鋼加熱時的脫碳

蕭蕭天竹

脫碳

+ N/ t* g% J# h7 i9 Z脫碳是鋼加熱時表面碳含量降低的現(xiàn)象。脫碳的過程就是鋼中碳在高溫下與氫或氧發(fā)生作用生成甲烷或一氧化碳。其化學方程式如下；
                     2Fe3C+O26Fe+2CO
                     Fe3C+2H23Fe+CH4
                     Fe3C+H2O3Fe+CO+H2
                     Fe3C+CO23Fe+2CO
    這些反應是可逆的，即氫、氧和二氧化碳使鋼脫碳，而甲烷和一氧化碳則使鋼增碳。
    脫碳是擴散作用的結(jié)果，脫碳時一方面是氧向鋼內(nèi)擴散；另一方面鋼中的碳向外擴散。從最后的結(jié)果看，脫碳層只在脫碳速度超過氧化速度時才能形成。當氧化速度很大時，可以不發(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象，即脫碳層產(chǎn)生后鐵即被氧化而成氧化鐵皮。因此，在氧化作用相對較弱的氣氛中，可以形成較深的脫碳層。
9 M2 W( u, z( o8 W4 P( l    變壓器硅鋼片要求合碳量盡量低，除在冶煉上應加以控制外，在鍛軋加熱時還應利用脫碳現(xiàn)象，使碳含量進一步下降，從而獲得容易磁化的性能。但對大多數(shù)鋼來說，脫碳會使其性能變壞，故均視為缺陷。特別是高碳工具鋼、軸承鋼、高速鋼及彈簧鋼，脫碳更是一種嚴重的缺陷。
    脫碳層的組織特征：脫碳層由于碳被氧化，反映在化學成分上其含碳量較正常組織低；反映在金相組織上其滲碳體（Fe3C）的數(shù)量較正常組織少；反映在力學性能上其強度或硬度較正常組織低。
" w* @! k7 n  r6 Y- Y$ l    鋼的脫碳層包括全脫碳層和部分脫碳層（過渡層）兩部分。部分脫碳層是指在全脫碳層之后到鋼含碳量正常的組織處。在脫碳不嚴重的情況下，有時僅看到部分脫碳層而沒有全脫碳層。
    關(guān)于脫碳層深度可根據(jù)脫碳成分、組織及性能的變化，采用多種方法測定。例如逐層取樣化學分析鋼的含碳量，觀察鋼的表面到心部的金相組織變化，測定鋼的表層到心部的顯微硬度變化等等。實際生產(chǎn)中以金相法測定鋼的脫碳層最為普遍。
    （二）脫碳對鋼性能的影響
    1.對鍛造和熱處理等工藝性能的影響
    1）2Cr13不銹鋼加熱溫度過高，保溫時間過長時，能促使高溫δ鐵素體在表面過早的形成，使鍛件表面的塑性大大降低，模鍛時容易開裂。
9 j; h) x; a3 b- n7 ?1 n' {    2）奧氏體錳鋼脫碳后，表層將得不到均勻的奧氏體組織。這不僅使冷變形時的強化達不到要求，而且影響耐磨性，還可能由于變形不均勻產(chǎn)生裂紋。
    3）鋼的表面脫碳以后，由于表層與心部的組織不同和線膨脹系數(shù)不同，因此淬火時所發(fā)生的不同組織轉(zhuǎn)變及體積變化將引起很大的內(nèi)應力，同時表層經(jīng)脫碳后強度下降，甚至在淬火過程中有時使零件表面產(chǎn)生裂紋。
$ M( i+ z# u$ }% h5 u    2.對零件性能的影響
    對于需要淬火的鋼，脫碳使其表層的含碳量降低，淬火后不能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，或轉(zhuǎn)變不完全，結(jié)果得不到所要求的硬度。
    軸承鋼表面脫碳后會造成淬火軟點，使用時易發(fā)生接觸疲勞損壞；高速工具鋼表面脫碳會使紅硬性下降。
! g0 Q/ Z$ n( [/ m" p7 S4 u    由于脫碳使鋼的疲勞強度降低，導致零件在使用中過早地發(fā)生疲勞損壞。
    零件上不加工的部分（黑皮部分）脫碳層全部保留在零件上，這將使性能下降。而零件的加工面上脫碳層的深度如在機械加工余量范圍內(nèi)，可以在加工時切削掉；但如超過加工余量范圍，脫碳層將部分保留下來，使性能下降。有時因為鍛造工藝不當，脫碳層局部堆積，機械加工時將不能完全去掉而保留在零件上，引起性能不均，嚴重時造成零件報廢。
