Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов
Предложена математическая конечноразностная модель для прогнозирования процесса распада твёрдого раствора в комплексно микролегированных сталях, позволяющая рассчитать температуры выделения карбидов и карбонитридов и оценить изменение их стехиометрического состава. Установлены закономерности процесс...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Металлофизика и новейшие технологии |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104165 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов / А.И. Троцан, В.В. Каверинский, И.Л. Бродецкий // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 7. — С. 919-931. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-104165 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Троцан, А.И. Каверинский, В.В. Бродецкий, И.Л. 2016-07-02T17:58:40Z 2016-07-02T17:58:40Z 2013 Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов / А.И. Троцан, В.В. Каверинский, И.Л. Бродецкий // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 7. — С. 919-931. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1024-1809 PACS numbers: 64.70.kd, 81.05.Bx, 81.30.Mh, 82.60.Fa, 82.60.Lf https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104165 Предложена математическая конечноразностная модель для прогнозирования процесса распада твёрдого раствора в комплексно микролегированных сталях, позволяющая рассчитать температуры выделения карбидов и карбонитридов и оценить изменение их стехиометрического состава. Установлены закономерности процесса карбонитридообразования в различных температурных интервалах при охлаждении стали. Запропоновано математичну скінченнорізницеву модель для прогнозування процесу розпаду твердого розчину в комплексно мікролеґованих сталях, яка уможливлює розрахувати температури виділення карбідів і карбонітридів та оцінити зміну їх стехіометричного складу. Встановлено закономірності процесу карбонітридоутворення в різних температурних інтервалах при охолодженні сталі. The mathematical finite-difference model of a solid-solution decomposition process in complex microalloyed steels, allowing to calculate temperatures of carbides’ and carbonitrides’ precipitation and to estimate change of their stoichiometric composition, is proposed. Regularities of carbonitrides’ formation process in various temperature intervals at steel cooling are determined. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Металлофизика и новейшие технологии Фазовые превращения Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов Prediction of Precipitation of Carbonitrides and Carbides in Microalloyed Steel, Using Thermodynamics Calculations Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов |
| spellingShingle |
Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов Троцан, А.И. Каверинский, В.В. Бродецкий, И.Л. Фазовые превращения |
| title_short |
Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов |
| title_full |
Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов |
| title_fullStr |
Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов |
| title_full_unstemmed |
Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов |
| title_sort |
прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов |
| author |
Троцан, А.И. Каверинский, В.В. Бродецкий, И.Л. |
| author_facet |
Троцан, А.И. Каверинский, В.В. Бродецкий, И.Л. |
| topic |
Фазовые превращения |
| topic_facet |
Фазовые превращения |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Металлофизика и новейшие технологии |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Prediction of Precipitation of Carbonitrides and Carbides in Microalloyed Steel, Using Thermodynamics Calculations |
| description |
Предложена математическая конечноразностная модель для прогнозирования процесса распада твёрдого раствора в комплексно микролегированных сталях, позволяющая рассчитать температуры выделения карбидов и карбонитридов и оценить изменение их стехиометрического состава. Установлены закономерности процесса карбонитридообразования в различных температурных интервалах при охлаждении стали.
Запропоновано математичну скінченнорізницеву модель для прогнозування процесу розпаду твердого розчину в комплексно мікролеґованих сталях, яка уможливлює розрахувати температури виділення карбідів і карбонітридів та оцінити зміну їх стехіометричного складу. Встановлено закономірності процесу карбонітридоутворення в різних температурних інтервалах при охолодженні сталі.
The mathematical finite-difference model of a solid-solution decomposition process in complex microalloyed steels, allowing to calculate temperatures of carbides’ and carbonitrides’ precipitation and to estimate change of their stoichiometric composition, is proposed. Regularities of carbonitrides’ formation process in various temperature intervals at steel cooling are determined.
