Tepelné zpracování a řízenými atmosférami

Pomocí řízených atmosfér můžeme buď zabránit výměně složek mezi povrchem materiálu a plynným prostředím nebo tuto výměnu regulovat. Pro výměnu složek přichází v úvahu jen ty složky oceli, které při teplotě tepelného zpracování přecházejí do plynného stavu nebo do plynných sloučenin. V prvé řadě jsou to kyslík, uhlík a dusík. Naproti tomu složky vodíku, síry, chrómu apod., které se rovněž mohou zúčastnit zmíněné výměny složek, hrají technicky podřadnější roli. Pro tři dříve zmíněné složky (kyslík, uhlík, dusík) jsou v tabulce uvedeny plynné sloučeniny, které se účastní výměny složek. Uhlík a dusík jsou na konci tabulky uvedeny dohromady, protože současná výměna obou složek je technicky významná. Rozčlenění jednotlivých rubrik podle směrů výměny složek udává schéma. které nám popisuje pochody veškerého tepelného zpracování s řízenými atmosférami.  Přes toto velmi názorné uspořádání jednotlivých pochodů nemůžeme z tohoto schéma vyčíst žádné přímé pokyny pro dělení jednotlivých řízených atmosfér.

CO/CO₂

>

<

není transport prvku 

Redukce okují

lesklé žíhání

CH₄/H₂

 >

<

není transport prvku 

oduhličování

bezoduhličující žíhání

 >

<

není transport prvku 

ochuzování dusíkem

CH₄/H₂

NH₃/H₂

 >

<

není transport prvku 

ohuhličování a ochuzování dusíkem

Druhy řízených atmosfér

      Protože parciální tlaky složek, které jsou v oceli i v plynných směsích různého složení známy, lze počítat chování jednotlivých atmosfér. Molekulární dusík se za normálních okolností nezúčastní reakcí a nemusíme ho proto nadále uvazovat. Můžeme odvodit následující kvalitativní podmínky pro složení umělých atmosfér. 

1. Hranice mezi oxidací a redukcí (výměna kyslíku) u nelegovaných a nízkolegovaných ocelí je podle teploty pro poměr CO2 / CO od 0,3 do 3,0 a pro poměr H2O / H2 od 0,02 do 1,0 v řízené atmosféře. Nachází-li se obě tyto plynné směsi v řízené atmosféře, nastaví se složení těchto čtyř složek podle teploty a reakce vodního plynu. Uhlíkový potenciál takovéto plynné směsi leží pod 0,1 % C.

2. Hranice pro slabé nauhličování až po nasycení materiálu uhlíkem se dosáhne teprve při velmi nízkých poměrech CO2 / CO a H2O / H2. Již nepatrné obsahy CH4 vedou k sycení ocelí uhlíkem.
3. Při procesech, při nichž nemá dojít k žádné výměně složek, může se použít plynných směsí ad a) a ad b), jestliže jejich složení odpovídá při dané teplotě přesně rovnováze.
4. Obsahuje-li ocel větší obsahy složek, které mají velmi nízký parciální tlak kyslíku (chrom, hliník, křemík), pak musí být řízená atmosféra zbavena složek CO2 a H2O i CO, má-li být ocel bezoxidačně žíhána, protože i parciální tlak kyslíku v čistém CO je větší a oxidoval by zmíněné složky .
5. Parciální tlak normálního molekulárního dusíku je příliš malý, aby mohl způsobit nitridaci ocelí. Naproti tomu směsi NH3H2 vykazují dostatečný parciální tlak dusíku.

Toto členění nám dává čtyři základní typy řízených atmosfér s rozsahem použití. Směs plynů uvedená pod bodem ad e) je pro výrobu řízených atmosfér méně zajímavá, protože se dá připravit bez speciálních zařízení. Rovnováhy mezi řízenou atmosférou a ocelí závisí jen na poměru přítomných složek ve směsi, ne na jejich absolutní výši. Pro praktické použití vyskytují se přesto určité optimální podmínky.  

