При температурах выше равновесной металл находится в условиях восстановления окислов; в этом случае с повышением температуры увеличивается термодинамическая возможность, а также скорость восстановления окислов, резко ускоряется процесс восстановления окислов.
...
Так происходит при взаимодействии атмосфер Н2—Н20 и СО—СОа с элементами Мп, Сг, 5', 2г, Т\ и атмосферы Н2—Н20 с V/, Мо и Ре.
...
При взаимодействии атмосфер Н2—Н20 и СО—С02 с металлами Си, Ш, Со, Ие и атмосферы СО—С02 с XV, Мо и Ре при температуре ниже равновесной проявляется максимум скорости восстановления окислов.
...
Нагрев в вакууме. По условиям возможности достижения температуры диссоциации окислов в твердом состоянии элементы подразделяют на три группы:
...
Рис. 8, Кинетические кривые процесса окисления стали 12Х18Н9 в атмосфере Н2 — НаО,* подтверждающие наличие максимума окисления вблизи температуры равновесия
...
При нагреве в вакууме металлов и сплавов происходит их испарение (сублимация), интенсивность которого зависит от скрытой теплоты. Температурная зависимость давления пара (рис. 9) выражается обычно уравнением типа \ШРа = А + ВТ^ + СТ -\-D\gT.
...
Рис. 8, Кинетические кривые процесса окисления стали 12Х18Н9 в атмосфере Н₂ — Н_аО,* подтверждающие наличие максимума окисления вблизи температуры равновесия
...
По уменьшению скорости испарения при данной температуре элементы можно распределить в следующий ряд: Мп—Ад—А1—Со—Си—51—Сг—Ре— N1
...
Химико-термическая обработка — процесс термической обработки металлов и сплавов с поверхностным насыщением различными элементами в атомарном состоянии.
...
Всякий процесс химико-термической обработки представляет собой совокупность взаимодействия явлений как звеньев единого процесса, происходящих во внешней среде, на поверхности раздела внешняя среда — твердое тело и в объеме последнего.
...
Анализ процесса химико-термической обработки поэтому должен производиться с учетом указанной совокупности взаимодействия всех явлений.
...
Все указанные закономерности в одинаковой степени относятся и к взаимодействию атмосфер трех систем с другими металлами, с учетом возможности образования твердых растворов углерода и карбидов.
...
Процесс науглероживания металлов с предельно малой растворимостью углерода носит название карбидирование, например карбидирование вольфрама,, молибдена и др.
...
На рис. 11 приведены значения свободной энтальпии изобарного термодинамического потенциала AG°98 образования карбидов металлов в зависимости от их положения в периодической системе Менделеева.
...
Четвертая область у + а — область равновесия атмосферы с углеродом в твердом растворе сс-железа (ферритом), расположенная выше 723° С, левее линии О—§ диаграммы Ре—Ре8С.
...
На диаграммах равновесия справа приведены шкалы для определения равновесного содержания одного из компонентов газовой смеси, участвующего в реакции и определяющего сущность самого процесса с учетом суммы парциальных давлений, участвующих в реакции газов.
...
Из поиведенных диаграмм равновесия наибольшее практическое значение имеет диаграмма системы СО—Н20—Н2—С применительно к использованию эндотермической атмосферы. При этом надо иметь в виду, что указанные диаграммы являются теоретическими и построены для равновесных систем (аналогично диаграмме Ре—Ре3С или Ре—С). Многие заграничные фирмы в зависимости от применяемого оборудования используют свои диаграммы равновесия (рис. 13),
...
При возможности протекания реакции водяного газа в атмосфере СО—Н2— Н20 регулирование состава атмосферы может производиться не только по содержанию Н20 и по значению С02. Примером может служить диаграмма, приведенная на рис. 13, б.
...
Закономерности взаимодействия газового карбюризатора со сталью. Анализ реакций и диаграмм состояния позволяет установить закономерности взаимодействия газовых атмосфер СО—С02, СО—Н2—Н20 и СН4—Н2 с углеродом в твер-
...
Первая закономерность. Конечный результат процесса науглероживания или обезуглероживания стали (концентрация углерода по глубине и глубина слоя) определяется не только значением постоянной равновесия реакций (4г)— (6г), протекающих во внешней среде, но главным образом реакциями (4)—(6) с учетом активности углерода ас (или коэффициента активности ус = ас/Ыс) в твердом растворе ■— аустените.
...
Активность углерода в аустените уменьшается с повышением температуры (аустенит не является совершенным твердым раствором, он имеет положительное отступление от закона Рауля).
...
Активность углерода в аустените, полученная Смитом экспериментальным путем, использована автором при построении вышеуказанных диаграмм равновесия для атмосфер систем СО—С02, СО—Н2—Н20 и СН4—Н2.
...
а атмосфера СН4—Н2 — противоположны» указанным двум. Так, например, при постоянном значении постоянной равновесия атмосферы СО—С02 и СО—Н2—Н20 являются науглероживающими при низких температурах, а атмосфера СН4—Н2 — наоборот, является науглероживающей при высокой температуре.
...
Атмосферы СО—С02, СО—На—Н20 аналогичны по характеру взаимодействия со сталью при различных температурах. Для этих атмосфер науглероживание стали происходит при значении постоянной равновесия выше значения, соответствующего равновесному при данной температуре, а для атмосферы СН4— Н2 — наоборот, ниже этого значения.
...
В первом случае науглероживающий потенциал атмосферы увеличивается с понижением температуры и с повышением значения постоянной равновесия, а во втором случае науглероживающий потенциал увеличивается с повышением температуры и с понижением значения постоянной равновесия.
...
Отсюда вытекает, что наиболее рациональным газовым карбюризатором является смесь газов двух систем: СО—СО.г и СН4—Н2 (при ограниченном содержании метана), удовлетворяющих условиям теплового графика процесса наугле-
...
Третья закономерность. Количество углерода, выделяющееся в результате протекания реакций до конца при данной температуре, для метана во много раз больше, чем для окиси углерода:
...
Рис. 13. Диаграмма равновесия эндотермической атмосферы с углеродом С^_р_е (фирма Бирлек, Англия):
...
Для атмосферы СН4—Н2, наоборот, образование максимума скорости процесса относится к области обезуглероживания, т. е. к области понижения температур от равновесной. Практически скорость протекания реакции (6) справа налево очень мала даже в условиях, далеких от равновесного состояния (высокие значения Кр 6).
...
как это было указано ранее, процесс науглероживания стали затормаживается из-за выделения большого количества молекулярного углерода (сажи). Указанная четвертая закономерность иллюстрируется схемой рис. 16.
...
Исходя из условий химического взаимодействия газов с металлами и сплавами по вышеуказанным реакциям, протекающим отдельно или совместно, равновесные контролируемые атмосферы подразделяют на несколько типов. I. Водород—водяной пар—азот. 1а. Водород—метан—водяной пар—азот. П. Водород—водяной пар—окись углерода—азот. Па. Водород—водяной пар—окись углерода—метан—азот. Ш. Окись углерода—двуокись углерода—азот.
...
Рис. 16. Кривые, характеризующие кинетические закономерности науглероживания
...

Цементация стали
Зварювальні матеріали
Контактная сварка
Термическая обработка в машиностроении: Справочник
Металлургия черных металлов

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Термическая обработка в машиностроении: Справочник