|
| issn |
1024-1809 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104165 |
| citation_txt |
Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов в микролегированной стали с применением термодинамических расчётов / А.И. Троцан, В.В. Каверинский, И.Л. Бродецкий // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 7. — С. 919-931. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT trocanai prognozirovanievydeleniâkarbonitridovikarbidovvmikrolegirovannoistalisprimeneniemtermodinamičeskihrasčetov AT kaverinskiivv prognozirovanievydeleniâkarbonitridovikarbidovvmikrolegirovannoistalisprimeneniemtermodinamičeskihrasčetov AT brodeckiiil prognozirovanievydeleniâkarbonitridovikarbidovvmikrolegirovannoistalisprimeneniemtermodinamičeskihrasčetov AT trocanai predictionofprecipitationofcarbonitridesandcarbidesinmicroalloyedsteelusingthermodynamicscalculations AT kaverinskiivv predictionofprecipitationofcarbonitridesandcarbidesinmicroalloyedsteelusingthermodynamicscalculations AT brodeckiiil predictionofprecipitationofcarbonitridesandcarbidesinmicroalloyedsteelusingthermodynamicscalculations |
| first_indexed |
2025-11-25T20:35:21Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:35:21Z |
| _version_ |
1850525978695041024 |
| fulltext |
919
PACS numbers: 64.70.kd, 81.05.Bx, 81.30.Mh, 82.60.Fa, 82.60.Lf
Прогнозирование выделения карбонитридов и карбидов
в микролегированной стали с применением
термодинамических расчётов
А. И. Троцан, В. В. Каверинский, И. Л. Бродецкий
Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины,
ул. Кржижановского, 3,
03142 Киев, Украина
Предложена математическая конечноразностная модель для прогнозиро-
вания процесса распада твёрдого раствора в комплексно микролегиро-
ванных сталях, позволяющая рассчитать температуры выделения карби-
дов и карбонитридов и оценить изменение их стехиометрического соста-
ва. Установлены закономерности процесса карбонитридообразования в
различных температурных интервалах при охлаждении стали.
Запропоновано математичну скінченнорізницеву модель для прогнозу-
вання процесу розпаду твердого розчину в комплексно мікролеґованих
сталях, яка уможливлює розрахувати температури виділення карбідів і
карбонітридів та оцінити зміну їх стехіометричного складу. Встановлено
закономірності процесу карбонітридоутворення в різних температурних
інтервалах при охолодженні сталі.
The mathematical finite-difference model of a solid-solution decomposition
process in complex microalloyed steels, allowing to calculate temperatures of
carbides’ and carbonitrides’ precipitation and to estimate change of their
stoichiometric composition, is proposed. Regularities of carbonitrides’ for-
mation process in various temperature intervals at steel cooling are deter-
mined.
Ключевые слова: карбонитриды, сталь, распад твёрдого раствора, моде-
лирование.
(Получено 25 февраля 2013 г.; окончат. вариант– 6 июня 2013 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
В низкоуглеродистых микролегированных сталях значительную
Металлофиз. новейшие технол. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol.
2013, т. 35, № 7, сс. 919—931
Оттиски доступны непосредственно от издателя
Фотокопирование разрешено только
в соответствии с лицензией
© 2013 ИМФ (Институт металлофизики
им. Г. В. Курдюмова НАН Украины)
Напечатано в Украине.
920 А. И. ТРОЦАН, В. В. КАВЕРИНСКИЙ, И. Л. БРОДЕЦКИЙ
роль играет выделение карбидов и карбонитридов из твёрдого рас-
твора [1, 2]. В качестве микролегирующих карбонитридообразую-
щих элементов используются Ti, Nb, V, N и реже Zr. Карбонитрид-
ные выделения способствуют дисперсионному упрочнению металла
[1—3], а также препятствуют росту зерна аустенита при нагреве [4].
При модифицировании сталей порошками карбидов и нитридов
часть модификатора переходит в раствор [5] и имеет место микроле-
гирование. Описание процесса выделения карбонитридной фазы в
комплексно микролегированных сталях с применением компью-
терной техники позволяет осуществить физико-химические расчё-
ты для оценки условий образования и состава кабронитридов в ста-
лях различного состава. В настоящей работе на основе термодина-
мических расчётов проведен анализ температурных интервалов
выделения карбонитридов и изменения их состава. Предлагаемая в
данной работе модель описывает одновременное образование кар-
бонитридов нескольких элементов, а также влияние на этот процесс
изменения состава твёрдого раствора по мере их выделения, что
представляет собой дальнейшее развитие метода расчёта парамет-
ров образования упрочняющих фаз при микролегировании стали
карбонитридообразующими элементами, предложенного нами ра-
нее в работе [6].
