1.2.Химическое действие на сталь нагревающей среды.

В боль­шинстве случаев нагрев изделий осуществляется в печах с газо­вой средой. Составляющие газовой среды могут оказывать на сталь раз­личное воздействие:

а) окисляющее [О₂, СО₂, Н₂О (пар)];

б) восстанавливающее (СО, Н₂, СН4);

в) обезуглероживающее (О₂, Н₂, СО₂, Н₂О);

г) науглероживающее (СО, СН₄);

д) ней­тральное (N2, инертные газы, вакуум).

Окисление с образованием окалины Fе₂Оз на поверхности детали препятствует получению высокой и равномерной твердости при закалке, приводит к изменению размеров изделий, требует увеличения допусков на механическую обработку и введения трудоемких и вредных операций очистки. Наиболее ти­пичные реакции окисления стали:

Н₂О+Fе = FеО+Н₂ (1)

СО₂+Fе = FеО+СО. (2)

Направление хода этих реакций определяется отношением парциального давления газов-окислителей к парциальному давлению газов-восстановителей. Это отношение называется константой равновесия (К). Для реакций (1) и (2):

К₍₁₎=P_H2O\P_H2; K₍₂₎=P_CO2\P_CO

Равновесие реакции (1) и (2) имеет место при минимальном значении термодинамического потенциала G. Между К и G существует зависимость

LgK= ΔG\4,575T.

При К>К₁ или К>К₂ наблюдается окисление стали.

На рис. 19 приведены теоретические кривые равновесия реакций (1) и (2) в зависимости от температуры.

а) б)

Рис 13. Теоретическая кривая равновесия реакции окисления железа углекислым газом (а) и водяным паром (б): I – область окисления, II – область восстановления.

По данным графиков, представленных на рис. 13, установлено, что для большинства конструкционных сталей при нагреве до t ≈ 1000°С среда является окислительной, когда CO₂\CO≥0,4 H₂O\H₂≥0,7. Необходимо контролировать состав нагревательной среды. На практике могут возникнуть подобные задачи:

Задача № 1. Углеродистая сталь подвергалась нагреву при t=700 °С

в газовой среде, имеющей P_CO2\P_CO=0,5. Будет ли достигнута защита металла от окисления?

Задача № 2. В качестве защитной среды для малоуглеродистой лис­товой стали с 0,05% С при 950 °С использовался газ, для которого P2 CO2\PCO2=20. Листы после отжига не имели окалины, однако при холодной штамповке у выштамповок обнаружился массо­вый брак по трещинам. В чем причина брака?

Для предотвращения окисления можно использовать газо­вые смеси, в которых отношение окисляющих компонентов к газам-восстановителям при данной температуре может изме­няться в широких пределах. Важно только, чтобы значения К были меньше значений К₁ и К₂, рис. 13.

Весьма большее значение имеет изменение содержания угле­рода в поверхностных слоях при нагреве стали. Обезуглероживание (выгорание углерода в поверхностном слое металла) способствует появлению мягких участков при за­калке и возникновению растягивающих напряжений в поверх­ностном слое, резко снижающих усталостную прочность дета­лей.

Ниже приводится несколько типичных реакций обезуглеро­живания

2Н₂+Fе₄(С) = Fе+СН₄, (1)

Н₂О+Fе₃С = Н₂+СО+ЗFе, (2)

СО₂+Fе₃С = 2СО+ЗFе. (3)

На рис. 14 представлены теоретические кривые равновесия реакции обезуглероживания углекислым газом и водородом.

Если подбор (и регулирование) газовой среды, предотвра­щающей окисление, не представляет значительных трудностей, то значительно сложнее обстоит дело с подбором и регулирова­нием состава атмосфер, предназначенных для предотвращения обезуглероживания или же нежелательного науглероживания. Константы равновесия при заданной тем­пературе имеют точные значения, определяемые диа­граммой равновесия (рис. 14).

Так, согласно рис. 14, уменьшение содержания углерода в стали с 0,4% С при 1000 °С будет предотвращено только когда K₁=P²_CO2\P_CO2=27 и K₂=P²_H2\P_CH4=400 При отклонении от этих значений сталь будет обезуглероживаться или науглероживаться.

а) б)

Рис.14. Теоретические кривые равновесия реакции обезуглероживания стали углекислым газом (а) и водородом (б): I –область науглероживания; II – область обезуглероживания.

Для борьбы с окислением и обезуглероживанием в условиях массового производства широко используются специальные конт­ролируемые атмосферы, получаемые путем сжигания углеводо­родных газов с различными коэффициентами избытка воздуха в пределах от 0,25 до 0,95.

В таблице 5 приведены данные о некоторых наиболее распро­страненных контролируемых атмосферах.

Таблица 5.

Характеристики печной атмосферы.

Тип атмосферы	Условное обознач. атмосферы	Состав в объёмных процентах					Точка росы*, °С	Коэф. избытка воздуха
		CO	CO2	H2	CH4	N2
Экзотермическая (экзогаз)	ПС-09 ПС-06 ПСО-06	1,0 8-15 10	10 4-6 0,1	1,0 10-20 16	- 1-2 1,5	88 52-77 72,4	+20 +20 -40	0,9-1,0 0,5-0,6 0,5-0,6
Эндотермическая (эндогаз)	КГ-ВО	18-24	до 1,0	32-40	до 1,5	38-44	+-20	0,25-0,27

*По точке росы определяется количество воды в атмосфере воды.

Экзотермическая атмосфера используется для борьбы с окислением поверхности, однако от обезуглероживания сталей, содержащих более 0,2% углерода, эта атмосфера не предо­храняет. Для борьбы с обезуглероживанием применяется эндо­термическая атмосфера. Как было отмечено выше, состав этой атмосферы должен регулироваться весьма точно. Для этого используется автоматическое регулирование количества паров воды в атмосфере, определяемое по точке росы, или содержание СО₂.

Эндотермическая атмосфера применяется не только для за­щиты металла от обезуглероживания и окисления, но и для проведения химико-термической обработки стали в газовой среде.