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    鋼熱處理中的脫碳

    發布者: 發布時間:2017/10/27 10:33:49 閱讀:次 【字體:

      指鋼件在加熱過程中,由于爐內脫碳性氣氛與鋼表面的碳原子發生化學反應,即鋼表面的碳原子部分或全部被燒掉,因此降低了其表面的含碳量,從而影響到零件的表面質量和力學性能,常規而言是不允許的。無保護加熱造成脫碳總是不可避免的,實驗表明脫碳后的表面組織為鐵素體,內部為奧氏體組織,在淬火后二者轉變為馬氏體的過程中,表面產生拉應力的作用,將會造成表面的變形和開裂,表面硬度、抗拉強度和疲勞強度等普遍下降,出現零件的早期時效,因此必須避免該類現象的發生。

      鋼在加熱過程中離不開加熱體和加熱的介質,熱處理加熱設備種類較多,加熱的方式有傳導、對流和輻射三種,任何熱處理設備均具有其中的一種或幾種傳熱方式,通常在加熱的介質爐氣中存在有O2、CO2、H2O和H2等氣體,它們和鋼表面的碳發生化學作用,造成碳含量的下降,鋼的脫碳過程有兩個環節,一是表面的碳原子被氧化,二是表面的碳失去引起表面碳濃度的降低,根據化學平衡原理心部碳向表面擴散移動,因此脫碳層會不斷增加,時間越長則脫碳越嚴重。下面為零件在脫碳時的化學反應式:

      從上述幾個反應式來看,鋼件表面的碳原子分別與氧化性的氣體作用生成了相應的氣體,碳含量則低于鋼的原始成分,無法獲得要求的組織和性能,因此實現無脫碳的熱處理是至關重要的舉措。

      同時還應當地看到O2、CO2、H2O和H2等氣體除發生以上作用外,它們也可同鋼中的Fe3C反應使其失去碳原子:

      因此無論是鋼表面的碳原子還是滲碳體中呈化合態的碳原子,一旦發生脫碳則其使零件表面的含碳量降低,造成淬火后硬度低和耐磨性減弱,尤其是造成零件疲勞強度的明顯下降。上述爐內的氣氛中O2、CO2、H2O和H2屬于氧化性的氣體,在加熱的過程中引起鋼表面的氧化和脫碳,而CO、CH4則為還原性氣體,可以使氧化層和脫碳層得到還原,恢復鋼表面的原始成分狀態。需要說明的是除H2外,在還原性和氧化性的氣氛中,如含有水蒸氣它將會造成表面的明顯脫碳。作為氣體加熱介質而言,為了確保加熱過程中不出現上述缺陷,應當采用在還原性或保護氣氛中完成零件的熱處理,這是熱處理工作者一直努力的方向,目前陸續開發了一系列的加熱方法,實現了不改變零件的表面成分和狀態的保護介質的加熱。

      從脫碳產生的機理來看,脫碳的實質為鋼中的碳原子在高溫下與氧和氫等發生作用,生成了一氧化碳,一般而言鋼的氧化和脫碳是同時進行的,其擴散均在Ac1相變點以上高溫下強烈發生的,因此控制好爐內的成分即可避免氧化和脫碳現象的出現,尤其是水蒸氣必須去除。當鋼表面的氧化速度小于碳從內層向外層擴散的速度時會發生脫碳,即在氧化性較弱的氧化性氣氛中會發生脫碳現象,相反,當鋼表面的氧化速度大于碳從內層向外層擴散的速度時會發生氧化。

      脫碳對工具鋼而言,輕度(0.6%~0.8%)不會明顯造成過共析鋼硬度的降低,但會減少殘余奧氏體中碳化物的含量。在淬火溫度下,加劇表層晶粒的粗化和長大,使鋼的強度下降。如有嚴重的脫碳(0.4%~0.5%),使鋼的淬火和回火后硬度大大降低,耐用度下降,同時將引起淬火裂紋的出現,從而加劇零件之間的粘連。因此對工具鋼來說,確保零件加熱過程中無氧化和脫碳是提高熱處理產品質量的前提。

      零件的表面被氧化和脫碳后其表面狀態十分粗糙,失去光澤。在熱處理過程中將導致淬火裂紋、軟點、硬度不足等缺陷,造成抗拉強度和疲勞強度的明顯下降,對高速工具鋼而言表面脫碳使工件的紅硬性降低,表面脫碳后將嚴重降低刀具的耐用度,脫碳和未脫碳部分淬火后比容不同而產生差異,影響到刀具的結合部分的強度等,因此應當注意避免該類問題的出現。

      彈簧鋼表面如存在脫碳現象,將顯著影響其疲勞強度,嚴重的影響抗拉強度。而對螺栓的標準件脫碳而言,造成螺紋表面硬度降低,螺紋脫扣,強度明顯降低等,無法滿足螺栓的工作需要。因此脫碳是不允許的,在加熱過程中應采取保護措施,確保產品質量合格。

      鋼鐵表面脫碳后,含碳量與內部基體的碳成分存在差異,因此淬火后過冷奧氏體轉變為馬氏體,表面的熱應力和組織應力的共同作用,造成零件表層和芯部的膨脹量的差異,容易出現淬火裂紋。如表面為完全脫碳,則不會造成淬火裂紋的出現,其原因在于表面只有熱應力,內部為拉應力,因此表面受到壓應力的作用。需要說明的是因為操作不當所致的表面脫碳,將使表面變硬,不會發生塑性變形,如殘留的碳含量低于0. 3%,不會開裂;而高于0.4%存在開裂的傾向,因此殘留碳含量的多少直接影響到零件的產品質量,這一點應引起熱處理技術人員的重視。

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