CC BY
37
Механика и машиностроение
УДК 621.19
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА
© 2011 Ю.Г. Гуревич, В.Е. Овсянников, В.А. Фролов
ГОУ ВПО Курганский государственный университет
Поступила в редакцию 10.11.2011
Известно, что поверхность железа обладает каталитическим действием, что может способствовать диссоциации молекул на поверхности чугуна. Если на поверхности сплава будет происходить диссоциация молекулы оксида железа (FeO), то атомы будут адсорбироваться и диффундировать вглубь железоуг-леродистого сплава. При этом, кислород будет окислять углерод, марганец и кремний основы чугуна, превращая тем самым чугун в сталь.
Целью данной работы является теоретическое обоснование возможности реализации новой технологии поверхностного упрочнения деталей из серого чугуна посредством окисления элементов основы серого чугуна.
Для того, чтобы оценить вероятность окисления элементов основы серого чугуна железной окалиной необходимо произвести термодинамический анализ систем [Fe - Si]T - FeOT - SiO2T , [Fe - Mn]T - FeOT -MnOT - 02Г и [Fe - C] - FeO - Fe - (CO-CO2)r. Индекс т - твердая фаза, г - газообразная.
1. Система [Fe - Si]T - FeOT- SiO2T.
При температурах 1173-1373 К в системе [Fe -Si]n - FeOT - SiO2T могут существовать твердый раствор, оксид железа и оксид кремния [3]. В системе 3 компонента и 3 фазы. В соответствии с правилом фаз Гиббса (=К-Ф + 2^ при постоянном давлении (P = const) система моновариантная, т.е. имеет одну степень свободы.
В системе протекает реакция:
|>7 _^.е + 2FeOT = Si02T + 2 \'е х
кх= —
а,,
(2)
(1)
Здесь и далее в скобках указаны твердые растворы, без скобок - чистые компоненты, индекс Т -«твердый», Г - «газ».
Температурную зависимость константы равновесия К2.1 находили по закону Гесса комбинированием известных термодинамических данных:
|>7 х + 02Т = Si02 lg К3 =47108 ,2Г-1 -8,923 2 \е х + ^2г = 2FeOT 2 lg К5 = 27480 Г-1 - 6,606 (6)
(3)
(4)
(5)
Поскольку (1) = (3) - (5), имеем:
lg Кх =19628 ,2Тл -2,317
(7)
Используя рекомендованный в работе [4] коэффициент активности кремния в твердом растворе
[Fe - 57] при 1273-1373 К / = 1,0x10 4 рассчитали параметры равновесия системы [Fe - Si]T - FeOT -SiO2T [2] (таблица 1):
Таблица 1. Константы равновесия системы [Fe - Si]T - FeOT - SiO2T
Т, К №.1 К2.1 aSi XSi
1273 13,201 1013,20 10-13,20 10-9,20
1323 12,619 Q 12,62 0-12,62 10-8,62
1373 12,078 Q 12,08 ^ 0-12,08 10-8,08
Приведенные данные свидетельствуют о том, что кремний чугуна полностью окисляется закисью железа при температурах 1273-1373 К.
2. Система^ - Mn]T - FeOT - MnOT - O2r.
При температурах 1273-1373 К в трехкомпонентной трехфазной моновариантной системе [Fe - Мп\т - FeOT - МпОт С = К - Ф +1^ при Р= const могут
существовать только оксиды железа (FeO)T и (MnO)T [2]. В [3,4] сделан вывод, что сплавы марганца с железом близки к совершенным и при указанных температурах активность компонентов равна
1021
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
концентрациям, а МпО образует с FeO непрерывный ряд твердых растворов (FeO - MnO)T.
