钢热处理中的脱碳

发布者: 发布时间:2017/10/27 10:33:49 阅读:次 【字体:

  指钢件在加热过程中,由于炉内脱碳性气氛与钢表面的碳原子发生化学反应,即钢表面的碳原子部分或全部被烧掉,因此降低了其表面的含碳量,从而影响到零件的表面质量和力学性能,常规而言是不允许的。无保护加热造成脱碳总是不可避免的,实验表明脱碳后的表面组织为铁素体,内部为奥氏体组织,在淬火后二者转变为马氏体的过程中,表面产生拉应力的作用,将会造成表面的变形和开裂,表面硬度、抗拉强度和疲劳强度等普遍下降,出现零件的早期时效,因此必须避免该类现象的发生。

  钢在加热过程中离不开加热体和加热的介质,热处理加热设备种类较多,加热的方式有传导、对流和辐射三种,任何热处理设备均具有其中的一种或几种传热方式,通常在加热的介质炉气中存在有O2、CO2、H2O和H2等气体,它们和钢表面的碳发生化学作用,造成碳含量的下降,钢的脱碳过程有两个环节,一是表面的碳原子被氧化,二是表面的碳失去引起表面碳浓度的降低,根据化学平衡原理心部碳向表面扩散移动,因此脱碳层会不断增加,时间越长则脱碳越严重。下面为零件在脱碳时的化学反应式:

  从上述几个反应式来看,钢件表面的碳原子分别与氧化性的气体作用生成了相应的气体,碳含量则低于钢的原始成分,无法获得要求的组织和性能,因此实现无脱碳的热处理是至关重要的举措。

  同时还应当地看到O2、CO2、H2O和H2等气体除发生以上作用外,它们也可同钢中的Fe3C反应使其失去碳原子:

  因此无论是钢表面的碳原子还是渗碳体中呈化合态的碳原子,一旦发生脱碳则其使零件表面的含碳量降低,造成淬火后硬度低和耐磨性减弱,尤其是造成零件疲劳强度的明显下降。上述炉内的气氛中O2、CO2、H2O和H2属于氧化性的气体,在加热的过程中引起钢表面的氧化和脱碳,而CO、CH4则为还原性气体,可以使氧化层和脱碳层得到还原,恢复钢表面的原始成分状态。需要说明的是除H2外,在还原性和氧化性的气氛中,如含有水蒸气它将会造成表面的明显脱碳。作为气体加热介质而言,为了确保加热过程中不出现上述缺陷,应当采用在还原性或保护气氛中完成零件的热处理,这是热处理工作者一直努力的方向,目前陆续开发了一系列的加热方法,实现了不改变零件的表面成分和状态的保护介质的加热。

  从脱碳产生的机理来看,脱碳的实质为钢中的碳原子在高温下与氧和氢等发生作用,生成了一氧化碳,一般而言钢的氧化和脱碳是同时进行的,其扩散均在Ac1相变点以上高温下强烈发生的,因此控制好炉内的成分即可避免氧化和脱碳现象的出现,尤其是水蒸气必须去除。当钢表面的氧化速度小于碳从内层向外层扩散的速度时会发生脱碳,即在氧化性较弱的氧化性气氛中会发生脱碳现象,相反,当钢表面的氧化速度大于碳从内层向外层扩散的速度时会发生氧化。

  脱碳对工具钢而言,轻度(0.6%~0.8%)不会明显造成过共析钢硬度的降低,但会减少残余奥氏体中碳化物的含量。在淬火温度下,加剧表层晶粒的粗化和长大,使钢的强度下降。如有严重的脱碳(0.4%~0.5%),使钢的淬火和回火后硬度大大降低,耐用度下降,同时将引起淬火裂纹的出现,从而加剧零件之间的粘连。因此对工具钢来说,确保零件加热过程中无氧化和脱碳是提高热处理产品质量的前提。

  零件的表面被氧化和脱碳后其表面状态十分粗糙,失去光泽。在热处理过程中将导致淬火裂纹、软点、硬度不足等缺陷,造成抗拉强度和疲劳强度的明显下降,对高速工具钢而言表面脱碳使工件的红硬性降低,表面脱碳后将严重降低刀具的耐用度,脱碳和未脱碳部分淬火后比容不同而产生差异,影响到刀具的结合部分的强度等,因此应当注意避免该类问题的出现。

  弹簧钢表面如存在脱碳现象,将显著影响其疲劳强度,严重的影响抗拉强度。而对螺栓的标准件脱碳而言,造成螺纹表面硬度降低,螺纹脱扣,强度明显降低等,无法满足螺栓的工作需要。因此脱碳是不允许的,在加热过程中应采取保护措施,确保产品质量合格。

  钢铁表面脱碳后,含碳量与内部基体的碳成分存在差异,因此淬火后过冷奥氏体转变为马氏体,表面的热应力和组织应力的共同作用,造成零件表层和芯部的膨胀量的差异,容易出现淬火裂纹。如表面为完全脱碳,则不会造成淬火裂纹的出现,其原因在于表面只有热应力,内部为拉应力,因此表面受到压应力的作用。需要说明的是因为操作不当所致的表面脱碳,将使表面变硬,不会发生塑性变形,如残留的碳含量低于0. 3%,不会开裂;而高于0.4%存在开裂的倾向,因此残留碳含量的多少直接影响到零件的产品质量,这一点应引起热处理技术人员的重视。

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