Изменение структуры и состава нитридного слоя при оксидировании парами воды | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №14 (118) июль-2 2016 г.

Дата публикации: 13.07.2016

Статья просмотрена: 106 раз

Библиографическое описание:

Эшкабилов Х. К., Бердиев Ш. А. Изменение структуры и состава нитридного слоя при оксидировании парами воды // Молодой ученый. — 2016. — №14. — С. 204-207. — URL https://moluch.ru/archive/118/32719/ (дата обращения: 23.09.2018).



Возможность прогнозирования структуры и свойств азотированного слоя на поверхности конструкционных и углеродистых сталей имеет большое значение для оптимизации ведения технологии процесса и последующей обработки изделий.

При определённых термодинамических условиях (температура, давление) аммиак диссоцирует в соответствии с реакцией:

NH3 →N +3/2∙H2(1)

В процессе насыщения образуется определённый азотный потенциал и в течение процесса происходит равновесие азотного потенциала.Согласно отношению (1) образующийся атомарный азот диффундирует в поверхность металла, образуя нитриды металлов МеN.

Для оценки отношения парциального давления аммиака к водороду можно использовать константы равновесия (Ка):

,(2)

где: - парциальное давление аммиака;

— парциальное давление водорода;

аN — активность азота или азотный потенциал.

При азотировании образуется твёрдый раствор азота в -Fe,  и  — фазы. При постоянной температуре и давлении константа равновесия будет постоянной, поэтому уравнение (2) можно написать в следующем виде:

(3)

Для обеспечения диффузии азота в материал, необходимо, чтобы азотный потенциал насыщающей среды был больше чем содержание азота в металле:

(4)

Уравнение (4) характеризует начальный этап диффузии, посколько с образованием нитридного слоя ( и  — фазы) соответственно величина азотного потенциала должна удовлетворить условия:

>>(5)

При кратковременных процессов нитрооксидирования, сначала происходит процесс азотирования с образованием нитридного слоя. Во всех случаях образование нитридного слоя и зоны внутреннего азотирования в чистом железе происходит в соответствии с диаграммой «Fe-N».

В сплавах на железной основе формирование диффузионного слоя сопровождается встречной диффузией углерода в обратном направлении в зависимости от количества растворенного углерода в -железе.

Это можно охарактеризовать следующим отношением:

<(6)

Только при добавлении в атмосферу углеродосодержащих компонентов отношение (6) усложняется.

При оксидировании нитридного слоя, отношение парциальных давлений NН32 изменяется. В результате при оксидировании растёт толщина низкоазотистого нитридного слоя и зона внутреннего азотирования. [1]

Для разработки математической модели и теоретических основ технологии нитрооксидирования низколегированной углеродистой стали мы рассмотрели зависимости состава и строения азотированного и оксидного слоя от химического состава сталей и технологических параметров процесса. В качестве модельного сплава было использовано техническое железо. Исследовали также промышленные стали 40Х, Р6М5 и стали 45.

Рис. 1. Микроструктура азотированного слоя на стали 45 (а) и стали 40Х (б). Режим обработки: Азотирование - 620оС, 3 часа

После насыщения выше эвтектоидной температуры для системы «Fe-N», в азотированном слое наблюдается нитридная зона с четко выраженной столбчатостью. Эта зона состоит из крупных кристаллов с широкими границами между ними и большим количеством пор и трещин (Рис. 1, а и б). Такое строение слоя исключает получение в дальнейшем равномерной пленки оксида. После азотирования при температурах ниже эвтектоида (5910С) слои имеют меньшую толщину, но равномерное строение.

Блочность отсутствует, пористость слоя незаметная, а сами поры мелкие, округлые и изолированные (Рис. 2).Добавление в состав насыщающей среды при оксидировании кислородосодержащих компонентов в малом количестве, в частности комплексонов, благоприятно влияют на образование плотного поверхностного оксидного слоя. Резко уменьшается процесс деазотирования при оксидировании нитридного слоя (Рис. 2, б).

Рис. 2. Микроструктура нитрооксидированного слоя на стали 45. Режим обработки: Азотирование- 580о С, 3 часа; оксидирование — 550о С, а- 1 час и б- 2,5 часа в парах воды с добавками 5 % ОЭДФ

Результаты полученных данных по изучению влияния степени диссоциации аммиака на толщину и состав диффузионного слоя при температуре ниже эвтектоидной (5800С) показывают, что образование развитой зоны высокоазотистого нитрида (ε-фазы) при значительной общей толщине слоя характерно для процессов со степенью диссоциации аммиака α<30 % (Рис. 3, линии 2 и 3).[2]

Однако при этом повышается пористость нитридного слоя.

