鋼加熱時的脫碳

蕭蕭天竹

脫碳

脫碳是鋼加熱時表面碳含量降低的現象。脫碳的過程就是鋼中碳在高溫下與氫或氧發生作用生成甲烷或一氧化碳。其化學方程式如下；
5 x' W+ G, v& V% J! ?# ~9 b. N' n                     2Fe3C+O26Fe+2CO
                     Fe3C+2H23Fe+CH4
                     Fe3C+H2O3Fe+CO+H2
                     Fe3C+CO23Fe+2CO
! u* B# p7 |5 X2 S    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果，脫碳時一方面是氧向鋼內擴散；另一方面鋼中的碳向外擴散。從最后的結果看，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，可以不發生明顯的脫碳現象，即脫碳層產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。
' w6 I( e! o5 L$ t5 [8 _% r# N    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。
$ i2 y. ~( j# M0 W' i3 {    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。
3 K. B7 O8 p4 I* z6 w# M7 h    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。
+ ?6 [+ x. k: |6 _( Z5 }* M    關于脫碳層深度可根據脫碳成分、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。實際生產中以金相法測定鋼的脫碳層最為普遍。
3 r0 k/ ~* q' x. o    （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
: B" n9 q% K5 C7 }; S    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。
    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不同，因此淬火時所發生的不同組織轉變及體積變化將引起很大的內應力，同時表層經脫碳后強度下降，甚至在淬火過程中有時使零件表面產生裂紋。
    2.對零件性能的影響
, z6 _7 E7 C. y8 H: n8 V    對于需要淬火的鋼，脫碳使其表層的含碳量降低，淬火后不能發生馬氏體轉變，或轉變不完全，結果得不到所要求的硬度。
' n4 K0 h) T8 f    軸承鋼表面脫碳后會造成淬火軟點，使用時易發生接觸疲勞損壞；高速工具鋼表面脫碳會使紅硬性下降。
" h" R9 P) ?5 `7 V, X    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，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。
* ~) n& Q* b1 x6 ?% [5 g    （三）影響鋼脫碳的因素
    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。
. j, f, K' H3 r. X2 y2 H& U$ v    1.鋼料的化學成分對脫碳的影響
! {+ E0 b8 H% W# P    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
' E5 `# Y' {; B; f" p$ u    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的影響
    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.爐內氣氛對脫碳的影響
: x3 {# b- s/ D" @- W    在加熱過程中，由于燃料成分，燃燒條件及溫度不同，使燃燒產物中含有不同的氣體，因而構成不同的爐內氣氛，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。爐內空氣過剩系數α大小對脫碳也有重要的影響：當α過小時、燃燒產物中出現H2，在潮濕的氫氣內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。在中性介質中加熱時，可使脫碳最少。
    （四）防止脫碳的對策
1 {+ ^: O  F! T4 K. F4 T    防止脫碳的對策主要有以下幾方面：
; e0 g% A1 I0 g    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；
    2）造成及控制適當的加熱氣氛，使呈現中性或采用保護性氣體加熱，為此可采用特殊發計的加熱爐（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）熱壓力加工過程中，如果因為一些偶然因素使生產中斷，應降低爐溫以待生產恢復，如停頓時間很長，則應將坯料從爐內取出或隨爐降溫；
    4）進行冷變形時盡可能地減少中間退火的次數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，加熱應在保護介質中進行；
    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；
4 \( L6 ]9 b' g; v/ ]5 ]    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！！！！！
1 ]& v2 ^7 y' w2 a講的很仔細

異人

謝謝了，很不錯！！！！！

唐軻

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