Термодинамический анализ взаимодействия хрома с углеродом чугуна

МЕТАЛЛУРГИЯ И СВАРКА

Ю.Г. Гуревич, В.В. Марфицин, В.А. Фролов Курганский государственный университет

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ХРОМА С УГЛЕРОДОМ ЧУГУНА

Известны композиционные материалы (КМ) состава карбид титана - чугун, применяемые для изготовления износостойких деталей. Такие материалы получают прессованием шихты, содержащей чугунный порошок, 20-50% порошкообразного карбида титана и в случае необходимости металлические порошки, улучшающие структуру металлической матрицы. Технология изготовления чугуна включает прессование, предварительное спекание, повторное прессование и окончательное спекание. Серьезными недостатками технологии получения карбидочу-гуна являются: повторное прессование и спекание, применение дорогостоящих металлических порошков и значительное отличие размеров прессовки от размеров готовой детали. По этим причинам описанный способ получения КМ широкого распространения не получил.

В связи с этим поставлена задача - получить карби-дочугун методом одноразового прессования и спекания, который значительно упрощает технологию получения КМ и позволяет сохранять размеры прессовки после спекания.

Для решения этой проблемы необходимо использовать дешевые отходы серого чугуна (стружку) и в процессе спекания обеспечить его превращение в белый.

Предварительный анализ показал, что растворение карбида титана в чугуне при температурах 1000-1100°С и образование карбида железа Ре3С маловероятны:

[С]+[Тг]Т = ТгС

AGT =-186507 +13,2\Т TiC + 3[Fe]T =[Ti] + Fe3C AGT =196852-23,35 Т

Для определения результата взаимодействия хрома с углеродом чугуна необходимо сделать термодинамический анализ системы Ре — Сг — С Как установлено в работе [1] при 1200-1400 К устойчив карбид Сг7С3.

В системе может реализовываться трехфазное равновесие:

[ре -Сг - С\ -Ре3С - Сг7С3.

Параметры равновесия рассчитывали с учетом реакций:

[<]„. =

ас

Активность углерода в нелегированном аустените определяли по следующему уравнению [1 ]:

lgac =

2105 Т

317

-0,6735 +-х "с +/g

Т (l - хс) I 1 - 5х,

Параметры равновесия представлены в табл. 1. Для расчета активности углерода в легированном хромом аустените использовали зависимость от температуры [2]:

Сг 21460

SC =6,2--—

.Сг

„Сг _

где рс -

2

параметр взаимодействия по Вагне-

ру первого порядка. Параметр взаимодействия второго порядка [3].

Таблица 1

Растворимость в железе

т,к хс С,%

1273 0,057 1,28

1323 0,061 1,37

1373 0,065 1,45

Использовав (8) с учетом параметров взаимодействия первого и второго порядка [3], получили активность углерода в легированном хромом аустените:

} 2105

lg ac = ——--0,6735 -

xr

Т

f

\

I -5х

2,303

317

Т

„С г

Сг'

С г

2,303

Задавая температуру и концентрацию хрома, определяли концентрацию углерода, равновесную с раствором

ре — — Результаты расчета сведены в табл. 2.

Таблица 2

Параметры двухфазного равновесия

РеъС - [Ре -Сг - С]

т,к хс С,% Сг Г Сг,%

1273 0,074 1,68 0,037 3,66

1323 0,086 1,98 0,055 5,50

1373 0,096 2,22 0,070 7,06

Для определения устойчивости существования карбида Сг7С3 с твердым раствором рассматривали реакцию его образования [1]:

7[СГ]+3[С] = СГ?С3

=-7^; =9105x7-'+1,3534.

Сг С

Согласно работам [2,4], активность хрома в растворе [ре = Сг — С] описывается уравнением:

44

ВЕСТНИК КГУ, 2008. №3

lgaCr =JgX,

Cr

4000 2J03RT

Q-*crY +

16000 (l V

+-:V-XCr) +

Cr

- xCr.