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
В основе математической модели лежит метод расчёта, базирую-
щийся на физико-химических принципах, изложенных в работе [7]
и использованных нами в работе [6]. Реакции выделения карбидов
и нитридов из металла можно записать следующим образом:
a[X] + b[N] = XaNb, (1)
a[X] + b[C] = XaCb. (2)
Карбонитрид можно представить, как взаимный раствор соответ-
ствующего карбида и нитрида. Предполагая, что этот раствор явля-
ется идеальным, можно записать систему уравнений:
NX
XN
1
]N[]X[ ff
x
K = , (3)
CX
XC
2
]C[]X[ ff
x
K = , (4)
1XCXN =+ xx , (5)
где K1 – константа равновесия реакции (1), xXN – доля нитрида в
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ КАРБОНИТРИДОВ И КАРБИДОВ 921
карбонитриде, [X] – равновесная с карбонитридом концентрация
карбидообразующего элемента, fX – коэффициент активности кар-
бидообразующего элемента, [N] – равновесная с карбонитридом
концентрация азота, xXС – доля карбида в карбонитриде, fN – ко-
эффициент активности азота, K2 – константа равновесия реакции
(2), [С] – равновесная с карбонитридом концентрация углерода, fС
– коэффициент активности углерода.
Решение системы уравнений (3)—(5) позволяет определить равно-
весный с металлом состав карбонитридов и температуру их образо-
вания (температура входит в уравнения неявно, в виде зависящих
от неё параметров). Константы равновесия K1 и K2 задаются как
функции от температуры (6):
BTAK += /lg , (6)
где A, B – эмпирические постоянные, T – температура [К].
Постоянные A и B рассчитываются из температурной зависимо-
сти изменения энергии Гиббса при протекании реакции выделения
карбида или нитрида из раствора. Для этого рассчитываем по фор-
муле (7) значения логарифма константы равновесия при двух раз-
личных температурах
RT
G
K
3,2
lg
Δ−= , (7)
где ΔG – изменение энергии Гиббса при образовании карбида или
нитрида в расплаве [Дж/моль], R – универсальная газовая посто-
янная [Дж/(моль⋅К)].
Подставив значения константы равновесия и температуры в
уравнение (6) получаем систему, из которой находим A и B. Значе-
ние ΔG можно получить сложением изменений энергий Гиббса ΔG1,
ΔG2, ΔG3 при следующих реакциях соответственно:
1. реакции образования соединения из нитридо- или карбидообразу-
ющего элемента и азота (для нитридов) или углерода (для карбидов)
X(тв.) + (1/a)Ya(г. или тв.) = XY(тв.); (8)
2. реакции перехода нитридо- или карбидообразующего элемента в
раствор
X(тв.) = [%X](1% в Fe); (9)
3. реакции растворения азота или углерода
Ya (г. или тв.) = [%Y](1% в Fe). (10)
922 А. И. ТРОЦАН, В. В. КАВЕРИНСКИЙ, И. Л. БРОДЕЦКИЙ
Вычитая из уравнения (8) уравнения (9) и (10) мы получаем
уравнение эквивалентное уравнению (1) или (2):
[%X] + [%Y] = XN. (11)
Результирующее изменение энергии Гиббса соответственно будет
321 GGGG Δ−Δ−Δ=Δ . (12)
Значения коэффициентов активности находим по методу, пред-
ложенному в работе [6], используя параметры взаимодействия пер-
вого и второго порядка и данные о химическом составе стали. Па-
раметры взаимодействия являются коэффициентами ряда Тейлора,
в который можно разложить логарифм коэффициента активности
компонента раствора вблизи точки, соответствующей чистому рас-
творителю. Таким образом, через параметры взаимодействия коэф-
фициент активности компонента рассчитывается по формуле:
2
XX
спл.
X ][%][%lg jrjef
j
j
j
j += , (13)
где
jeX и
jrX – параметры взаимодействия соответственно первого и
второго порядков, [%j] – процентное содержание компонентов
сплава (легирующих элементов и примесей).