При степени диссоциации аммиака α>50 % уменьшаются толщина нитридной зоны и количество ε-фазы на поверхности слоя (Рис. 3).

Образование ε'-фазы происходит только при азотировании стали и сплавов при наличии углерода в их матрице и имеет карбонитридный характер. Поэтому заметное образование такого типа нитрида характерно только при азотировании углеродистой стали и сплавов.

Рис. 3. Зависимость интенсивности линий фаз от степени диссоциации аммиака. Азотирование в среде аммиака при температуре 5800С с продолжительностью 3 часа. 1- γ'-фаза (200); 2- ε-фаза (110) и 3 — ε'-фаза (101)

Исследовалась в качестве конструкционной сталь 40Х, имеющая мартенситную структуру. Образцы обрабатывались в атмосфере чистого аммиака, со степенью диссоциации α=40…60 %, при температуре 6200С — выше температуры эвтектоида для системы «Fe-N” (I вариант), и часть образцов, не извлекаясь из печи, при той же температуре подвергал оксидированию в парах воды в течение 1 часа (II вариант). Результаты исследования приведены на рис. 4.

При оксидировании за счет диффузии кислорода одновременно происходит деазотирование и обезуглероживание в части низшей нитридной зоны. На поверхности образуется слой оксикарбо-нитридного характера (Рис. 2).

Нитридный слой, полученный при выше эвтектоидной температуре (выше 590оС) имеет столбчатое строение, а также является микропористыми. В период охлаждения образца, нитридный слой окисляется из кислорода воздуха, о чем и свидетельствует наличие кислорода после азотирования.

С целью получения полной картины изменения нитридного слоя при оксидировании, образцы из стали 40Х азотировали при температуре 580оС, в течение 3 часов, оксидировали при температуре 550оС ниже эвтектоидной температуре для системы “Fe-O” с продолжительностью 1 и 2,5 часа. Результаты исследования приведены на рис. 5.

Следует отметить экстремум (максимум) распределений кислорода, что соответствует точке появляения азота в нитридном слое.

Рис. 4. Распределение элементов в нитридном слое после азотирования: t=620 0С, =3 ч. (линии 1,3,5) и азотирование с последующим оксидированием: t=620 0С, =0,5 ч. (линии 2,4,6)

Рис. 5. Распределение элементов в нитридном слое после азотирования: t=580 0С, =3 ч. и оксидировании t=550 0С, =1 ч. (линии 1,3,5) и =1 ч. (линии 2,4,6)

В результате полученных данных можно утверждать, что при благоприятных условиях оксидирования нитридного слоя на углеродистых сталях, можно получить регулируемые плотные карбонитридные, оксикарбонитридные слои, которые имеют лучшие физико-механические и физико-химические свойства, чем сам нитридный слой.

Был проведен рентгеноструктурный анализ обработанных образцов, который подтвердил наличие развитой γ΄-фазы, ε΄ — фаза карбонитридного характера, ε΄΄ — фаза оксикарбонитридного характера и при температуре оксидирования 620 0С оксиды FeOFe2O3, Fe3O4, а при температуре оксидирования 550 0С оксидный слой состоит из одного Fe3O4.

Таким образом, оже–спектральный анализ позволяет совместно с другими методами исследования получить картину послойного распределения элементов в нитрооксидированных сталях. При исследовании температурных и временных зависимостей формирования упрочняющего слоя, по его результатам, можно регулировать комбинированную технологию нитрооксидирования при поверхностном упрочнении низколегированных углеродистых сталей. [3]

Литература:

  1. Лахтин Ю. М. и др. Теория и технология азотирования. – М: Металлургия, 1981, 320 с.
  2. Лахтин Ю. М., Коган Я. Д. Структура и прочность азотированных сплавов. — М., Металлургия, 1982, 176 с.
  3. Гаврилова А. В. и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1974. № 3 С. 14–21.
Основные термины (генерируются автоматически): азотный потенциал, константа равновесия, парциальное давление аммиака.


Похожие статьи

Физико-химический анализ системы Pb-S-O методом диаграмм...

Рис. 3. Диаграмма парциальных давлений и составы сосуществующих фаз в системе Pb-S-O при температуре 400°C. Можно проследить, что при повышении температуры точка трехфазного равновесия PbS — Pb — PbO превращается в точку трехфазного равновесия PbS — Pb...

