Prenos ogljika v reži med dvemi jekli
The Transport of Carbon in the Gap Between Two Steels
S.Horvat, L.Kosec, V.Gontarev, FNT, Odsek za metalurgijo in materiale D.Kmetič, IMT, Ljubljana
Oprijemanje jekel pri p lati ranju z valjanjem je tem boljše, čim bolj sta si površini podobni po kemični sestavi. K temu veliko prispeva prenos elementov s površine enega na drugo jeklo. V fazi toplotne priprave pred valjanjem se lahko izvrši izmenjava kemičnih elementov med površinama. Pri tem je posebno pomemben prenos ogljika preko plinske faze, kar smo dokazali z eksperimentom in fizikalno-kemično analizo.
Ključne besede: prenos ogljika, aktivnost, difuzija
The sticking of steels by cladding is better if their surfaces have a similar chemical composition. The great importance has the transport of elements from one to another surface. In the stage of heat treatment before rolling the exchange of elements between surfaces can occur. The transport of carbon by gas phase is the most important process andwas demonstrated experimentaly and theoretica/ly.
Key words: carbon transport, activity, diffusion
1 Uvod
Gospodarnost in posebne mehanske in tehnološke lastnosti vzpodbujajo uporabo sestavljenih materialov, kompozitov ali kompoundov. Značilen primer so rezilni noži. Ti morajo poleg lastnosti orodja (trdnost, obrabna obstojnost, trdota) imeti tudi primemo žilavost. Pri večini orodnih jekel je žilavost majhna. V pomoč jim je opora iz žilavega maloogljičnega jekla. Tako sestavljeni material omogoča boljšo izrabo uporabnih lastnosti obeh jekel in je tudi cenejši.
Sestavljene materiale izdelujemo z valjanjem paketov iz orodnega in konstrukcijskega jekla pri določenih pogojih. Trdnost vezne plasti je v največji meri odvisna od njene mikrostrukture.
Stični površini sta običajno hrapavi, zato ne predstavljata idealnih difuzijskih parov. Direktna difuzija preko kontakta dveh trdnih snovi je omejena le na zelo majhne površine. Rezultati kljub temu kažejo na relativno velik in hiter prenos snovi med obema površinama.
Prenos ogljika preko parne faze je zanemarljiv, kar vodi k razmišljanju, da se ogljik prenaša preko plinske faze, mešanice C0/C02, ki nastane z reakcijo med kisikom v špranji in ogljikom iz jekla. Takšno razmišljanje smo skušali podpreti z eksperimentalnimi dokazi.
2 Teoretični del
Sestavljene materiale izdelujemo iz jekel, ki se glede koncentracije ogljika in legirnih elementov zelo razlikujejo. Pri toplotni obdelavi takih kompozitov se ogljik prerazporedi med obe jekli.
Če predpostavimo, da tvorita jekli idealni difuzijski par, bo prenos ogljika potekal z difuzijo preko stične površine. Gonilna sila je gradient kemičnega potenciala ogljika:
AGc = -RT\nac.
Ogljik bo difundiral v smeri zmanjšanja svoje aktivnosti. Aktivnost je odvisna od temperature, koncentracije in vrste legirnih elementov ter koncentracije ogljika.
V feritu se topi le malo ogljika, zato je aktivnost ogljika že pri zelo nizki koncentraciji enaka 1 in z naraščanjem koncentracije ostaja konstantna. V austenitnem področju aktivnost ogljika narašča z njegovo koncentracijo in doseže vrednost 1 na črti S-E v diagramu Fe-F3C. Povišanje temperature v austenitnem področju znižuje aktivnost ogljika.
Legirni elementi različno vplivajo na aktivnost ogljika, odvisno od vrste elementa in njegove koncentracije. Praviloma karbidotvomi elementi znižajo, elementi, ki ne tvorijo stabilnih karbidov, pa zvišajo aktivnost ogljika v austenitu. V feritu je, zaradi zelo nizke topnosti ogljika , določanje njegove aktivnosti težavno.
Aktivnost ogljika v odvisnosti od različnih faktorjev se določa eksperimentalno. Računamo jo lahko s pomočjo empiričnih enačb. V sistemu Fe-C izračunamo aktivnost ogljika v odvisnosti od temperature in koncentracije ogljika po enačbi:
logac = log
1 - 2 • x
2300
0.92 +
3860
•c
V sistemih, kjer so prisotni še legirni elementi, moramo upoštevati tudi njihov vpliv. Enačba za računanje aktivnosti glasi:
logac = log
l-(l + z)-*c
2080
0.640 + g*-;tc,
kjer je xc molski delež ogljika, gj eksperimentalno določen interakcijski koeficient in z = 4.
