Диффузия водорода в стали |
167 |
стали или в периферийных слоях заготовки в 2—3 раза. Кон центрация водорода в центре заготовки зависит от веса слитка,
марки стали и условий охлаждения слитка и заготовки. В табл. 43
приводятся данные о неравномерном распределении водорода в заготовках мартеновской и электростали в зависимости от режи
ма охлаждения слитков, |
из которых получали заготовки. |
||||
|
|
|
|
Таблица 43 |
|
|
Распределение |
водорода в катаных заготовках |
|
|
|
|
(сечением 100 X 100 мм) |
|
|
|
|
|
|
|
Содержание водорода |
||
|
|
|
|
%-10‘ |
|
Сталь |
Режим охлаждения слитка |
в центре |
в поверхност |
||
|
|
|
|||
|
|
|
заготовки |
ном слое |
|
Мартенов |
На воздухе после разливки............... |
18,7 |
|
3,3 |
|
ская |
На воздухе после нагрева в колодце |
9 7 |
|
1,1 |
|
|
На воздухе после разливки............... |
17,6 |
|
2.2 |
|
|
В воде после нагрева в колодце . . |
3,4 |
|
2,6 |
|
Электро |
В воде после разливки ....................... |
3,8 |
2,15 |
||
сталь |
На воздухе после разливки .... |
4 0 |
0,9 |
||
|
В воде после разливки* ................... |
3.3 |
2,4 |
||
|
В песке после разливки ................... |
5,0 |
|
1,4 |
|
♦Сечение заготовки 125X125 мм. |
|
|
|
||
Из данных табл. 43 следует, что чем интенсивнее охлажде |
|||||
ние слитков, тем меньше неравномерность распределения |
водо |
||||
рода в заготовках. В слитках, охлажденных |
на воздухе |
или в |
|||
песке, содержание водорода в центре в несколько раз больше, чем на поверхности. В слитках, охлажденных в воде, содержа ние водорода в центре только на 40% больше, чем на поверхно сти. Перераспределение водорода между серединными и пери ферийными слоями заготовок происходит вследствие способно сти водорода диффундировать в металле.
ДИФФУЗИЯ ВОДОРОДА В СТАЛИ
Водород диффундирует в стали в виде протона, который лег ко проникает сквозь кристаллическую решетку металла вслед ствие своего очень малого размера. Ионный радиус протона ра
вен 0,3 А. Этим обстоятельством объясняется относительно боль шая скорость диффузии водорода в железе и стали по сравнению
с другими элементами. Диффузия водорода в твердом металле
168 Дегазация стали
происходит сквозь кристаллические зерна, а не по их границам; этим объясняется отсутствие зависимости скорости диффузии водорода от крупности зерна вторичной ■кристаллизации.
Скорость диффузии водорода зависит от кристаллического строения металла, его химического состава и температуры.
Коэффициент диффузии водорода в железе выражается сле дующими уравнениями [100]:
|
|
|
_ |
2300 |
|
|
в |
a-железе D„ . , = 0,76 -10-з -а |
1 |
,99T |
|
|
|
Н (а) |
_ |
|
6000 |
|
|
|
|
||
|
в |
у-железе ОН( } = 1,5 • |
10~2 -е |
1 |
’99Г |
Численные значения коэффициентов диффузии водорода в |
|||||
железе |
(слг2/сек) при различной |
температуре приведены в |
|||
табл. 44. |
Для сопоставления в табл. |
44 приведены также числен |
|||
ные значения коэффициентов диффузии азота и углерода в чис том железе. Скорость диффузии водорода в железе во много раз больше скорости диффузии углерода и азота.
Таблица 4
Коэффициенты диффузии водорода, азота и углерода в железе
Температура |
Водород |
Азот |
Углерод |
=с' |
CM2tceK |
смг!сек. |
см,\сек |
20 |
0,15-Ю"4 |
8,8-10—17 |
2,0-10~17 |
100 |
0,35-10~4 |
8,3-Ю-14 |
з.з-ю-14 |
300 |
1,0-10"4 |
5,3-10—10В* |
4,3-Ю"10 |
500 |
1,7-10"4 |
3,6-ю-8 |
4,1 • 10—8 |
700 |
2,3-10"4 |
4,4-10~7 |
6,1-Ю"7 |
950(a) |
2,9-10-4 |
2,3-10"6 |
3,6-ю-6 |
950(7) |
1,1-10“4 |
0,65-10"7 |
1,3-10~7 |
1500(7) |
4,0-10~4 |
— |
— |
1500(8) |
5,0-Ю"4 |
— |
— |
В гранецентрированной кубической решетке (у-железо) ско рость диффузии водорода, а также азота и углерода меньше, чем в объемноцентрированной кубической решетке (a-железо). Это обстоятельство имеет важное значение при выборе температуры термической обработки проката и поковок с целью удаления во дорода (водородный отжиг). С повышением температуры ско
рость диффузии водорода в железе увеличивается, если при этом не происходит структурных превращений в металле.