Логарифмируя уравнения (3) и (4) и подставляя в них выражения
температурных зависимостей логарифмов констант равновесия K1
и K2, согласно выражению (6), система основных уравнений задачи
примет вид:
XN1NX1 lglglg])X][Nlg([/ xBffTA =++++ , (14)
XC2CX2 lglglg])X][Clg([/ xBffTA =++++ , (15)
1XCXN =+ xx , (16)
где A1, B1, A2, B2 – постоянные из выражения для температурной
зависимости константы равновесия для реакции (1) и реакции (2)
соответственно.
Ведём обозначения:
1NX1 lglg)X][N]lg([ BffL +++= , (17)
2CX2 lglg])X][Clg([ BffL +++= . (18)
После подстановки выражения (17) в уравнение (14) и выраже-
ния (18) в уравнение (15) система основных уравнений задачи при-
мет вид:
XN11 lg/ xLTA =+ , (19)
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ КАРБОНИТРИДОВ И КАРБИДОВ 923
XC22 lg/ xLTA =+ , (20)
1XCXN =+ xx . (21)
Исключим из полученной системы одну из неизвестных – T. Для
этого умножим уравнение (19) на A2/A1 и вычтем из полученного
выражения уравнение (20), получим:
XCXN
1
2
21
1
2 lglg xx
A
A
LL
A
A −=− . (22)
Подставляя в уравнение (22) значение xXN из уравнения (21) по-
сле преобразования получаем:
121212 /
XC
/
XC )1(10
AAAALL
xx −= −
. (23)
Полученное уравнение (23) является трансцендентным и не име-
ет однозначного алгебраического решения относительно xXC в об-
щем виде, но может быть решено численно методом итераций.
Определив значение xXC из уравнения (23), значение xXN находится
из уравнения (21). Затем, исходя из уравнения (19) или (20) можно
найти приблизительное значение температуры образования карбо-
нитрида:
1XN
1
lg Lx
A
T
−
= . (24)
Оценив в первом приближении по уравнению (24) температуру
образования карбонитрида следует пересчитать значения коэффи-
циентов активности и повторять вычисления до получения задан-
ной точности. Температурная зависимость коэффициентов актив-
ности оценивалась на основе теории псевдорегулярных растворов
по формуле:
спл.
)(X
0
0спл.
X 0
lglg Tf
T
T
T
T
f
−τ
−τ= , (25)
где
спл.
Xf – коэффициент активности компонента Х при температуре
Т, Т0 – температура, для которой изначально рассчитан коэффи-
циент активности, Т – температура металла, τ – параметр теории,
который принимался приблизительно равным 7000,
спл.
)(X 0
lg Tf – ко-
эффициент активности компонента Х при температуре Т0.
По мере выделения карбонитридов раствор обедняется карбонит-
ридообразующими элементами, азотом и углеродом. Следователь-
но, состав твердого раствора изменяется, что приводит к изменению
условий образования карбонитридов. Опираясь на описанный ме-
тод расчёта, нами была создана конечноразностная модель образо-
924 А. И. ТРОЦАН, В. В. КАВЕРИНСКИЙ, И. Л. БРОДЕЦКИЙ
вания карбонитридов при охлаждении металла. Вычисления вы-
полняются на каждом шаге расчёта для всех имеющихся в стали
сильных карбонитридообразующих элементов. Сопряжено выпол-
няется балансовый расчёт изменения состава твёрдого раствора. На
каждом последующем шаге расчёта условия выделения карбонит-
ридов отличаются, в частности, изменяются коэффициенты актив-
ности элементов. Применение указанного метода расчёта позволило
учесть влияние выделения более высокотемпературных карбонит-
ридов на равновесные температурные интервалы образования и со-
ставы более низкотемпературных.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Ниже приведен пример расчета образования карбонитридов в стали
08Г2МФБ следующего химического состава: С – 0,07%, Mn –
1,47%, Si – 0,20%, S – 0,003%, P – 0,008%, Cr – 0,04%, Ni –
0,02%, Cu – 0,03%, Ti – 0,013%, Al – 0,034%, Nb – 0,064%, V –
0,065%, Mo – 0,19%, N – 0,006%, H – 0,00029%, Sn – 0,0006%,
O – 0,0015%, Zr – 0,001%. В данной стали содержатся сильные
карбонитридообразующие элементы: Nb, V, Ti и небольшие примеси
Zr и N, что указывает на возможное выделение карбонитридов.