2,303RT4 7 2,303

Подставляя (9) и (12) в уравнение (11) и приняв

С Cr

Cr = Sc , получили:

16000

ig^io =-i

4000 ,

lg.r„--(1-

2.303ДГ

-(1-.Гс,.)3+ 2.303ÄT 2.303

-3

£_ I . "С

2105 317 хс

--U,О / J J H--X -г-г -f- - i ~i--Л'Пг ---1

Т Т (1-.ÏC) \l-5.ivj 2.303 2.303

т. к хс С ."• Cr.".,

0.022 0.48 0.10 9.52

0.014 0.31 0.12 11.36

1273 0.013 0.28 0.13 12.31

0.013 0.28 0.14 13.27

0.040 0.89 0.12 11.61

0.028 0.62 0.13 12.46

1323 0.025 0.55 0.14 13.40

0.024 0.53 0.17 16.29

0.063 1.43 0.13 12.82

0.052 1.17 0.14 13.70

1373 0.047 1.06 0.15 14.62

0.045 1.01 0.16 15.59

ojí

Xr

OJO

008-

0,06-

W-

0.02-

А

FB3C 'УвI

Сг7С3

\1100 "С

Г' [Fe-Cr-o\ -— А2

с, - В7

1000 "с с2

0

0.05

OJO

Xf

Cr

0,20

Задавая концентрацию хрома и температуру, определяли концентрацию углерода, равновесную с раствором. Результаты расчета сведены в табл. 3.

Таблица 3

Параметры двухфазного равновесия

(V/ \ - \1е - Сг -С]Т

Параметры трехфазного равновесия \Fe — Сг — С]г — Fe3C — Сг7С3 рассчитывали, решая

систему уравнений (9) и (12). На основании полученных результатов построена диаграмма фазовых равновесий

в системе Fe - С - Сг (рис. 1). Изотермы АА2, ВВ2, СС2 разрезают плоскость диаграммы на две области устойчивости раствора [Fe — Сг — С]г и карбида хрома. Понижение температуры смещает изотермы влево, область устойчиво-карбидной фазы увеличивается. Изотермы равновесия АД В.,13 и С.,С соответствуют равновесию карбида железа (цементита) с твердым раствором

\Fe — Сг — С]г  Они характеризуют предельную растворимость углерода в растворе. Кривая ABC соответствует трехфазному равновесию . Из диаграммы следует, что в системе серый чугун (90-92 %) и карбид хрома (8-10 %) при температуре 1100°С и ниже цементит существует в виде самостоятельной фазы.

Рис. 1. Диаграмма фазовых равновесий в системе \l e - Cr - С\ - Fe3С - Сг7С3

Список литературы

1. Гуревич Ю.Г., Буланов В.Я., Германюк Н.В. и др. Легирование железа

через газовую хпоридную фазу - Свердловск: АН СССР УрО, 1992. - С. 190.

2. Дудорова Т. А., Ротермель П.В., Тильдиков C.B. Термодинамический

анализ // Теория и технология производства новых конструкционных материалов: Сб. науч. тр./ Отв. ред. О. И. Бухтояров, Ю.Г.Гуревич. - Курган: Изд-во КГУ, 2000. - С. 33-35.

3. Brigham P.J., Kirkaly J.S. The Interaction Parameter for Solutions of

Carbon and Chromium in Austenite at 10000C// Tzans. Metall. Soc. AIME. V. 227. - P. 532-534.

4. Могутное Б.М., Томилин И.А., Шварцман Л.А. Термодинамика сплавов

железа. - М.: Металлургия, 1984. - 381 с.

В.В. Марфицын

Курганский государственный университет

РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ БЕЛОГО ЧУГУНА И ПОДСЛОЯ МАРТЕНСИТА, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

На основе эвтектического (контактного) плавления был разработан процесс нанесения слоя белого чугуна на поверхность стали электроконтактной химико-термической обработкой (ЭХТО) [1.2].

По поверхности детали скользит графитовый ролик-электрод. При контакте ролика-электрода с упрочняемой поверхностью детали пропускают ток, который вызывает нагрев поверхности до 1150-1200°С вследствие большого контактного сопротивления. При этих температурах осуществляется эвтектическая реакция, в результате которой образуется капля чугуна. Быстрая кристаллизация образовавшегося расплава обеспечивает образование твердого, безпористого, износостойкого слоя белого чугуна на поверхности как обычной, так и пористой стали, полученной прессованием порошка [3]. Под слоем белого чугуна находится переходная зона, представляющая собой: слой мартенсита (рис. 1).

Для расчета толщины слоя белого чугуна и мартенсита были использованы уравнения, применяемые для температурных полей концентрированных источников энергии [4-6]. При использовании в качестве электрода графитового ролика источник тепла можно считать нормально-пол ОСОБЫМ.

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 4

45