钢加热时的脱碳

萧萧天竹

脱碳
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脱碳是钢加热时表面碳含量降低的现象。脱碳的过程就是钢中碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳。其化学方程式如下；
, ?* N* h! }& z                     2Fe3C+O26Fe+2CO
( ?9 \/ _& r/ @' f* z+ a5 Y, g                     Fe3C+2H23Fe+CH4
2 _$ A, Q9 W# f                     Fe3C+H2O3Fe+CO+H2
) N# w+ h% @( v; [                     Fe3C+CO23Fe+2CO
# W4 e. ^; h4 M! ~* D+ m    这些反应是可逆的，即氢、氧和二氧化碳使钢脱碳，而甲烷和一氧化碳则使钢增碳。
2 L6 o5 W! n0 ~3 G4 Z, T& g4 z    脱碳是扩散作用的结果，脱碳时一方面是氧向钢内扩散；另一方面钢中的碳向外扩散。从最后的结果看，脱碳层只在脱碳速度超过氧化速度时才能形成。当氧化速度很大时，可以不发生明显的脱碳现象，即脱碳层产生后铁即被氧化而成氧化铁皮。因此，在氧化作用相对较弱的气氛中，可以形成较深的脱碳层。
    变压器硅钢片要求合碳量尽量低，除在冶炼上应加以控制外，在锻轧加热时还应利用脱碳现象，使碳含量进一步下降，从而获得容易磁化的性能。但对大多数钢来说，脱碳会使其性能变坏，故均视为缺陷。特别是高碳工具钢、轴承钢、高速钢及弹簧钢，脱碳更是一种严重的缺陷。
* U8 G0 z) S/ T( {" o: A$ W7 X, u    脱碳层的组织特征：脱碳层由于碳被氧化，反映在化学成分上其含碳量较正常组织低；反映在金相组织上其渗碳体（Fe3C）的数量较正常组织少；反映在力学性能上其强度或硬度较正常组织低。
! u- S) c" W3 U9 O    钢的脱碳层包括全脱碳层和部分脱碳层（过渡层）两部分。部分脱碳层是指在全脱碳层之后到钢含碳量正常的组织处。在脱碳不严重的情况下，有时仅看到部分脱碳层而没有全脱碳层。
    关于脱碳层深度可根据脱碳成分、组织及性能的变化，采用多种方法测定。例如逐层取样化学分析钢的含碳量，观察钢的表面到心部的金相组织变化，测定钢的表层到心部的显微硬度变化等等。实际生产中以金相法测定钢的脱碳层最为普遍。
, e$ W5 H% v# J* Z    （二）脱碳对钢性能的影响
' _: K. P- C& E9 ?- D; s, u; ~+ K    1.对锻造和热处理等工艺性能的影响
    1）2Cr13不锈钢加热温度过高，保温时间过长时，能促使高温δ铁素体在表面过早的形成，使锻件表面的塑性大大降低，模锻时容易开裂。
    2）奥氏体锰钢脱碳后，表层将得不到均匀的奥氏体组织。这不仅使冷变形时的强化达不到要求，而且影响耐磨性，还可能由于变形不均匀产生裂纹。
    3）钢的表面脱碳以后，由于表层与心部的组织不同和线膨胀系数不同，因此淬火时所发生的不同组织转变及体积变化将引起很大的内应力，同时表层经脱碳后强度下降，甚至在淬火过程中有时使零件表面产生裂纹。
    2.对零件性能的影响
    对于需要淬火的钢，脱碳使其表层的含碳量降低，淬火后不能发生马氏体转变，或转变不完全，结果得不到所要求的硬度。
    轴承钢表面脱碳后会造成淬火软点，使用时易发生接触疲劳损坏；高速工具钢表面脱碳会使红硬性下降。
) I4 U$ s; n" g# T    由于脱碳使钢的疲劳强度降低，导致零件在使用中过早地发生疲劳损坏。