В этой системе протекают следующие реакции:
^еО^ + \in
JLFe \в X
g _ aMnOXFe
(8)
(9)
XMnaFeO
Температурную зависимость константы равновесия К8 находили по закону Гесса комбинированием известных термодинамических данных [1]:
lg aFeO lg aMnO
= lgx,.,o + 0,597' 1 x <-x
FeO_
= ^х,ип() + {\59Г xi~x
uMnO _
(15)
(16)
Причем:
4Ре+ХМпУ1
€ +x У l
^FeO т лМпО > 1
(17)
(18)
Для определения состава оксидного раствора решили совместно уравнения (14) с (17) и (18):
\lrF^ + — 02Т = 44пО
2
\%К1() =20109 ,ЗГ-1 -3,849
М + ^02 г = C’eOj
lg Kl2 = 13740 T~l -3,353
(10)
(11)
(12)
(13)
Поскольку (9)=(10)-(12), температур-ная зависимость lg 8:
lg Ks = 6369 ,ЗГ-1 -0,496
(14)
Активности (FeO)T и (MnO)T определены из следующих уравнений [1]:
аМпО ^ а
MnO
xlg KSX
x„
1-х
Mn
(19)
Задаваясь составом металлического раствора, определяли состав равновесного оксидного раствора. Результаты расчета показывают, что состав оксидного раствора практически не зависит от состава сплава. При содержании марганца в растворе менее 1,0 % оксидная фаза содержит более 99 % MnO. Таким образом марганец, как и кремний практически полностью окисляется закисью железа при температурах 1273-1373 К, предохраняя от окисления углерод [6,7].
Результаты расчета приведены в табл. 2.
Таблица 2. Параметры равновесия системы [Fe - Mn]T - FeOT -MnOT
Т, К хМп хЕе aMnO ^О XMnO XFeO
1273 0,0100 0,9900 0,9990 0,0029 0,9990 0,0010
0,1000 0,9000 0,9999 0,0003 0,9999 0,0001
1373 0,0100 0,9900 0,9970 0,0080 0,9970 0,0030
0,1000 0,9000 0,9998 0,0005 0,9998 0,0002
3. Система [Fe - C]T - FeOT - FeT - (CO+CO^f
P + P =1
1 со ' 1 co7 1
(24)
При температурах 1273-1373 К в трехкомпонентной трехфазной нонвариантной системе [Fe - С]т -FeOT - FeT - (СО+С02)г С =К-Ф + 1^ при Т = const С = 0 могут протекать реакции [8]:
FeOT + Y х = Vе х + СОт
р
ТУ — со
Л,„ — ----
аг
1Х+С02Г=2С0Г
р2
V _ 1 СО
—-----
а,, Р,
Кроме этого, при P = 1 атм:
(20)
(21)
(22)
(23)
Решая совместно уравнения (2.21) и (2.23) получаем:
К х Р
ту JV20 Л 1 СО
ЛЛ
P
CO2
С учетом (26):
р + р = 1
1 со т 1 со* 1
(25)
(26)
Температурная зависимость конс-танты равновесия К22 равна [1]:
lg К22 = -8615,3Т1 + 8,911 (27)
2
1022
Механика и машиностроение
Температурную зависимость константы равновесия К20 находили по закону Гесса комбинированием известных термодинамических данных [1,8]:
FcOj + Н2y — X HjOy
lg К2% =-636,1Г-1 +0,380
\:~+н2оТ=н2Г+сог
-1
lg^30 =-7121,ЗГ'1 +7,469
(28)
(29)
(30)
(31)
Суммируя температурную зави-симость констант равновесия К28 и К30 получаем температурную зависимость константы равновесия К20:
lg К20 = -7757,4Г"1 + 7,849 (32)
По приведенным уравнениям были рассчитаны параметры равновесия системы, [Fe - C] - FeO - Fe -(CO-CO2)r, Рсо, Рсо и активность углерода по
(21). Для определения мольной доли углерода воспользовались уравнением [1]:
xr
, 2105 Л 317
lgac =---------0,6735 н-----х——
"" Т \ — х г
T
lg
x
1-5х^
VC -1 -'■"С
Ниже, в табл. 3 приведены все параметры равновесия системы [Fe - C] - FeO - Fe - (CO-CO2)r:
Таблица 3. Параметры равновесия системы [Fe - C] - FeO - Fe - (CO-CO2)r
Т, К P 1 СО P 1 СО 2 аС хс С,%
1173 0,71 0,29 0,013 0,052 0,16
1373 0,73 0,27 0,005 0,003 0,06
Полученные данные были проверены экспериментально. Порошки окалины и серого чугуна СЧ20 с размерами частиц 8СР <0,06311 в течение 15
мин смешивались в шаровой мельнице, помещались
в контейнер и нагревались до температур 1173-1373 К. Содержание углерода в сплаве после выдержки 4 и 8 часов приведены в табл. 4:
Таблица 4. Содержание углерода, марганца, кремния в сплаве
Т, К т, ч C,% Mn,% Si,%
1173 8 0,137 0,18 1,9
1273 4 0,100 - -
1273 8 0,022 0,12 1,5
1373 4 0,015 - -
1373 8 0,014 0,12 1,4
Как следует из приведенного расчета, кремний, марганец и углерод могут практически полностью окисляться окалиной и превращать чугун в сталь. Однако протекание реального процесса зависит не только от термодинамической возможности, оно зависит еще от скорости его протекания, которая в данном случае определяется скоростью диффузии.