V neidealnih primerih, ko imata jekli hrapavo površino, difuzija poteka le omejeno preko dotikališč trdnih jekel. Med jekloma je prisotna plinska faza, ki omogoča prenos ogljika:
[C]rt + (C02)^Fe+2-{C0) Ravnotežna konstanta reakcije je:
K = Plo/PcoI'ac
Smer reakcije je odvisna od temperature, sestave plina in koncentracije ogljika v jeklih. Ker je sestava plina odvisna od aktivnosti ogljika, sta smer in intenziteta reakcije odvisni tudi od aktivnosti.
3	Eksperimentalno delo
Sestavili smo zaprt sistem, v katerem smo hkrati žarili dve zlitini (jekli) z različno koncentracijo oziroma aktivnostjo ogljika. S takim sistemom smo dosegli naslednje: zaradi velike razdalje med vzorci difuzija ni bila možna; prenos ogljika preko parne faze ni mogoč, saj bi nastale pare na hladnem delu kondenzirale.
Zlitina z veliko aktivnostjo ogljika je bila siva litina s 3.17%C, jeklo OCR 12 z 2.1%C in približno 12 %Cr ter jeklo C 60 s približno 0.6 %C. Vsi so bili v obliki ostružkov. Material z nizko aktivnostjo ogljika je bila folija tehnično čistega železa. Za primerjavo smo folijo žarili v peči 1 skupaj z ostružki in v peči 2, kjer ni bilo ostružkov. Žaijenje je potekalo pri 925°C. Na vzorcih smo nato ocenili koncentracijo ogljika in izmerili koncentraciji CO in CO2 v plinu.
Poskuse smo izvedli na dva načina. V obeh primerih je bila masa zlitine z več ogljika (izvor) za več kot red velikosti večja od prejemnika ogljika. Izvor ogljika je bil v obliki ostružkov, zato je imel veliko površino in ta ni bila ovira prenosu ogljika v plinasto fazo. Prostornina poskusnega prostora je bila približno 1.5 litra.
Po enem načinu smo z argonom zmanjšali delež kisika v sistemu, po drugem pa smo ves kisik v sistemu vezali v mešanico CO in C02. Prvo peč z ostružki izvora ogljika smo prižgali najprej, tako da je zmanjkalo prostega kisika preden smo začeli ogrevati drugo peč. Kroženje atmosfere v sistemu smo dosegli s plinsko črpalko. V sistem je bila vključena tudi pipeta za jemanje vzorca za plinsko analizo.
4	Rezultati in diskusija
Pri poskusu s sivo litino sta vzorca čistega železa v obeh pečeh naogljičena. V vzorcu iz peči 1 je bila koncentracija ogljika
nadevtektoidna, v vzorcu iz peči 2 pa podevtektoidna. V ostružkih sive litine pa je bilo razogljičenje neenakomerno.
Podobne rezultate smo opazili tudi pri poskusih z jeklom OCR 12. V vzorcu iz peči 1 je bilo naogličenje večje (~ 0.6 %C) kot v vzorcu v peči 2 (~ 0.4 %C). Naogljičenje je manjše kot pri poskusu s sivo litino. Ostružki OCR 12 so razogljičeni in delno oksidirani. Pri poskusu z jeklom C 60 je naogljičenje mnogo manjše, ostružki jekla C 60 pa so močno razogljičeni.
Sestava nastalega plina je bila pri poskusih s sivo litino in jeklom naslednja:
	vol. % CO	vol. % COj
siva litina	15.05	0.05
OCR 12	9.20	0.03
C 60	12.90	0.98
Vzorci so se naogljičili različno, odvisno od izvora ogljika. Največje naogljičenje je pri poskusih s sivo litino, kjer sta koncentracija in aktivnost ogljika največji. Z zmanjšanjem aktivnosti ogljika se zmanjša tudi naogljičenje pri poskusih z jeklom OCR 12 m C 60.
