Термодинамическое моделирование взаимодействия стали 25Х3М3НБЦА с газовыми средами в процессе трения скольжения с ресурсным смазыванием

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Газофазное карбонитрирование железа и сплавов на его основе обычно проводят в смеси аммиака и углеродсодержащих газов, таких как метан, эндогаз, экзогаз. При сгорании природного газа с недостатком воздуха получают эндогаз, а с избытком воздуха - экзогаз. Составы эндогаза и экзогаза зависят от соотношения компонентов сжигаемой смеси и условий сжигания.

Эндогаз (например, состава: 20 % СО, 40 % Н2, 40 % N2) обычно применяют в чистом виде или в смеси с другими газами для газовой цементации и карбонитрирования. Атмосфера эндогаза является восстановительной и обеспечивает постоянство углеродного потенциала при малом содержании водяного пара.

Экзогаз (например, состава: 4 % СО2, 11 % СО, 11 % Н2, 5 % СН4, 59 % N2) содержит углекислый газ и является окислителем, способствуя ускорению процесса азотирования. Углекислый газ в смеси с аммиаком является также науглероживающим компонентом.

Разновидностью низкотемпературного газофазного карбонитрирования является никотрирование, заключающееся в обработке изделий на основе железа в атмосфере, состоящей из 50 % аммиака и 50 % эндогаза при 570С, обеспечивающее получение на поверхности изделий из углеродистых и легированных сталей малопористого карбонитридного слоя -железа, значительно повышающего стойкость деталей к истиранию. Существенным недостатком способа является возможность образования взрывоопасных смесей из-за высокого содержания водорода.

Вариантом никотрирования является разработанный фирмой “Айхелин” “Нитрок-процесс” способ карбонитрирования при 570 0С в смеси аммиака и неочищенного экзогаза при соотношении 1:1 или 1:2. На поверхности деталей, обработанных по методу “Нитрок”, за два часа образуется гомогенный малопористый оксикарбонитридный слой толщиной 10 … 15 мкм. Полученные в нитрок-процессе карбонитридные слои обладают меньшей пластичностью и износостойкостью по сравнению со слоями, полученными “никотрированием”, что обусловлено пониженной насыщенностью карбонитридного слоя углеродом в связи с невысоким углеродным потенциалом атмосфер на базе экзогаза в сравнении с эндогазовыми атмосферами.

Цель работы - термодинамическое моделирование взаимодействия образцов исследуемой конструкционной теплостойкой никотрированной стали с газовыми средами в процессе трения скольжения с ресурсным смазыванием при заданных давлениях, температурах и составах газовой среды.

Материалы и методика проведения исследований.

Для исследуемой конструкционной теплостойкой стали 25Х3М3НБЦА использован режим никотрирования: температура - 580 0С, время обработки - 8 часов, состав насыщающей смеси NH3:CH4 (эндогаз) - 50:50 объем. %, давление 103 Па. Для указанных условий никотрирования толщина поверхностной карбонитридной зоны, выполняющего основные триботехничекие функции по защите деталей от повреждаемости, в виде “белой” нетравящейся полосы составила 23 мкм, а эффективная глубина диффузионного подслоя, так называемой зоны внутреннего азотирования, которая предопределяет в основном несущую силовую способность поверхностного слоя материала - 231 мкм. Химический состав стали 25Х3М3НБЦА приведен в таблице 1.

никотрирование термодинамический газофазный

Таблица 1. Химический состав стали 25Х3М3НБЦА

Термодинамические расчеты равновесных концентраций компонентов в многокомпонентных гетерогенных системах проводились с использованием известных [1] алгоритмов, основанных на решении системы уравнений, полученных из условия максимума энтропии, и реализованных в компьютерных программах. Для выполнения расчетов использовался программный комплекс АСТРА [1]. Оценка взаимодействия в системе “сплав-газ” проводилась в рамках термодинамической модели многослойных структур [2], в которой окалина представлялась набором параллельных поверхности слоев, различающихся по составу. Слои рассматривались в качестве локально равновесных подсистем с собственными равновесными параметрами. Соответственно, для каждой такой подсистемы проводились независимые расчеты методами равновесной термодинамики. При моделировании изменений состава по глубине сплавов задавался параметр: gi = mт/(mт+mг), соответствующий доле газа (от 0,01 до 0,999) в поверхностных слоях по глубине, mт - масса конденсированных компонентов, mг - масса газа. Сведения о термодинамических свойствах компонентов, образующихся в рассматриваемых системах, брали из справочника [3] и базы данных программы АСТРА.