         Pro výrobu řízených atmosfér přichází v úvahu uhlovodíky nebo plyny uhlovodíky obsahující. Pro získání štěpného plynu vychází se běžně z bezuhlíkového čpavku. Analýza řízených atmosfér se provádí v podstatě z určení poměru uhlíku k vodíku ve výchozím plynu. V tabulce jsou uvedeny nejdůležitější výchozí látky. U generátorového plynu převažuje podíl uhlíku tak silně, že při výrobě řízených atmosfér vznikají nepříznivé poměry.

Dále je nutno vzít v úvahu při volbě výchozí látky. že při výrobě řízených atmosfér nutné přeměny probíhají bez rušivých produktů (např. tvoření sazí) a je nutno se vyhnout nežádoucím součástem (např. sloučeniny síry).

Při srovnání nákladů se musí vzít v úvahu množství řízené atmosféry vyrobené z jednotky množství výchozí 1átky.

      Základním pochodem při výrobě řízených atmosfér je reakce uhlíkovodíkových látek se vzduchem při teplotách přes 1000 °C. Vzniklé složení plynné směsi se odečte ze spalovacích diagramů. Jako příklad je uveden spalovací diagram čistého propanu - viz obr. 1.

Obr. 1 Výroba řízených atmosfér z propanu

osa X - poměr vzduch - propan

osa Y - složení řízené atmosféry

1 - volný C ( saze )

2 - atmosféra pro lesklé žíhání

3 - inertní atmosfér

4 - volný kyslík

5 - neuhličující atmosféra

6 - endotermické atmosféry

7 - exotermické atmosféry

Spalovací diagramy ostatních výchozích plynů mají obdobný průběh. Praktický pracovní rozsah zmíněného diagramu je vymezen dvěma vertikálními čarami: vlevo dochází k vylučování sazí, vpravo k výskytu volného kyslíku. V prostředku je pásmo pro lesklé žíhání, těsně u hranice tvorby sazí je úzké pásmo pro nauhličování a u hranice volného kyslíku je pásmo inertního plynu. Mezi nauhličujícím plynem a plynem pro lesklé žíhání je přechod z "endotermické" na "exotermickou" atmosféru. V prvním případě musí být reakční komora z vnějšku topená. V rozsahu pásma inertního plynu je křivka pro CO2 znázorněna čárkovaně, protože tato složka musí být dodatečně odstraněna. 

Pro určení chování plynu pro lesklé žíhání ocelí je velmi užitečný diagram obr. 2, který se opět vztahuje k propanu jako výchozímu plynu.

Obr. 2 Složení řízené atmosféry pro lesklé žíhání z propanu

1 - nesušená

2 - sušená

Ukazuje názorně, kde se řízené atmosféry o různém složení nacházejí vůči oxidační křivce. Sušení plynu je tehdy nutné, jestliže se má ochlazovat při zachování lesklého povrchu,  přičemž stupeň vysušení závisí na rychlosti ochlazování. 

Uhlíkové plyny se nastavují podle známých diagramů rosného bodu obr. 3. 

Obr. 3 Vzath mezi uhlíkovým potenciálem, rosným bodem a teplotou pecní atmosféry obsahující 31% H₂ a 23% CO

Poměr plyn-vzduch při výrobě nauhličujících plynů je zcela ohraničen, což vychází z úzkého rozsahu nauhličujícího pásma v obr.1. Obsah H₂ a CO nesmí být proto měněn. U inertní atmosféry není nutno použít rovnovážných diagramů, protože u této atmosféry nedochází k výměně prvků mezi materiálem a prostředím v důsledku rovnováhy , nýbrž pro nepřítomnost reakčních partnerů. Zacházení s těmito atmosférami je poměrně jednoduché. Pro malý obsah hořlavých složek jsou nevýbušné a s výhodou se používají všude tam. kde procesy tepelného zpracování probíhají po dlouhou dobu v teplotách pod hranicí zápalnosti (500 až 700 °C).Štěpený plyn se při použití pro lesklé žíhání musí tak vysušit. aby nedocházelo k oxidaci železa a jeho legujících prvků.