Poskusi so potekali pri temperaturi 925°C, ko so imeli izvori ogljika austenitno mikrostrukturo, prejemnik pa je bil v modifikaciji Fe - 7. Zaradi gradienta ogljikovega potenciala je prišlo do reakcije razogljičenje-naogličenje. Mikrostruktura vzorcev po končanih poskusih je bila iz ferita oziroma cementita in perlita, odvisno od koncentracije ogljika v izvoru.
Vzorci tehnično čistega železa, ki smo jih žarili v peči 1 skupaj z ostružki, so se naogljičili bolj kot vzorci v peči 2. To je bolj veijetno posledica razlik v sestavi atmosfere med pečema kot pa možnost še drugega načina prenosa v peči 1.
V plinskih mešanicah smo izmerili plina CO in C02. Razmeije pco/ PCO2, ki je sorazmerno z aktivnostjo ogljika, je največje pri izvoru iz sive litine, manjše pri OCR 12 in najmanjše pri izvoru iz C 60.
Izračunali smo, da naj bi bila pri temperaturi 925°C koncentracija ogljika na površini tehnično čistega železa, ki se je naogljičevalo iz izvora ledeburitnega kromovega jekla OCR 12 približno 0.6%, pri izvoru iz ogljikovega jekla z 0.6%C, pa približno 0.3%. S poskusi so bile izmeijene v tanki foliji tehnično čistega železa praktično enake koncentracije ogljika.
5 Zaključek
Cilj našega dela je bil dokazati, da se v špranji med jekli v sestavljenih materialih prenaša ogljik s plinsko mešanico CO / C02.
Za eksperiment smo izvedli preizkusni sistem, ki je povsem izključeval prenos ogljika preko parne faze in z difuzijo v trdnem preko stičnih površin. Rezultati so potrdili prenos ogljika preko plinske faze. Ogljik se je prenašal iz zlitine z večjo aktivnostjo v jeklo z nižjo aktivnostjo. Stopnja naogljičenja je bila sorazmerna aktivnosti ogljika v zlitini, ki je služila kot izvor ogljika.
Poskus, ki smo ga opravili, kaže nedvoumno na to, da je v ozkih režah med jekloma različne kemične sestave možen
prenos ogljika s pomočjo plinske faze sestavljene iz CO in CO2. Ta poskus pa ne dokazuje, da v ozki reži ne poteka izparevanje ogljika. Ogljik ima enega najmanjših parnih tlakov od vseh kemičnih elementov. K temu prispevajo tudi relativno razredčena raztopina ogljika v austenitu in nizka delovna temperatura pri platiranju. Ogljikovi atomi, ki bi na ta način zapustili površino zlitine-izvora, bi se prav verjetno vključili v krožni proces prenosa ogljika s plinsko mešanico CO in CO2.
PEČ 1	PEČ 2
Slika 1. Shema eksperimenta Figure 1. Plan of the experiment
6 Literatura
1	Moore, J.W. (1955): Physical Chemistry. Prentice Hali, Inc., s. 102-117.
2	Darken, L./ Gurry, R. (1953): Physical Chemistry of Metals. Mc.Graw-Hill Book Company, Inc., s. 137-283.
3	Gaskell, R.D. (1981): Introduction to Metallurgical Thermodynamics. Hemisphere Publishing Corporation, Washington, s. 304-325, s. 426-433.
4	Mogutnov, B.M./ Tomilin, I.A./ Švarcman, L.A. (1972): Termodinamika železo - uglerodisfih splavov. Izdatel'stvo Metalurgija, Moskva, s. 121-217
5	Heinal, P. (1982): On the Activity of Carbon in Ferrite. Czech. J.Phys. B 32, s. 1126-1142.'
6	William, R./ Bodsvvorth, C. (1971): Carbon Activities m Iron Alloy Avstenites. Chemical Metallurgy of Iron and Steel Symposium. Proceedings of the " International Symposium on Metallurgical Chemistry", Published by The Iron and Steel Institute, London, s. 353-355.
7	Seith, W. (1955): Diffusion in Metallen. Berlm Springer Verlag.
8	Kmetič, D. (1985): Raziskave procesa valjanja compound jekel; (Poročilo Metalurškega inštituta, Ljubljana)
Slika 2. Mikrostrukture sive litine (izvora) in naogljičenega železa Figure 2. Microstructure of the čast iron (source) and the carburized iron
Slika 3. Mikrostrukturi ledeburitnega jekla OCR 12 (izvora) in naogljičenega železa
Figure 3. Microstructure of ledeburite steel OCR 12 (source) and carburized iron