Определение активности компонентов в биметаллическом расплаве

Линия на рис.1 представляет собой реальное парциальное давление пара над раствором Mg – Pb, а линия «условно принятый» (не существующий) идеальный

где, – давление насыщенного пара компонента B над раствором; – мольная доля Bкомпонента; – константа Генри.

Диффузия азота в нержавеющей стали | Статья в сборнике...

где — функция ошибок Гаусса. Из выражения (3) видно, что распределение концентрации по глубине азотированного слоя будет определяться азотным потенциалом насыщающей

В случае постоянной концентрации азота на поверхности стали из уравнения (3) получаем

Иммерсионная цинкатная обработка алюминиевых изделий

Ключевые слова: алюминий; сплав Д16, азотная кислота; цинкатная обработка; цинкат натрия, электродный потенциал

Давление системы равняется атмосферному и составляет 101.3 кПа.

Стандартная константа равновесия окислительно-восстановительного процесса...

Фазовые равновесия в многокомпонентных смесях, содержащих...

Константы фазового равновесия зависят от температуры, давления и состава фаз.

Для практических расчетов более удобной является функция — летучесть f, эквивалентная химическому потенциалу.

Об одном частном случае аналитического описания зависимости...

Рассмотрение вопроса касается равновесий в замкнутой системе при постоянных — температуре, давлении, объеме и концентрации солевого фона.

– соответственно не имеет под собой реальной физико-химической основы выражение (1) для константы равновесия.

Азотный режим чернозема выщелоченного при...

В данной статье представлены результаты динамики нитратного азота, его вариабельности по элементарным участкам поля в слое почвы 0–40 см в период вегетации яровой пшеницы в условиях Западной Сибири.

К вопросу о расчетах множественных химических равновесий

Ключевые слова: химическое равновесие, равновесная концентрация, константа ионизации, слабая кислота, слабое основание, ступенчатая диссоциация, материальный баланс, фосфорная кислота, гидрат аммиака, константа автопротолиза, ионное произведение воды...

Физико-химический анализ системы Pb-S-O методом диаграмм...

Рис. 3. Диаграмма парциальных давлений и составы сосуществующих фаз в системе Pb-S-O при температуре 400°C. Можно проследить, что при повышении температуры точка трехфазного равновесия PbS — Pb — PbO превращается в точку трехфазного равновесия PbS — Pb...

Определение активности компонентов в биметаллическом расплаве

Линия на рис.1 представляет собой реальное парциальное давление пара над раствором Mg – Pb, а линия «условно принятый» (не существующий) идеальный

где, – давление насыщенного пара компонента B над раствором; – мольная доля Bкомпонента; – константа Генри.

Диффузия азота в нержавеющей стали | Статья в сборнике...

где — функция ошибок Гаусса. Из выражения (3) видно, что распределение концентрации по глубине азотированного слоя будет определяться азотным потенциалом насыщающей

В случае постоянной концентрации азота на поверхности стали из уравнения (3) получаем

Иммерсионная цинкатная обработка алюминиевых изделий

Ключевые слова: алюминий; сплав Д16, азотная кислота; цинкатная обработка; цинкат натрия, электродный потенциал

Давление системы равняется атмосферному и составляет 101.3 кПа.

Стандартная константа равновесия окислительно-восстановительного процесса...

Фазовые равновесия в многокомпонентных смесях, содержащих...

Константы фазового равновесия зависят от температуры, давления и состава фаз.

Для практических расчетов более удобной является функция — летучесть f, эквивалентная химическому потенциалу.

Об одном частном случае аналитического описания зависимости...

Рассмотрение вопроса касается равновесий в замкнутой системе при постоянных — температуре, давлении, объеме и концентрации солевого фона.

– соответственно не имеет под собой реальной физико-химической основы выражение (1) для константы равновесия.

Азотный режим чернозема выщелоченного при...

В данной статье представлены результаты динамики нитратного азота, его вариабельности по элементарным участкам поля в слое почвы 0–40 см в период вегетации яровой пшеницы в условиях Западной Сибири.

К вопросу о расчетах множественных химических равновесий

Ключевые слова: химическое равновесие, равновесная концентрация, константа ионизации, слабая кислота, слабое основание, ступенчатая диссоциация, материальный баланс, фосфорная кислота, гидрат аммиака, константа автопротолиза, ионное произведение воды...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Физико-химический анализ системы Pb-S-O методом диаграмм...