Koncepční schéma vyvíječe EXO

1 - směšovač plyn - vzduch

2 - spalovací komora

3 - chladič

4 - adsorpční sušič

nízkouhlíkatá ocel - povrch lesklý

středně uhlíkatá ocel (do 0,2%C) - p.lesklý

litina - užití pro oduhličení - p. čistý

ocel, plechy s obsahem Si - uvolnění pnutí

měď - obsah H₂ do 2% obj. - p. lesklý

Slitiny Cu-Ni - p. lesklý

bronze Cu-Si - p. lesklý

nikl a jeho slitiny - p. lesklý

zlato - p. lesklý

stříbro - p. lesklý

nízko a středně uhlíkatá ocel - p. čistý

ocele obsahující leg. prvky s vyšším obsahem C - p. lesklý

nízko a středně uhlíkatá ocel - p. lesklý

pájka Ag s tavidlem - p. čistý

nerez ocel - pájka Cu s tavidlem - p. čistý

litina - pájka Ag s tavidlem - p. čistý

mosaz - pájka Ag s tavidlem - p. čistý

nízkouhlíkatá ocel - p. lesklý

slitiny Cu-Fe - p. lesklý

slitiny Cu-Pb - p. čistý

vysokouhlíkatá ocel - p. lesklý

Cu-Sn-grafit - p. čistý

Fe-garfit - p. čistý

měď - p. lesklý

slitiny Cu-Fe - p. čistý až lesklý

Nikl - p. lesklý

Stříbro - p. lesklý

bronz - p. čistý

Koncepční schéma vyvíječe EXO - MONO

1 - směšovač plyn - vzduch

2 - spalovací komora

3 - chladič

4 - propírací komora

5 - adsorpční sušič

6 - kompresorová jednotka

středně uhlíkaté ocele - povrch lesklý

vysokouhlíkaté ocele - povrch lesklý

speciální ocele - povrch lesklý

stř.uhlíkatá ocel bez oduhličení - p.lesklý

vysoceuhl. ocel, ohřev na delší jak 2 hod - p.lesklý

slitinové ocele - bez oduhličení

stř.uhlíkatá ocel, ohřev na delší jak 2 hod - p.čistý

vysoceuhl. ocel, ohřev na delší jak 2 hod - p.čistý

rychlořezné ocele, ohřev na delší jak 2 hod - p. čistý

slitiny s 3% Si - trafoplechy - p. čistý

bronz - povrch čistý

slitiny Cu-Ni - povrch lesklý

slitiny Cu-Si - povrch lesklý

slitiny Cu-Be - povrch lesklý

slitiny Cu-Al - povrch lesklý

vysokouhlíková ocel, bez oduhličení - p. čistý až lesklý

nauhličená ocel, bez oduhličení - povrch čistý až lesklý

oceli slitinové

rychlořezné ocele, bez oduhličení - p.čistý

slitinové ocele

středně a vysoceuhlíkové bez oduhličení, ohřev delší jak 2 hod - povrch čistý

nízkouhlíková ocel - jako nosná atmosféra obohacená vhodným uhlovodíkem - povrch čistý

vysoce a středně uhlíkatá ocel, Cu pájka bez oduhličení - p. lesklý

středně uhlíková ocel, Cu pájka bez oduhličení - p.čistý

mosaz, Ag pájka - p. čistý až lesklý

měď, Ag pájka - p. čistý až lesklý

železo - povrch čistý až lesklý středně a vysoceuhlíkové ocele bez oduhličení - povrch čistý až lesklý