В таблицах 1 и 2 соответственно приведены параметры взаимо-
действия первого и второго порядков на основе данных работ [7—9]
для температуры 1500°C (1773 К), использованные нами в расчётах.
Неизвестные параметры взаимодействия приближённо оценива-
лись как среднее арифметическое по отношению к параметрам для
нескольких элементов аналогов [7]. Усреднение проводилось для
параметров
j
iε , так как они связаны с количеством атомов. Связь
между параметрами
j
ie и
j
iε определяется соотношениями:
]/)[()/(230 111 MMMeMM j
j
ij
j
i −+=ε , (26)
]/)()[230/( 111 MMMMMe j
j
ij
j
i −+ε= , (27)
где M1 – молекулярная масса растворителя (в данном случае желе-
за), Mj – молекулярная масса элемента j.
Кроме того, учитывались параметры взаимодействия второго по-
рядка 00008,0
NiCr,
N −=r и 0006,0
NiCr,
Ti −=r .
Расчёт температурных интервалов выделения и состава карбо-
нитридов титана, ванадия, ниобия и циркония выполнен для слу-
чая медленного охлаждения стали, в предположении, что процесс
идёт равновесно (без учёта кинетики).
Наиболее высокотемпературным в данной стали являлся карбо-
нитрид Nb, который начинает выделяться при 1386°C. Состав первых
карбонитридов NbC0,38N0,61.
Т
А
Б
Л
И
Ц
А
1
.
П
а
р
а
м
е
т
р
ы
в
з
а
и
м
о
д
е
й
с
т
в
и
я
j i
e
п
е
р
в
о
г
о
п
о
р
я
д
к
а
(
×1
0
0
).
Э
л
е
м
е
н
т
j
Э
л
ем
ен
т
i
C
M
n
S
i
S
P
C
r
N
i
C
u
T
i
A
l
N
b
V
M
o
N
H
S
n
O
Z
r
N
1
4
−2
,2
5
,0
0
,7
4
,8
−5
,1
1
,1
0
,9
−6
5
−3
,0
−6
,2
−9
,9
−1
,2
0
0
0
,7
5
,3
−6
8
С
1
5
−1
,2
8
,5
4
,9
5
,4
−2
,6
1
,3
1
,7
−3
3
4
,6
−6
,4
−8
,2
−0
,8
1
2
7
1
4
,4
−3
6
−9
3
*
T
i
−1
3
3
*
−
−
−1
2
−
2
,3
−1
9
2
0
1
,3
8
−
−
−
−
−1
9
1
−1
1
7
−
−1
9
2
−
N
b
−5
2
−
−
−5
,0
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−4
4
−6
5
−
−8
8
−
V
−3
6
−
4
,4
−3
,0
−
−
−
−
−
−
−
1
,6
−
−3
7
−6
3
0
−1
0
3
−
Z
r
−1
4
0
*
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−4
3
7
0
−1
7
−
−
*
П
р
и
б
л
и
з
и
т
е
л
ь
н
а
я
о
ц
е
н
к
а
п
а
р
а
м
е
т
р
а
ч
е
р
е
з
з
н
а
ч
е
н
и
я
д
л
я
э
л
е
м
е
н
т
о
в
а
н
а
л
о
го
в
.
Т
А
Б
Л
И
Ц
А
2
. П
а
р
а
м
е
т
р
ы
в
з
а
и
м
о
д
е
й
с
т
в
и
я
j ir
в
т
о
р
о
г
о
п
о
р
я
д
к
а
(
×1
0
0
).
Э
л
е
м
е
н
т
j
Э
л
е
м
е
н
т
i
C
S
i
P
C
r
N
i
T
i
A
l
V
S
n
N
−
−
0
,0
0
0
3
2
0
,0
0
0
6
0
,0
0
0
0
7
−
−
−
−
С
0
,0
0
7
4
0
,0
0
0
7
0
,0
0
4
1
−
−
−
−0
,0
0
0
7
0
,0
0
0
1
0
,0
0
0
2
T
i
−
−
−
−0
,0
0
0
1
−0
,0
0
0
5
−0
,0
0
1
−
−
−
V
−
−0
,0
0
0
6
−
−
−
0
0
−0
,0
0
0
1
0
ПРОГНОЗИРОВАНИЕВЫДЕЛЕНИЯКАРБОНИТРИДОВИКАРБИДОВ 925
926 А. И. ТРОЦАН, В. В. КАВЕРИНСКИЙ, И. Л. БРОДЕЦКИЙ
На рисунке 1, а представлен график изменения в нём доли кар-
бидной составляющей с понижением температуры, из которого
видно, что по мере выделения в карбонитриде ниобия растёт доля
углерода. Это связано с расходом азота на образование карбонитри-
дов ниобия и титана. На графике наблюдается излом при 1223°C,
наличие которого связанно с началом выделения карбонитрида ти-
тана и расходом азота на его образование.
