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脫碳 * b: \1 S. C) r$ e1 z' |
" W5 u$ t( B) x5 k+ O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,;
% z+ g# k- ]; z+ ] 2Fe3C+O26Fe+2CO
6 f& j; a5 t2 _4 D0 z& Y3 X Fe3C+2H23Fe+CH4 4 g8 R; N/ I1 \9 e" G' P
Fe3C+H2O3Fe+CO+H2
. _, w, @8 o4 g" { Fe3C+CO23Fe+2CO6 E' V5 a3 A2 N. d+ ^
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,。
& }2 l" d) z i- D# b 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(duì)較弱的氣氛中,,可以形成較深的脫碳層。
7 b+ z7 V6 T" g& Z6 i9 h 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(duì)大多數(shù)鋼來說,脫碳會(huì)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。
( j2 D1 S( i& v& B0 l* f7 H- Y 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,。
3 ]3 f7 y' n8 I* T; E 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,。
1 B- ~) L! B; H( s2 W 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(cè)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(cè)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(cè)定鋼的脫碳層最為普遍。1 z' P, p# M. \% {9 Z; N0 N+ }- @
(二)脫碳對(duì)鋼性能的影響
, }& B, e3 l4 l x0 }" D( S 1.對(duì)鍛造和熱處理等工藝性能的影響
6 J$ e- w z0 t. _" h! f+ m5 O 1)2Cr13不銹鋼加熱溫度過高,,保溫時(shí)間過長(zhǎng)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,。: Y: \# @7 b' s" U1 O* t
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。
# E, U* m1 l5 f# V/ x; g* S% x3 T5 { 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,。0 b& o7 [0 w" v5 _
2.對(duì)零件性能的影響& d3 r; t$ S7 X' O6 [# i& E% B$ ]
對(duì)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,。1 g- S. ~ k. j' |2 _8 @
軸承鋼表面脫碳后會(huì)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(huì)使紅硬性下降,。1 x& I) S9 I2 {, T7 [% P6 E1 b$ L
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。
4 S, b. R7 z( j- H; |3 j& x 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。
( v6 ^3 L2 `. i; d7 w (三)影響鋼脫碳的因素
& {% |2 G4 B3 |' I- F 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,。
0 {* ?' G; e. }/ S2 B8 h8 j& n 1.鋼料的化學(xué)成分對(duì)脫碳的影響
8 |0 R+ h% [% C 鋼料的化學(xué)成分對(duì)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 ^/ ^! q9 T1 z7 B
2.加熱溫度的影響9 _& E4 x: O+ `; D: i1 T
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 ?" A/ }# f: u
3.保溫時(shí)間和加熱次數(shù)的影響
4 A1 \6 R/ K3 h/ R 加熱時(shí)間越長(zhǎng),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,。) H( G8 H% z# A2 ~2 Q9 e: ?
4.爐內(nèi)氣氛對(duì)脫碳的影響
6 v% ]- H/ s, E 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(duì)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(duì)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,。
9 O2 o0 N; `( U! Y f (四)防止脫碳的對(duì)策
( f; S) p% T8 h" n1 t 防止脫碳的對(duì)策主要有以下幾方面:
; G1 T% C0 \* I4 \ 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,;- k N( h# m, _3 C( K X' \
2)造成及控制適當(dāng)?shù)募訜釟夥眨钩尸F(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">7 `3 ]2 o( o! |% k! X/ f0 |7 ^8 s8 Z
3)熱壓力加工過程中,,如果因?yàn)橐恍┡既灰蛩厥股a(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(zhǎng),,則應(yīng)將坯料從爐內(nèi)取出或隨爐降溫,;- |: D9 S7 n) l& c" I9 i
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;
* `0 \/ C7 K8 j% V 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,;% G% Q! N+ } U- [3 k
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,。 |
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