Диффузия: водорода в стали |
169 |
Отношение коэффициентов диффузии водорода, азота и угле
рода в а- и у-железе при 950° |
^950(а) |
|
равны соответственно 2,8; |
||
50; |
40. |
°950(Т) |
|
||
Температура, °C
Рис. 83. Кривые изменения коэффициента диффу зии водорода в твердом железе и в сплавах же леза с кремнием, никелем и хромом:
1 — Fe а |
чистое; 2 — Fea+1.06% Si; |
3 — Fea |
+ 1,85% Si, |
|
4 — Fea |
+3.11% |
Si; 5 — Fea |
+ 4,33% |
Si; 6 — Fea+ |
+ 27,45% Si; 7 — Fe |
чистое; 8 — Fe |
+ 18% Cr и 8,9% Ni |
||
Добавление к железу различных примесей изменяет скорость диффузии водорода. На рис. 83 приведены кривые изменения ко эффициента водорода в твердом железе и сплавах железа с крем нием и железа с хромом и никелем в зависимости от темпёрату-
17(> |
Дегазация стали |
ры, кристаллической структуры и степени легированности спла вов [101]. Из этих данных следует, что коэффициент диффузии водорода для сплава железа с 4,3% Si с изменением температу ры меняется согласно уравнению:
DH(a) = 1,15 • 10~2-е ;
для сплава железа с 18% Сг и 8,9% N1 аналогично
лс 1 л—2 |
_ 13450 |
л 1,99Т |
|
Он (т) =2,6.1° |
-е |
С повышением содержания углерода в железоуглеродистых
сплавах коэффициент диффузии водорода, по данным Чуйко [102], уменьшается. По данным Балезина и Соловьева [103], ко эффициент диффузии водорода через пластины листовой стали при травлении поверхности металла кислотой возрастает с по вышением содержания углерода до 0,9 % > а затем вновь снижа
ется. Это объясняется тем, что пропорционально увеличению со
держания углерода в стали увеличивается количество перлита в структуре, что облегчает диффузию водорода. С возрастанием
содержания углерода выше 0,9% в заэвтектоидной стали появля ется структурно свободный цементит, замедляющий, по-видимо му, диффузию водорода.
Надежных' экспериментальных значений коэффициента диф фузии водорода в жидкой стали нет; ориентировочно можно при нять 0,025 см21сек. [5].
Приведенные значения коэффициентов диффузии могут быть использованы при подборе режимов термической обработки ста ли с целью удаления водорода. Известно, что водород выделяет ся из стали даже при комнатной температуре, но этот процесс протекает очень медленно. На практике, как указывалось выше, применяют отжиг при 650—680° или замедленное охлаждение изделий в неотапливаемых колодцах. Для того чтобы флокены не
образовывались, содержание водорода в стали должно быть,
меньше 2—3 лл/ЮО г. Обычно содержание водорода в стали со
ставляет 6—7 jo/100 г. Для снижения содержания водорода до безопасных пределов требуется определенное время.
Используя математический аппарат, применяющийся для расчетов нестационарного диффузионного процесса, можно с до статочной точностью определить время, необходимое для сниже ния содержания водорода до задаваемых пределов [100, 102]. При
одинаковых начальных и конечных содержаниях водорода время
термической обработки изделий (длительность диффузии водоро да) пропорционально квадрату поперечного размера заготовки. Замедленное охлаждение проката и поковок, применяемое на за
Диффузия водорода в стали |
171 |
водах, способствует значительному понижению содержания водо рода только в тонких сечениях (до 100 мм). Из заготовок боль
шего сечения (300—400 мм) удаление водорода происходит очень медленно и требует чрезвычайно длительного изотермического отжига. При изготовлении крупных поковок и отливок нужно стремиться понизить содержание водорода в стали до безопас ных пределов в процессе ее выплавки и разливки.
Для снижения содержания газов в различных сплавах и ста лях широко используют вакуум. Существуют разнообразные ти пы вакуумных печей для выплавки жидкого металла, а также несколько видов вакуумных камер и устройств для обработки
стали и сплавов после выплавки их в обычных плавильных агре
гатах. Описание вакуумных плавильных печей и вакуумных ка мер для обработки жидкого металла в ковшах можно найти в специальной литературе [104, 105, 106].
III. ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА СТАЛИ
Стали по химическому составу можно разделить на углеро
дистые и легированные. Сталь называют легированной, если в
ней заданным составом обусловлено содержание элементов, от сутствующих в обычной углеродистой стали, в значительных ко личествах или имеется повышенное против допускаемого в угле родистой стали содеражание кремния и марганца.
В состав обычной углеродистой стали входят следующие эле менты: С, Si, Мп, Al, S, Р, О, Н и N. Содержание углерода обу словливает марку и свойства углеродистой стали. Кремний, мар ганец и алюминий вводят в эту сталь в незначительных коли
чествах, главным образом для . ее раскисления. Марганец и кремний обеспечивают также заданные механические свойства стали. Остальные перечисленные элементы попадают в готовую сталь из шихтовых материалов или из печных газов и являются
вредными примесями. Кроме указанных элементов, в углеродис той стали всегда содержатся незначительные количества хрома,
никеля, меди и молибдена, вносимых шихтой. В углеродистой
стали, выплавленной на машиностроительных заводах или заво дах, производящих в большом количестве легированные стали,
содержание этих элементов выше.
Наиболее распространенными легирующими элементами яв ляются Сг, Мп, Ni, Si, W, Mo, V, Ti, Cu, Co, Al, B, Nb, Zr, N, As, S, P. В современной практике особенно часто сталь легируют
первыми восемью элементами. Ниже кратко излагается влияние различных элементов на свойства стали.
Углерод содержится в стали всех марок в количестве от 0,02 до 1,5%. С увеличением содержания углерода повышается твердость и прочность и понижается пластичность стали. Увели чение содержания углерода на каждую 0,1% в пределах до 0,85% С повышает предел текучести на 2,8 кг!мм?, предел проч
ности на 6,5 кг/мм2, снижает удлинение на 4,3% и сжатие попе
речного сечения на 7,3%. При увеличении содержания углерода сверх 0,85% его влияние на механические свойства стали прояв ляется в меныпей степени. Углерод увеличивает режущую спо