Рис. 3. Диаграмма парциальных давлений и составы сосуществующих фаз в системе Pb-S-O при температуре 400°C. Можно проследить, что при повышении температуры точка трехфазного равновесия PbS — Pb — PbO превращается в точку трехфазного равновесия PbS — Pb...

Определение активности компонентов в биметаллическом расплаве

Линия на рис.1 представляет собой реальное парциальное давление пара над раствором Mg – Pb, а линия «условно принятый» (не существующий) идеальный

где, – давление насыщенного пара компонента B над раствором; – мольная доля Bкомпонента; – константа Генри.

Диффузия азота в нержавеющей стали | Статья в сборнике...

где — функция ошибок Гаусса. Из выражения (3) видно, что распределение концентрации по глубине азотированного слоя будет определяться азотным потенциалом насыщающей

В случае постоянной концентрации азота на поверхности стали из уравнения (3) получаем

Иммерсионная цинкатная обработка алюминиевых изделий

Ключевые слова: алюминий; сплав Д16, азотная кислота; цинкатная обработка; цинкат натрия, электродный потенциал

Давление системы равняется атмосферному и составляет 101.3 кПа.

Стандартная константа равновесия окислительно-восстановительного процесса...

Фазовые равновесия в многокомпонентных смесях, содержащих...

Константы фазового равновесия зависят от температуры, давления и состава фаз.

Для практических расчетов более удобной является функция — летучесть f, эквивалентная химическому потенциалу.

Об одном частном случае аналитического описания зависимости...

Рассмотрение вопроса касается равновесий в замкнутой системе при постоянных — температуре, давлении, объеме и концентрации солевого фона.

– соответственно не имеет под собой реальной физико-химической основы выражение (1) для константы равновесия.

Азотный режим чернозема выщелоченного при...

В данной статье представлены результаты динамики нитратного азота, его вариабельности по элементарным участкам поля в слое почвы 0–40 см в период вегетации яровой пшеницы в условиях Западной Сибири.

К вопросу о расчетах множественных химических равновесий

Ключевые слова: химическое равновесие, равновесная концентрация, константа ионизации, слабая кислота, слабое основание, ступенчатая диссоциация, материальный баланс, фосфорная кислота, гидрат аммиака, константа автопротолиза, ионное произведение воды...

Физико-химический анализ системы Pb-S-O методом диаграмм...

Рис. 3. Диаграмма парциальных давлений и составы сосуществующих фаз в системе Pb-S-O при температуре 400°C. Можно проследить, что при повышении температуры точка трехфазного равновесия PbS — Pb — PbO превращается в точку трехфазного равновесия PbS — Pb...

Определение активности компонентов в биметаллическом расплаве

Линия на рис.1 представляет собой реальное парциальное давление пара над раствором Mg – Pb, а линия «условно принятый» (не существующий) идеальный

где, – давление насыщенного пара компонента B над раствором; – мольная доля Bкомпонента; – константа Генри.

Диффузия азота в нержавеющей стали | Статья в сборнике...

где — функция ошибок Гаусса. Из выражения (3) видно, что распределение концентрации по глубине азотированного слоя будет определяться азотным потенциалом насыщающей

В случае постоянной концентрации азота на поверхности стали из уравнения (3) получаем

Иммерсионная цинкатная обработка алюминиевых изделий

Ключевые слова: алюминий; сплав Д16, азотная кислота; цинкатная обработка; цинкат натрия, электродный потенциал

Давление системы равняется атмосферному и составляет 101.3 кПа.

Стандартная константа равновесия окислительно-восстановительного процесса...

Фазовые равновесия в многокомпонентных смесях, содержащих...

Константы фазового равновесия зависят от температуры, давления и состава фаз.

Для практических расчетов более удобной является функция — летучесть f, эквивалентная химическому потенциалу.

Об одном частном случае аналитического описания зависимости...

Рассмотрение вопроса касается равновесий в замкнутой системе при постоянных — температуре, давлении, объеме и концентрации солевого фона.

– соответственно не имеет под собой реальной физико-химической основы выражение (1) для константы равновесия.

Азотный режим чернозема выщелоченного при...

В данной статье представлены результаты динамики нитратного азота, его вариабельности по элементарным участкам поля в слое почвы 0–40 см в период вегетации яровой пшеницы в условиях Западной Сибири.

К вопросу о расчетах множественных химических равновесий

Ключевые слова: химическое равновесие, равновесная концентрация, константа ионизации, слабая кислота, слабое основание, ступенчатая диссоциация, материальный баланс, фосфорная кислота, гидрат аммиака, константа автопротолиза, ионное произведение воды...

Задать вопрос