Механизм процесса состоит в том, что диффундирующий вглубь кислород окисляет диффундирующие ему навстречу марганец, кремний и углерод.
Поскольку коэффициент диффузии углерода гораздо больший, чем у марганца и кремния, он должен окисляться, прежде всего. Эксперименты показали, что содержание углерода после окисления соизмеримо с равновесным, а содержание марганца и кремния гораздо больше равновесного.
Для определения химического состава диффузионного слоя из чугуна СЧ20 были изготовлены цилиндрические втулки с толщиной стенки 1,6 мм и 1,2 мм (рис. 1).
Рис. 1. Образцы для химического анализа
Втулки окислялись снаружи и внутри окалиной при температуре 1373 и 1273К и выдерживались при этой температуре 4 и 8 ч. Микроструктура поперечного сечения втулок оказалась перлитной, что свидетельствовало о полном окислении поперечного сечения образца. Образцы подвергались химическому анализу традиционными методами. Результаты анализа втулок представлены в табл. 5.
1023
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
Таблица 5. Химический состав диффузионного слоя после взаимодействия окалины c основой ферритоперлитного серого чугуна
Т, К т, ч Содержание, %
C Mn Si
1273 4 0,49 1,10 2,16
8 0,18 0,90 2,36
1373 4 0,28 0,90 2,30
8 0,15 0,82 2,32
Как можно видеть из табл. 5 количество углерода в поверхностном слое соответствует стали. Дальнейшие исследования показали, что имеется возможность повышения твердости модифицированного слоя посредством закалки в 2-2.5 раза, что позволяет существенно повысить износостойкости деталей из феррито-перлитного серого чугуна.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Легирование железа через газовую хлоридную фазу / Ю.Г. Гуревич [и др.]. - Свердловск: Академия наук СССР. Уральское отделение, 1992. -190 с.
2. Фролов В.А. Термодинамика процесса окисления закисью железа кремния феррито-перлитного серого чугуна// Актуальные проблемы современной науки: материалы межрегиональной научно-практической конференции, посвященной Дню науки. -Курган: изд-во КГУ, 2010.-С.52.
3. Бурылев В.П. Термодинамические свойства твердых сплавов железа с углеродом, марганцем, хромом и нике-
лем. // Изв. вузов. Черная металлургия, 1966. №8. С . 915.
4. Любимов А.П. Исследования термодинамических свойств двойной системы марганец-железо в твердом состоянии /А.П. Любимов, А.А. Грановская, Л.Е. Беренштейн //Журнал физической химии, 1958. Т. 7. С.1532-1596.
5. Фролов В.А. Термодинамическая вероятность совместного окисления кремния и марганца серого чугуна окалиной / В.А. Фролов, П.А. Суханов, С.В. Шишкина //Сб. науч. трудов аспирантов и соискателей КГУ. Природа, техника, общество, культура. Вып. XII.-Курган: Изд-во, Курганского гос. ун-та, 2010. - С. 34-35.
6. Могутнов Б.М. Термодинамика железоуглеродистых сплавов / Б.М. Могутнов, И.А. Томилин, Л.А. Шварцман. - 2-е изд.- М.: Металлургия, 1964.- 247 с.
7. Фролов В.А. Термодинамика взаимодействия закиси железа с углеродом серого чугуна / В.А. Фролов, П.А. Суханов // Сб. науч. трудов аспирантов и соискателей КГУ. Природа, техника, общество, культура. Вып. XII.-Курган: Изд-во, Курганского гос. ун-та, 2009. - С. 19-20.
8. Kubaschewski O. The thermodynamk of the chromium system / О. Kubaschewski, G. Heymer // Acta Metal. 1960. V.8.№7. Р. 416-423.
THEORETICAL BASES OF TECHNOLOGY OF INCREASE OF WEAR RESISTANCE OF DETAILS FROM GREY PIG-IRON
© 2011 Y.G. Gurevich, V.E. Ovsyannikov, V.A. Frolov
Kurgan state university
1024