На рисунке 1, б приведен график изменения содержания Nb в
твёрдом растворе при снижении температуры, из которого видно,
что вначале выделение карбонитрида идёт более «интенсивно», что
приводит к снижению содержания Nb в твёрдом растворе. Затем
«интенсивность» выделения карбонитрида уменьшается. При
охлаждении от 1124 до 976°C содержание Nb в твёрдом растворе
практически не изменяется, что говорит об отсутствии выделения
карбонитридов и связано с расходом к данному моменту значитель-
ной доли азота, когда оставшегося азота недостаточно для даль-
нейшего выделения карбонитрида. Выделение чистого карбида при
столь высоких температурах термодинамически не выгодно. В пе-
риод охлаждения от 976 до 850°C содержание Nb в твёрдом растворе
уменьшается – выделяется его карбид. При низких температурах
Nb оказывается связанным и образования его карбонитридов и кар-
бидов практически не наблюдается.
На рисунке 2, а представлена диаграмма, показывающая массы
карбидов и карбонитридов ниобия, приходящиеся на 1 кг металла,
выделившиеся в различных температурных интервалах. Всего в
1 кг данной стали, согласно расчётам, после охлаждения имеется
≅ 0,72 г карбидов и карбонитридов ниобия. Согласно диаграмме на
рис. 2, а, из них 0,38 г (53%) выделились при температурах 1386—
1286°C, 0,21 г (29%) – при 1286—1186°C, 0,097 г (13,5%) – при
температурах 1186—1086°C (основное количество приходится на
интервал 1186—1124°C). Более низкотемпературные карбиды выде-
а б
Рис. 1. Изменение доли карбидной составляющей в выделяющемся карбо-
нитриде Nb (а) и содержания Nb в твёрдом растворе (б) по мере снижения
температуры.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ КАРБОНИТРИДОВ И КАРБИДОВ 927
ляются при температурах ниже 976°C и составляют 4,5% от общего
количества карбидов и карбонитридов ниобия.
Из сопоставления графика на рис. 1, а и диаграммы на рис. 2, а
видно, что 53% выделившихся карбонитридов ниобия имеют состав
от NbC0,38N0,61 до NbC0,47N0,52, 29% – от NbC0,47N0,52 до NbC0,67N0,32,
13,5% – от NbC0,67N0,32 до NbC0,99N0,01 и 4,5% – карбид ниобия.
Следовательно, по составу карбонитрида ниобия можно оценить
температуру его выделения.
Следующим выделяется карбонитрид титана. Его образование
начинается ниже 1220°C. Выделяющаяся фаза имеет начальный
состав TiC0,0013N0,9986. На рисунке 3, а отражено изменение состава
карбонитрида титана при охлаждении металла. Доля углерода в
карбонитриде растёт по мере его выделения, но до 910°C остаётся
низкой. Ниже 702°C происходит выделение карбида титана. В пе-
риод охлаждения от 910 до 702°C возможно выделение карбонитри-
дов промежуточных составов. Количество таких карбонитридов не-
значительно (рис. 2, б), а содержание титана в твёрдом растворе
убывает крайне мало (рис. 3, б).
Таким образом, соединения титана представляют собой либо
практически чистый нитрид, выделившийся в высокотемператур-
ной области, либо карбид, выделившийся ниже 700°C. Общее со-
держание соединений титана, выделившихся при охлаждении дан-
а б
в
Рис. 2. Массы карбидов и карбонитридов в 1 кг металла, выделившиеся в
различных температурных интервалах:ниобия (а), титана (б),циркония (в).
