Теоретические и технологические аспекты энергосберегающей противофлокенной обработки поковок с использованием внепечного замедленного охлаждения в термосах с учетом эффекта захвата водорода ловушками

• Автор: Шабуров, Андрей Дмитриевич
• Шифр специальности: 05.16.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 162 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Флокены в стали
1.1.1 Механизм образования флокенов
1.1.2 Влияние внутренних напряжений
1.1.3 Температура и инкубационный период образования флокенов
1.1.4 Характер расположения флокенов в поковках
1.2 Влияние различных технологических факторов на образование флокенов в стали
1.2.1 Химический и фазовый состав
1.2.2 Термическая обработка
1.3 Задачи исследования
Глава 2. Водород и флокены в стали
2.1 Модель растворения водорода в тройных системах железо-водород-примесь замещения
2.2 Оценка энергии связи атомов водорода и легирующего элемента на основе изменения коэффициента диффузии водорода при легировании.
2.2.1 Теория коэффициента диффузии водорода в сплавах Ре-У-Н
2.2.2 Расчёт энергий взаимодействия атомов водорода с легирующими элементами в а-железе на основе анализа коэффициента диффузии.
2.2.3 Влияние легирующих элементов на давление водорода в микропорах
Выводы по главе
Глава 3. Внутренние напряжения и выделение водорода из стали
3.1 Внутренние напряжения в поковках
3.1.1 Сравнение методов расчёта температурного поля поковок
3.1.2 Расчёт внутренних термических напряжений
3.2 Выделение водорода из крупных поковок при изотермическом отжиге. Сопоставление теории и эксперимента
3.3 Выделение водорода из стали при повышенных температурах
3.3.1 Методика эксперимента
3.3.2 Результаты опытов и их обсуждение
3.4 К вопросу об инкубационном периоде образования флокенов
Выводы по главе
Г лава 4. Оптимизация режимов термической противофлокенной обработки.
4.1 Разработка теории сокращения длительности противофлокенного отжига с использованием термосов замедленного охлаждения
4.1.1 Сокращение времени отжига при охлаждении поковок с постоянной скоростью
4.1.2 Сокращение времени отжига при замедленном охлаждении поковок после ковки
4.1.3 Расчет с учетом реального закона охлаждения поковок
4.2 Теплообмен при охлаждении поковок в термосе
4.2.1 Теплофизический расчет охлаждения поковок в термосе
4.2.2 Экспериментальное подтверждение расчетов
4.3 Промышленное опробование и внедрение режимов противофлокенной обработки с использованием термосов-накопителей
Выводы по главе
Заключение
Библиографический список
Приложение А. Расчет эффекта выделения водорода
Приложение Б. Результаты ультразвукового контроля
Приложение В. Защита интеллектуальной собственности
Приложение Г. Акт внедрения и расчет экономического эффекта внедрения результатов диссертационной работы

Введение
Актуальность темы. Рост производства поковок на металлургических комбинатах уже давно столкнулся с трудностями, связанными с необходимостью проведением длительных изотермических отжигов при противофлокенной термообработке. Если ковка слитков занимает менее 30 мин, то отжиг поковок может длиться 100 и более часов. Возникает потребность в дополнительных печах, расходуется большое количество энергоресурсов и часов рабочего времени. В связи с этим возникла ясная необходимость в сокращении длительности самой ресурсозатратной операции - изотермического отжига - с гарантией отсутствия флокенов.
Один из путей сокращения длительности противофлокенной обработки, по мнению автора работы, может заключаться в проведении изотермического отжига при температуре Aci-{20...40) °С с сильно сокращенной продолжительностью и последующим очень медленным охлаждением поковок в теплоизолированных термосах. Для реализации этого способа необходимо проведение точных теплофизических расчетов охлаждения поковок в термосах и одновременное решение задачи о выделении водорода в такой мере, чтобы окончательная концентрация водорода не превышала 1,5-2,0 ррш и была безопасной с точки зрения образования флокенов. Неясным здесь остаётся влияние скорости охлаждения на термические напряжения в поковках, которые воздействуют на образование флокенов.
Другой способ заключается в создании в стали сильных ловушек водорода, которые могли бы уменьшить концентрацию диффузионно-подвижного водорода до аналогичного уровня. Такими ловушками, как показывают исследования советских и российских металлургов (П.В. Гельд, P.A. Рябов, Д.Я. Дубовой, В.И. Шаповалов, Т.Н. Касаткин, П.В. Склюев, В.И. Архаров и др.), могут выступать атомы легирующих элементов, вакансии, дислокации, границы зерна, меж-фазные границы. В качестве аргумента, что такой путь вполне возможен, можно сослаться на «эффект Архарова» (подавление образования флокенов при легировании стали палладием). Разумеется, палладий является слишком дорогим леги-

Глава 2. Водород и флокены в стали
В теории и практике важной была и остается проблема поведения водорода в железе и сплавах на его основе, для которых нехарактерна большая растворимость водорода. Растворимость водорода уменьшается с понижением температуры, что становится причиной его выделения, приводящего к охрупчиванию и появлению трещин, называемых в металлургии флокенами.
Основываясь на точных решениях задачи о давлении водорода в порах, необходимо разработать принципы подавления флокенообразования в сталях на основе разработки методов создания ловушек для водорода, которые удерживали бы его в низкотемпературной области (ниже 200 °С), где, собственно, и формируются водородные трещины. Например, эффекты выделения водорода в микро-порах можно подавить, если ввести в железо примеси, активно взаимодействующие с водородом, что потребовало разработки теории тройных твёрдых растворов железо-элемент замещения-водород и определения энергии связи водород-примесь замещения на основе приложения этой теории к экспериментальным данным. Эта энергия в значительной степени определяет растворимость водорода в сплавах и уровень давления водорода в микропорах.
В связи с предложенной П.В. Гельдом концепцией вакансионной природы флокенов, также были выполнены исследования по образованию комплексов вакансий с атомами водорода, посредством которых водород может многократно увеличивать концентрацию вакансий. Основные результаты работ по взаимодействию водорода с вакансиями опубликованы в наших исследованиях [57, 58] и подробно отражены в [59]. Показано, что вакансии являются эффективными ловушками для водорода, также как дислокации и некоторые примесные атомы. Помимо вакансионного механизма захвата, известен также эффект захвата водорода границами зерна и межфазными границами, которые нельзя не упомянуть. Они также подробно изложены в [59], и в рамках данного исследования рассматриваться не будут.