鋼加熱時(shí)的脫碳

蕭蕭天竹

脫碳

脫碳是鋼加熱時(shí)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(xué)方程式如下；
                     2Fe3C+O26Fe+2CO
9 [; N3 z7 i9 X, ~! @                     Fe3C+2H23Fe+CH4
) I' F. c' H" g, P! i# a) T                     Fe3C+H2O3Fe+CO+H2
                     Fe3C+CO23Fe+2CO
' ~9 }# X4 k- {: H' R. P* c. j8 G    這些反應(yīng)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。
: v1 d* d  @- \4 y* q$ A6 X    脫碳是擴(kuò)散作用的結(jié)果，脫碳時(shí)一方面是氧向鋼內(nèi)擴(kuò)散；另一方面鋼中的碳向外擴(kuò)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(shí)才能形成。當(dāng)氧化速度很大時(shí)，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。
) Z& z7 j$ Q2 I7 L! E. n* m    變壓器硅鋼片要求合碳量盡量低，除在冶煉上應(yīng)加以控制外，在鍛軋加熱時(shí)還應(yīng)利用脫碳現(xiàn)象，使碳含量進(jìn)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(yán)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(xué)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(xué)性能上其強(qiáng)度或硬度較正常組織低。
. N: D! o: P' B. L) y0 X  O% P1 t# O    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(yán)重的情況下，有時(shí)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(xué)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(shí)際生產(chǎn)中以金相法測定鋼的脫碳層最為普遍。
0 G1 \: ^4 U" Z, o1 Z    （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(shí)間過長時(shí)，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(shí)容易開裂。
# N) w' i2 s9 M0 v    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(shí)的強(qiáng)化達(dá)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。
0 D  K: n% r- m- W! e' ?9 m    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(shí)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(yīng)力，同時(shí)表層經(jīng)脫碳后強(qiáng)度下降，甚至在淬火過程中有時(shí)使零件表面產(chǎn)生裂紋。
    2.對零件性能的影響
- ]) l4 V! A4 D% |+ E0 b    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(diǎn)，使用時(shí)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。
    由于脫碳使鋼的疲勞強(qiáng)度降低，導(dǎo)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(jī)械加工余量范圍內(nèi)，可以在加工時(shí)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(shí)因?yàn)殄懺旃に嚥划?dāng)，脫碳層局部堆積，機(jī)械加工時(shí)將不能完全去掉而保留在零件上，引起性能不均，嚴(yán)重時(shí)造成零件報(bào)廢。
    （三）影響鋼脫碳的因素
    影響鋼脫碳的因素有鋼料的化學(xué)成分，加熱溫度，保溫時(shí)間和煤氣成分等。
    1.鋼料的化學(xué)成分對脫碳的影響
    鋼料的化學(xué)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。
" u+ u: a6 ]* w3 C1 j1 Q. y    2.加熱溫度的影響
4 V: C  k  w- r# D5 A    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(shí)，鋼表面的氧化皮阻礙碳的擴(kuò)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(kuò)散速度也加快，此時(shí)氧化皮失去保護(hù)能力，達(dá)到某一溫度后脫碳反而比氧化快。
    3.保溫時(shí)間和加熱次數(shù)的影響
    加熱時(shí)間越長，加熱火次愈多，脫碳層愈深，但脫碳層并不與時(shí)間成正比增加。例如高速鋼的脫碳層在1000℃加熱0.5h，深度達(dá)0.4mm；加熱4h達(dá)1.0mm；加熱12h后達(dá)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(qiáng)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(dāng)α過小時(shí)、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(dāng)爐氣中含H2O較多時(shí)，也要引起脫碳；當(dāng)α過大時(shí)，由于形成的氧化皮多，阻礙著碳的擴(kuò)散，故可減小脫碳層的深度。在中性介質(zhì)中加熱時(shí)，可使脫碳最少。
, y" ^- z* I$ `9 Y7 x# A3 \    （四）防止脫碳的對策
/ s8 V% ?( K- x# O3 |$ K( }: @& N    防止脫碳的對策主要有以下幾方面：
    1）工件加熱時(shí)，盡可能地降低加熱溫度及在高溫下的停留時(shí)間；合理地選擇加熱速度以縮短加熱的總時(shí)間；
    2）造成及控制適當(dāng)?shù)募訜釟夥眨�使呈現(xiàn)中性或采用保護(hù)性氣體加熱，為此可采用特殊發(fā)計(jì)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?yàn)樾。��?font class="jammer">5 n; t# O* S. K
    3）熱壓力加工過程中，如果因?yàn)橐恍┡既灰蛩厥股�產(chǎn)中斷，應(yīng)降低爐溫以待生產(chǎn)恢復(fù)，如停頓時(shí)間很長，則應(yīng)將坯料從爐內(nèi)取出或隨爐降溫；
    4）進(jìn)行冷變形時(shí)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(jìn)行中間退火或軟化回火時(shí)，加熱應(yīng)在保護(hù)介質(zhì)中進(jìn)行；
  }* j0 Z. s0 o) A( L* n; N    5）高溫加熱時(shí)，鋼的表面利用覆蓋物及涂料保護(hù)以防止氧化和脫碳；
+ U+ z: I" `/ k/ m3 M5 _/ Z/ H  d    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(shí)能完全去掉。

向前沖

對脫碳的描述很細(xì)致，不錯(cuò)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(cuò)�。。。。�
$ ]7 ~' C) Q1 V& u1 i, U# A6 a講的很仔細(xì)

異人

謝謝了，很不錯(cuò)�。。。�！

唐軻

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