železo-měď-grafit - povrch čistý

železo-grafit - povrch čistý

bronz - povrch čistý

nikl - povrch čistý

Koncepční schéma vyvíječe ENDO

1 - lahve s kapalnými plyny 

2 - odpařovač

3 - směšovač plyn - vzduch

4 - reakční retorta

5 - chladič

středně a vysokouhl. ocele, Cu pájka bez oduhličení - povrch lesklý

Slitinové ocele - středně uhlíkové, Cu pájka - povrch lesklý

Slitinové ocele - vysokouhlíkové - Cu pájka - povrch lesklý

nerezavějící ocele, Cu pájka - povrch čistý až lesklý

středně a vysokouhlíková ocel, Ag pájka s tavidlem - povrch čistý

nízko a stř.uhlíková ocel - p.lesklý

středně a vysockouhl. ocel, krátkodobý ohřev  - p.čistý až lesklý

rychlořezné ocele, krátkodobý ohřev  - povrch čistý

slitiny Cr-Ni - povrch čistý až lesklý

slitiny Ag-Zn - povrch čistý až lesklý

trafoplechy, krátkodobý ohřev, uvolnění pnutí, zmenšení magnetických ztrát - povrch čistý

nauhličená ocel, vysokouhlíková ocel, slitinové ocele, středně uhlíkové ocele, vysoko uhlíkové ocele, rychlořezné ocele - bez oduhličení, povrch lesklý

nauhličená ocel, vysokouhlíková ocel, slitinové ocele, středně uhlíkové ocele, vysoko uhlíkové ocele - bez oduhličení, povrch lesklý

Koncepční schéma štěpičů čpavku

1 - lahve s kapalnými plyny 

2 - odpařovač

3 - reakční retorta

4 - chladič

Štěpení NH₃ nebo CH₃OH probíhá endotermickou reakcí a zařízení je konstrukčně obdobné s retortou vně vytápěnou elektr. energií jako vyvýječe endotermické. Rozlišnost je dána tím, jakou atmosféru chceme získat. Tedy rozštěpením plynného čpavku získáme 75 obj. % H₂ plus 25 obj. % N₂ a rozštěpením plynného methanolu získáme 66,6, obj.% H₂  plus 33,3 obj. % CO.

ocel s nízkým obsahem uhlíku - p. čistý

vysoce legovaná ocel - povrch lesklý

plechy pro elektrotechniku - oduhličující žíhání s přídavkem vodních par - povrch čistý

mosaz - povrch čistý až lesklý

ocel s vysokým obsahem chrómu - p.lesklý

uhlíková ocel - povrch lesklý

ocel s nízkým obsahem uhlíku, ocel se středním obsahem uhlíku, ocel s vysokým obsahem uhlíku a ocel speciální - povrch čistý

K základním typům vyvíječů řízených atmosfér lze dodávat řadu příslušenství. Jejich použití vychází z funkčních, technologických a bezpečnostních požadavků. Jako hlavní části lez uvést:

• skříň analyzátoru H₂ s rozsahem 0-10 nebo 0-20 obj. %  H₂ pro registraci případně automatickou regulaci obsahu H₂ u vyvíječe EXO a EXO MONO

• skříň analyzátoru CO2 s rozsahem 0-1 obj. % CO₂ pro automatickou regulaci a registraci obsahu CO₂ u vyvíječů ENDO a pro automatickou regulaci C - potenciálu v pracovním prostoru pece.

• akční členy pro automatický přídavek plynných nebo kapalných médií při požadavku automatické regulace složení řízených atmosfér

• skříně dávkování kapalin k dopravě kapalných uhlovodíků do pracovního prostoru pece

• kompresorová jednotka pro vytváření zásoby řízené atmosféry

• zásobník řízené atmosféry pro maximální přetlak 1,5 MPa a maximální geometrický objem 0,25 m³

• čpavkové a dusíkové hospodářství, odpařovače čpavku, měřící a regulační stojany

• domky lahví ( kovových tlakových nádob ) pro venkovní provedení.