ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 130 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ и толщины отдельных слоев, что демонстрирует сложность окисления железа и нелегированной стали в этом диапазоне температур [14]. Образование трехслойного оксидного слоя можно объяснить простым способом, используя химические реакции прямого окисления. Механизм формирования трехслойного оксидного слоя на фазовых границах FeO/Fe3O4 и Fe3O4/Fe2O3 остается предметом дискуссий из-за своей сложности, что является следствием специфических транспортных процессов через отдельные оксидные слои [2, 15, 16]. Обсуждая окисление углерода, необходимо, учитывать микроструктуру стали при температуре нагрева и температурный интервал стабильности по CO2 и CO. Углерод в нелегированной доэвтектоидной стали при температурах T > Ac1 присутствует только в твердом растворе, растворенном в Fe-α (феррит) и в Fe-γ (аустенит). Феррит стабилен при T < Ac3, а аустенит стабилен при T > Ac1. Углерод реагирует с кислородом, образуя CO и CO2 во время нагрева стали на воздухе. Реакции прямого окисления углерода кислородом (C + O2 → CO2 и 2C + O2 → 2CO) пересекаются при T ≈ 700 °C [1, 2]. Линии обеих реакций показывают, что при T > 700 °C газ CO более стабилен или что CO предпочтительно образуется при T > Ac1 [1, 2]. Это означает, что относительно равновесия Будуара (C + CO2 ↔ 2CO) реакция идет слева направо при T > 700 °C [1, 2, 12, 17] или что существует тенденция к обезуглероживанию при T > Ac1. Поскольку повышение температуры означает, что углерод преимущественно сгорает с образованием CO, то равновесное содержание CO в образующейся газовой смеси также увеличивается [1, 2]. По мнению [20–22], важно знать, что газовые смеси (CO + CO2) вызывают обезуглероживание стали, если их состав находится ниже или правее линии равновесия для этой стали, однако они вызывают науглероживание, если их состав находится выше или левее этой линии. Во время нагрева под закалку на воздухе обезуглероживание стали инициируется общим окислением стальной поверхности из-за высокого парциального давления кислорода. Реакции окисления и обезуглероживания происходят одновременно, поэтому различные эффекты на оба процесса переплетаются – некоторые пропорционально, а некоторые обратно пропорционально. Как упоминалось ранее, обезуглероживание видимо только в том случае, если окисление стальной поверхности происходит медленнее, чем ее обезуглероживание, т. е. когда окисление углерода и скорость диффузии углерода больше скорости окисления. Видимое обезуглероживание зависит от окислительного потенциала атмосферы в печи под закалку, который также определяет степень окисления поверхности. Это является причиной больших различий в видимом обезуглероживании, происходящем при нагреве на воздухе или, например, в смеси N2 + 2% O2 [8]. Видимое обезуглероживание всегда больше при нагреве в атмосферах с низким содержанием кислорода [8, 10]. На него также влияет прилегание оксидного слоя к поверхности стали (плохое прилегание оксидного слоя увеличивает обезуглероживание из-за снижения скорости окисления), его проницаемость для газов (непроницаемый оксидный слой снижает обезуглероживание), содержание углерода в стали и скорость охлаждения после нагрева, в то время как различные легирующие элементы влияют на кинетику окисления и обезуглероживания. При низких скоростях охлаждения обезуглероживание также происходит во время охлаждения, особенно в двухфазной (α + γ) области, где поверхностный ферритный слой утолщается из-за более медленного окисления. В доэвтектоидных нелегированных сталях общее видимое обезуглероживание уменьшается с более высокими скоростями охлаждения. Это является следствием снижения и сближения температур Ar3 и Ar1 и обусловленного этим уменьшения содержания феррита за счет повышенного содержания перлита [1, 2]. В какой-то момент для каждой характеристики стали достигается критическая скорость охлаждения, Ar3 и Ar1 температуры становятся равными. В этот момент в микроструктуре больше нет доэвтектоидного феррита. Если скорость охлаждения, таким образом, достаточно высока для частично обезуглероженного слоя, то доэвтектоидный феррит больше не будет образовываться и в этом слое, и там будет существовать только перлит. При еще более высоких скоростях охлаждения в частично обезуглероженном слое образуется бейнит или мартенсит. Из-за этого частично обезуглероженный слой не полностью виден при
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1