928 А. И. ТРОЦАН, В. В. КАВЕРИНСКИЙ, И. Л. БРОДЕЦКИЙ
ной стали составляет примерно 0,165 г на 1 кг металла. Из них
0,067 г (40,6%) представляет карбонитрид титана с преобладанием
нитридной составляющей состава от TiC0,001N0,998 до TiC0,019N0,988,
выделившийся при температурах 1222—910°C, 0,097 г/кг (59,4%)
будет представлено TiC, выделившимся ниже 700°C. Количество
выделившихся карбонитридов переходного состава составит
9,95⋅10
−6
г/кг (0,006%).
Следующим при температурах ниже 909°C начинается выделе-
ние карбонитрида циркония. Более низкая температура начала их
выделения объясняется крайне малым (0,001%) содержанием цир-
кония в стали. Согласно расчётам, в период охлаждения стали от
909 до 748°C в выделяющемся карбонитриде преобладает нитрид-
ная составляющая. Состав его с понижением температуры изменя-
ется от ZrC0,005N0,994 до ZrC0,077N0,922. При более низких температурах
практически весь азот оказывается связанным, выделение его при-
останавливается. При температурах ниже 653°C выделяется карбид
циркония. Изменение содержания Zr в твёрдом растворе в период
охлаждения от 909 до 653°C изменяется незначительно (от 0,001 до
0,00094%), что говорит о малом количестве выделяющегося карбо-
нитрида. При температурах ниже 653°C, количество циркония в
твёрдом растворе убывает с понижением температуры, расходуясь
на образования карбида. Ниже 452°C цирконий оказывается свя-
занным в виде карбида. Так как содержание Zr мало, то масса вы-
делившихся его карбидов и нитридов незначительна и составляет
около 11 мг на 1 кг стали. На рисунке 2, в представлена диаграмма,
показывающая массы карбидов и карбонитридов циркония, прихо-
дящиеся на 1 кг металла, выделившиеся в различных температур-
ных интервалах. Из диаграммы видно, что основная часть соедине-
а б
Рис. 3. Изменение доли карбидной составляющей в выделяющемся карбо-
нитриде Ti (а) и содержания Ti в твёрдом растворе (б) по мере снижения
температуры.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ КАРБОНИТРИДОВ И КАРБИДОВ 929
ний циркония в стали указанного состава выделяется в виде карби-
да в ферритной области. Количества нитрида, выделяющегося в
процессе превращения аустенита в феррит крайне малы (десятые
миллиграмма на 1 кг металла).
Наиболее низкотемпературным является карбид ванадия. Нит-
риды и карбонитриды ванадия в указанных условиях не выделяют-
ся, так как к моменту начала выделения его карбида (ниже 514°C)
весь азот уже связан в высокотемпературные нитриды и карбонит-
риды. Количество выделившегося карбида ванадия составит около
0,67 г/кг.
Как видно из диаграмм на рис. 2, количество выделяющихся за
температурный интервал соединений одного и того же карбонитри-
дообразующего элемента с изменением температуры изменяется не
плавно, а убывает до малых значений при понижении температуры;
затем при определённом её значении резко возрастает и затем вновь
понижается. Такой характер изменения «интенсивности» выделе-
ния характерен в той или иной степени для всех приведенных кар-
бонитридообразующих элементов и объясняется тем, что они обра-
зуют в стали фактически два типа соединений: карбонитрид с пре-
обладанием нитридной составляющей (более высокотемператур-
ный) и карбонитрид с преобладанием карбидной составляющей
вплоть до практически чистого карбида (более низкотемператур-
ный). Таким образом, второй максимум на этих диаграммах соот-
ветствует началу выделения более низкотемпературного соедине-
ния данного элемента на основе его карбида. Указанный характер
выделения в стали двух карбонитридов одного элемента подтвер-
ждается данными работы [10].
В таблице 3 в качестве обобщения вышеизложенных результа-
ТАБЛИЦА 3. Составы, температурные интервалы выделения и масса вы-
деляющихся в стали 08Г2МФБ карбонитридов и карбидов.