5 ~2 q) y* A- g) a: M; }. M& z% T) r    零件上不加工的部分（黑皮部分）脱碳层全部保留在零件上，这将使性能下降。而零件的加工面上脱碳层的深度如在机械加工余量范围内，可以在加工时切削掉；但如超过加工余量范围，脱碳层将部分保留下来，使性能下降。有时因为锻造工艺不当，脱碳层局部堆积，机械加工时将不能完全去掉而保留在零件上，引起性能不均，严重时造成零件报废。
    （三）影响钢脱碳的因素
6 \/ Z/ ]- M" e- ^& F# O7 {    影响钢脱碳的因素有钢料的化学成分，加热温度，保温时间和煤气成分等。
    1.钢料的化学成分对脱碳的影响
    钢料的化学成分对脱碳有很大影响。钢中含碳量愈高脱碳倾向愈大W、Al、Si、Co等元素都使钢脱碳倾向增加；而 Cr、Mn等元素能阻止钢脱碳。
    2.加热温度的影响
    随着加热温度的提高，脱碳层的深度不断增加。一般低于1000℃时，钢表面的氧化皮阻碍碳的扩散，脱碳比氧化慢，但随着温度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的扩散速度也加快，此时氧化皮失去保护能力，达到某一温度后脱碳反而比氧化快。
    3.保温时间和加热次数的影响
1 r5 W, b* G) |* \# t1 O    加热时间越长，加热火次愈多，脱碳层愈深，但脱碳层并不与时间成正比增加。例如高速钢的脱碳层在1000℃加热0.5h，深度达0.4mm；加热4h达1.0mm；加热12h后达1.2mm。
+ Z0 s% h8 r+ o: j) t+ y; d& S    4.炉内气氛对脱碳的影响
    在加热过程中，由于燃料成分，燃烧条件及温度不同，使燃烧产物中含有不同的气体，因而构成不同的炉内气氛，有氧化性的也有还原性的。他们对钢的作用是不同的。氧化性气氛引起钢的氧化与脱碳，其中脱碳能力最强的介质是H2O（汽），其次是CO2与O2，最后是H2；而有些气氛则使钢增碳，如 CO和 CH4。炉内空气过剩系数α大小对脱碳也有重要的影响：当α过小时、燃烧产物中出现H2，在潮湿的氢气内的脱碳速度随着含水量的增加而增大。因此，在煤气无氧化加热炉中加热，当炉气中含H2O较多时，也要引起脱碳；当α过大时，由于形成的氧化皮多，阻碍着碳的扩散，故可减小脱碳层的深度。在中性介质中加热时，可使脱碳最少。
    （四）防止脱碳的对策
    防止脱碳的对策主要有以下几方面：
& \8 ?3 ~+ v2 B, ^7 U9 b* D1 A+ ?    1）工件加热时，尽可能地降低加热温度及在高温下的停留时间；合理地选择加热速度以缩短加热的总时间；
0 O1 L. l" U+ d    2）造成及控制适当的加热气氛，使呈现中性或采用保护性气体加热，为此可采用特殊发计的加热炉（在脱氧良好的盐浴炉中加热，要比普通箱式炉中加热的脱碳倾向为小）；
    3）热压力加工过程中，如果因为一些偶然因素使生产中断，应降低炉温以待生产恢复，如停顿时间很长，则应将坯料从炉内取出或随炉降温；
    4）进行冷变形时尽可能地减少中间退火的次数及降低中间退火的温度，或者用软化回火代替高温退火。进行中间退火或软化回火时，加热应在保护介质中进行；
( S) y$ ?  y- D$ c, [9 ?    5）高温加热时，钢的表面利用覆盖物及涂料保护以防止氧化和脱碳；
! }9 r- i2 W2 v% [) u    6）正确的操作及增大工件的加工余量，以使脱碳层在加工时能完全去掉。

向前冲

对脱碳的描述很细致，不错的文章，值得一看。为什么就没有人来支持下呢。

dongrongde

谢谢了，很不错！！！！！
4 u+ Y$ _) n) L" ]讲的很仔细

异人

谢谢了，很不错！！！！！

唐轲

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