3 ?8 ]# t' }9 T: G% r* Q    （三）影響鋼脫碳的因素
! `! L/ w& ?! @  d4 B  U9 ]    影響鋼脫碳的因素有鋼料的化學成分，加熱溫度，保溫時間和煤氣成分等。
; _2 S9 N& _- N0 e    1.鋼料的化學成分對脫碳的影響
    鋼料的化學成分對脫碳有很大影響。鋼中含碳量愈高脫碳傾向愈大W、Al、Si、Co等元素都使鋼脫碳傾向增加；而 Cr、Mn等元素能阻止鋼脫碳。
    2.加熱溫度的影響
    隨著加熱溫度的提高，脫碳層的深度不斷增加。一般低于1000℃時，鋼表面的氧化皮阻礙碳的擴散，脫碳比氧化慢，但隨著溫度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的擴散速度也加快，此時氧化皮失去保護能力，達到某一溫度后脫碳反而比氧化快。
    3.保溫時間和加熱次數(shù)的影響
  `! ]! i% B5 [0 b    加熱時間越長，加熱火次愈多，脫碳層愈深，但脫碳層并不與時間成正比增加。例如高速鋼的脫碳層在1000℃加熱0.5h，深度達0.4mm；加熱4h達1.0mm；加熱12h后達1.2mm。
    4.爐內(nèi)氣氛對脫碳的影響
    在加熱過程中，由于燃料成分，燃燒條件及溫度不同，使燃燒產(chǎn)物中含有不同的氣體，因而構(gòu)成不同的爐內(nèi)氣氛，有氧化性的也有還原性的。他們對鋼的作用是不同的。氧化性氣氛引起鋼的氧化與脫碳，其中脫碳能力最強的介質(zhì)是H2O（汽），其次是CO2與O2，最后是H2；而有些氣氛則使鋼增碳，如 CO和 CH4。爐內(nèi)空氣過剩系數(shù)α大小對脫碳也有重要的影響：當α過小時、燃燒產(chǎn)物中出現(xiàn)H2，在潮濕的氫氣內(nèi)的脫碳速度隨著含水量的增加而增大。因此，在煤氣無氧化加熱爐中加熱，當爐氣中含H2O較多時，也要引起脫碳；當α過大時，由于形成的氧化皮多，阻礙著碳的擴散，故可減小脫碳層的深度。在中性介質(zhì)中加熱時，可使脫碳最少。
    （四）防止脫碳的對策
% j* F! x! C/ F    防止脫碳的對策主要有以下幾方面：
, n- Q# J* `$ r    1）工件加熱時，盡可能地降低加熱溫度及在高溫下的停留時間；合理地選擇加熱速度以縮短加熱的總時間；
3 d" I% a# a; i1 {' D    2）造成及控制適當?shù)募訜釟夥眨钩尸F(xiàn)中性或采用保護性氣體加熱，為此可采用特殊發(fā)計的加熱爐（在脫氧良好的鹽浴爐中加熱，要比普通箱式爐中加熱的脫碳傾向為小）；
3 ?" _1 d0 l' J+ |! ?! y% q% u9 o    3）熱壓力加工過程中，如果因為一些偶然因素使生產(chǎn)中斷，應降低爐溫以待生產(chǎn)恢復，如停頓時間很長，則應將坯料從爐內(nèi)取出或隨爐降溫；
, d9 `! j" g% t1 R/ h    4）進行冷變形時盡可能地減少中間退火的次數(shù)及降低中間退火的溫度，或者用軟化回火代替高溫退火。進行中間退火或軟化回火時，加熱應在保護介質(zhì)中進行；
1 O& h5 D; [% C3 b5 n    5）高溫加熱時，鋼的表面利用覆蓋物及涂料保護以防止氧化和脫碳；
! g# ?2 Z8 e" Q! }8 @    6）正確的操作及增大工件的加工余量，以使脫碳層在加工時能完全去掉。

向前沖

對脫碳的描述很細致，不錯的文章，值得一看。為什么就沒有人來支持下呢。

dongrongde

謝謝了，很不錯！！！！！
9 ~. `/ X+ g6 s0 g# a" A  A5 h講的很仔細

異人

謝謝了，很不錯！！！！！

唐軻

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