Состав
Температуры
выделения, °C
Масса, г/кг
Отдельного
соединения
Всех соединений
данного элемента
NbC0,38N0,61—NbC0,99N0,01 1386—1124 0,687
0,719
NbC < 976 0,032
TiC0,0013N0,9986—TiC0,019N0,988 1222—910 0,067
0,164
TiC < 700 0,097
ZrC0,005N0,994—ZrC0,077N0,922 909—748 0,005
0,016
ZrC < 653 0,011
VC < 514 0,670 0,670
Итого 1,569
930 А. И. ТРОЦАН, В. В. КАВЕРИНСКИЙ, И. Л. БРОДЕЦКИЙ
тов, представлены составы, температурные интервалы выделения и
количества выделяющихся в данной стали карбонитридов и карби-
дов. Как видно из приведенных данных, в 1 кг стали указанного со-
става в равновесных условиях при охлаждении до комнатной тем-
пературы будет содержаться ≅ 1,57 г карбидных и нитридных фаз, в
которых связан практически весь азот и карбонитридообразующие
элементы.
4. ВЫВОДЫ
1. Построена термодинамическая модель, позволяющая прогнози-
ровать процесс выделения карбонитридов из твёрдого раствора в
комплексно микролегированных сталях при охлаждении металла,
учитывающая взаимное влияние выделения карбонитридов одних
элементов на процесс выделения других.
2. Предложенная модель позволяет рассчитать массы карбонитри-
дов, выделяющихся при различных температурах и предсказать их
состав и температуру выделения, что представляет интерес для оп-
тимизации термической и термомеханической обработки сталей с
карбонитридным упрочнением. Кроме того, она дает возможность
объяснить наличие в стали карбонитридов различного состава, об-
разованных одним и тем же элементом.
3. Показано, что наличие карбидных фаз в стали, содержание азота
в которой теоретически должно приводить к образованию нитридов
и карбонитридов с нитридным преобладанием и снижение темпера-
туры их выделения, обусловлено расходом азота на образование вы-
сокотемпературных нитридов и его распределением между не-
сколькими карбонитридообразующими элементами, а также рас-
ходом этих элементов на образование карбонитридов в ходе их вы-
деления и, тем самым, уходом их из твёрдого раствора.
4. Смоделирован процесс образования карбонитридов и карбидов в
стали 08Г2МФБ. Установлена возможность образования двух типов
соединений одних и тех же элементов: высокотемпературных кар-
бонитрида ниобия состава NbC0,38N0,61—NbC0,99N0,01, карбонитрида
титана состава TiC0,0013N0,9986—TiC0,019N0,988 и более низкотемператур-
ных их соединений с преобладанием карбидной составляющей. Со-
единения Zr и V в данной стали представляют собой главным обра-
зом низкотемпературные карбиды.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. М. Ю. Матросов, Л. И. Эфрон, А. А. Кичкина, И. В. Лясоцкий, МиТОМ,
№ 3: 44 (2008).
2. В. И. Большаков, И. А. Монгайт, Изв. вузов. Черная металлургия, № 7: 102
(1983).
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ КАРБОНИТРИДОВ И КАРБИДОВ 931
3. А. Д. Рябцев, А. А. Троянский, Е. Л. Корзун, В. Ю. Мастепан, М. В. Самбор-
ский, Современная электрометаллургия, № 4: 3 (2003).
4. Ю. И. Матросов, Д. А. Литвиненко, С. А. Голованенко, Сталь для маги-
стральных трубопроводов (Москва: Металлургия: 1989).
5. А. І. Троцан, В. В. Каверинський, І. Л. Бродецький, Металознавство та
обробка металів, № 2: 54 (2011).
6. А. И. Троцан, В. В. Каверинский, И. Л. Бродецкий, Сб. научных трудов
«Строительство, материаловедение, машиностроение» (Днепропетровск:
2012), вып. 63, с. 40.
7. В. А. Григорян, А. Я. Стомахин, А. Г. Понаморенко, Л. Н. Белянчиков,
Ю. И. Уточкин, Г. И. Котельников, О. И. Островский, Физико-химические
расчёты электросталеплавильных процессов (Москва: Металлургия:
1989).
8. G. K. Sigworth and J. F. Elliot, Met. Sci., 8: 298 (1974).
9. Steelmaking Data Sourcebook. The 19th
Committee in Steelmaking (New York:
Gordon and Breach Science Publishers: 1988).
10. И. И. Горбачев, В. В. Попов, А. Ю. Пасынков, Физ. мет. металловед., 113,
№ 7: 727 (2012).
|