При оценке взаимодействия сплавов с газовыми средами в качестве основного состава сплава использовался состав стали, который приведен в таблице (в мол. долях): Fe 0,9273 Cr 0,0322 Mo 0,0175 Ni 0,0057 Si 0,0024 Mn 0,0017 Nb 0,0006 Zr 0,0001 S 0,0002 P 0,0002.

Результаты исследований и их обсуждение.

При расчетах состава слоев после механической обработки образцов задавались следующие параметры системы: атмосферное давление P = 105 Па, температуры T = 573 К и T = 973 К, соответствующие предельным температурам разогрева образцов при разных условиях трения.

В составе системы учитывалось наличие исходных никотрированных слоев и масла ИС-45, элементный состав которого приведен в таблице 2.

Таблица 2. Элементный состав индустриального масла ИС-45

Предполагалась также возможность образования двух твердых растворов. Первый, состоящий из компонентов сплава Fe, Cr, Mo, Si, Mn, Nb, Zr. Второй, включающий в себя образующиеся соединения Fe4N, Fe2N, CrN, NbN, NbC, Si3N4, FeSi, Fe3C, Cr3C2, Cr7C3, Mn7C3, Mo2C, MoSi2, ZrN.

Результаты моделирования образования поверхностных слоев на образцах, подвергающихся процессу трения на воздухе в присутствии индустриального масла ИС-45 представлены для Т = 573 К на рис. 1 и для T = 973 К на рис. 2. Анализ рис. 1 показывает, что при трении скольжения с ресурсным смазыванием при 573 К поверхностный слой образца будет состоять из оксида Fe2O3 с примесью MoO3, а в промежуточном слое будет находиться оксид Fe3O4 с примесью MoO2 и Cr2O3, кроме того, есть слой внутреннего окисления, содержащий в основном MoO2 и Cr2O3 и углерод. При более высокой температуре 973 К состав слоев меняется (рис. 2). От поверхности вглубь будут наблюдаться Cr2O3 (c Fe2MnO4 и SiO2), Fe3O4 (с MoO2) и слой, прилегающий к металлу - FeO.

Рис. 1. Зависимость xi (мольная доля) - содержания компонентов в поверхностных слоях стали от gi - массовой доли компонентов воздуха при Т = 573 К при разных соотношениях C/N

На рис. а) и б) содержание компонентов приведено в разном масштабе

Рис. 2. Зависимость xi (мольная доля) - содержания компонентов в поверхностных слоях стали от gi - массовой доли компонентов воздуха при Т = 973 К при разных соотношениях C/N

На рис. а) и б) содержание компонентов приведено в разном масштабе.

Состав слоев при более высокой температуре больше способствует жаростойкости образцов, чем слои, образующиеся при низких температурах.

Расчеты также показали, что:

- составы слоев на поверхности образцов практически не зависят от исходного состава слоев, который получен после никотрирования;

- наличие масла на поверхности практически не оказывает влияние на составы слоев;

- некоторое отклонение состава образцов от состава стали 25Х3М3НБЦА не оказывает существенного влияния на качественный состав образующихся поверхностных слоев.

Выводы.

1. Выполнено термодинамическое моделирование взаимодействия образцов исследуемой стали 25Х3М3НБЦА с газовыми средами в процессе трения скольжения с ресурсным смазыванием при заданных давлениях, температурах и составах газовой среды.

2. Результаты моделирования образования поверхностных слоев на образцах, подвергающихся процессу трения на воздухе в присутствии индустриального масла ИС-45 показывают, что:

- при процессе трения при 573 К поверхностный слой образца будет состоять из оксида Fe2O3 с примесью MoO3, а в промежуточном слое будет находиться оксид Fe3O4 с примесью MoO2 и Cr2O3, кроме того есть слой внутреннего окисления, содержащий в основном MoO2 и Cr2O3 и углерод;

- повышение температуры до 973 К приводит к изменению фазового состава - от поверхности вглубь будут наблюдаться Cr2O3 (c Fe2MnO4 и SiO2), Fe3O4 (с MoO2) и слой, прилегающий к металлу - FeO.

Список литературы

1. Ватолин Н.А., Моисеев Г.К., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. М.: Металлургия, 1994. 352 с.

2. Гончаров О.Ю. Термодинамическое моделирование высокотемпературного окисления сплавов системы Fe-Cr на воздухе // Неорганические материалы. 2004. Т. 40. № 12. С. 1-7.

3. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: справочное издание: в 4 т. / Л.В. Гурвич [и др.]; отв. ред. В.П. Глушко. Изд. 3-е, перераб. и расш. М.: Наука, 1978-1982. Т.1-4.

Размещено на Allbest.ru