为此必须防止氧化现象的发生。对铁来说，根据加热温度不同，常见的氧化反应有所不同。反应相当于在空气介质中加热的情况，其中平衡常数Kp应为根据质量作用定律，不同温度化学反应进行的方向取决于该温度下的平衡常数Kp及参与反应物质的浓度或分压。典型的例子是钢加热时的内氧化问题。当Fe在高于570℃的温度下加热时，若气氛中氧的分压大于此分解压，则铁将被氧化，反之则分解。......
2023-06-24
钢的加热与脱碳反应及过程
【摘要】：例如，对反应，若则在该条件下的CO2-CO气体中加热时将发生脱碳，反之则增碳。图1-8碳钢在CO-CO2混合气中加热时的平衡曲线2.脱碳层的组织特点钢加热时，若炉气碳势低于钢中碳含量，则钢的表面将发生脱碳。脱碳包括两个过程。
1.钢加热时的脱碳、增碳平衡
钢在加热时不仅表面发生氧化，形成氧化铁，而且钢中的碳也会和气氛作用，使钢的表面失去一部分碳，碳含量降低，这种现象称为脱碳。在高温下，脱碳反应经常与表面氧化反应同时发生。常见的脱碳反应有以下几种：
式(1-29)～式(1-31)反应都是可逆反应，当反应向右进行时，钢在加热过程中发生脱碳，而当反应条件使反应向左方向进行时，将发生增碳作用。在一定条件下反应，可达到平衡，使炉气呈中性。在脱碳—增碳的混合气氛中，通过调节炉气的比例，可以使钢材表面进行光亮加热，也可以对工件表面进行渗碳处理。属于脱碳性的气体有CO2、H2、H2O、O2等；属于渗碳性的气体有CH4、CO等。与前述铁的氧化一样，可以根据热力学条件求出反应温度下的反应平衡常数，再与炉气成分的分压比及平衡常数比较，即可判断其是脱碳还是增碳。例如，对反应(1-29)，若
则在该条件下的CO2-CO气体中加热时将发生脱碳，反之则增碳。只有当
Kp时不增碳也不脱碳。此处αC为在该温度下碳在钢的奥氏体中的活度。关于活度的概念已在物理化学课程中介绍过，αC值大小与奥氏体中碳含量有关，碳含量较高者，αC值较大，当碳以石墨形式出现时，则αC＝1。在不同加热温度，对不同碳含量的奥氏体有不同的碳的活度αC，因而当上述脱碳、增碳反应达到平衡时，对不同钢中的碳含量可以计算出平衡曲线。图1-8为碳钢在CO-CO2混合气中加热时的平衡曲线。图中不同曲线表示不同碳含量钢的奥氏体平衡曲线，SE线以左析出渗碳体，SG线以下则析出铁素体，故ESG线与铁碳相图中ESG线相当。ES线的延长虚线表示与固态碳(石墨)平衡的曲线。既然图中奥氏体区的不同曲线代表与钢中一定奥氏体碳含量平衡的曲线，则可以根据该图判断加热时是否脱碳或增碳。取图中wC＝0.4%曲线为例，其wC＝0.4%代表与炉气平衡的钢的奥氏体碳含量为0.4%，若加热温度与炉气成分均位于此曲线上，则既不脱碳也不增碳；若位于曲线左上方，则表面将增碳；若位于曲线右下方，则表面将脱碳。
图1-8 碳钢在CO-CO2混合气中加热时的平衡曲线
2.脱碳层的组织特点
钢加热时，若炉气碳势低于钢中碳含量，则钢的表面将发生脱碳。脱碳包括两个过程。
(1)钢件表面的碳与炉气发生化学反应(脱碳反应)，形成含碳气体逸出表面，使表面碳浓度降低；
(2)由于表面碳浓度的降低，工件表面与内部发生浓度差，从而发生内部的碳向表面扩散的过程。
根据炉气的碳势、加热温度及钢中碳含量的不同，碳钢脱碳层有两种类型的组织：一种叫半脱碳层，一种叫全脱碳层。当钢材表面碳被基本烧损，表层呈现全部铁素体(F)晶粒时，为全脱碳层。图1-9所示为共析碳钢全脱碳层的金相组织，表层白亮色部分为脱碳铁素体(F)，心部为珠光体组织(P)，中间部位为白亮色铁素体＋黑色区域的珠光体(F＋P)。半脱碳层是指钢材表面上的碳并未完全烧损，但已使表层碳含量低于钢材的平均碳含量，如图1-10所示。
图1-9 共析钢全脱碳层(125×)
图1-10 共析钢的半脱碳层(125×)
对于机器零件用钢和工模具钢来说，表面脱碳是一种有害缺陷，它使工件力学性能(硬度、强度、耐磨性、疲劳强度等)下降，在使用中易导致早期失效；同时脱碳层中由于存在着很大的残余拉应力，故也是加工处理过程中造成废品的主要因素，如表面淬火裂纹、磨削裂纹。
在强的氧化性气氛中加热时，表面脱碳与表面氧化将同时发生。在钢件的表面自内向外依次为：基体组织→半脱碳层(过渡层)→脱碳层→氧化皮，如图1-11所示。实际上，在过渡层外的脱碳层并不是真实的脱碳层，该脱碳层又被进一步氧化而成为氧化皮的一个组成部分。由于从表面向内部碳原子进行定向下坡扩散，故全脱碳层的铁素体发生了定向再结晶，形成柱状晶粒，如图1-9所示。
图1-11 氧化、脱碳层结构
1—氧化皮；2—全脱碳层；3—过渡层；4—基体
在一般情况下，表面脱碳现象比氧化现象更易发生，特别是对碳含量较高的钢。例如，当炉气成分和加热温度位于图1-8中的KSGA线的上方时，Fe的氧化现象不会发生，但可能脱碳。
3.影响脱碳的因素
和氧化一样，影响脱碳的主要因素是温度、时间、炉内气氛。此外，钢的化学成分对脱碳有一定的影响。
影响脱碳的因素有：
(1)加热温度影响：一般随着加热温度的升高，脱碳层厚度增加。
(2)加热时间的影响：加热时间越长，脱碳层厚度越大。所以，缩短加热时间，特别是缩短钢件表面已达到较高温度后在炉内的停留时间，可以快速加热，这是减少脱碳的有效措施。
(3)炉内气氛的影响：炉内气氛对脱碳的影响是根本性的，炉内气氛中H2O、CO2、O2和H2均能引起脱碳，而CO和CH4能使钢增碳。生产实践证明，为了减小可见脱碳层厚度，在强氧化性气氛中加热是有利的，这是因为铁的氧化将超过碳的氧化，因而可减小可见脱碳层厚度。
(4)钢的化学成分对脱碳的影响：钢中碳含量越高，加热时越容易脱碳，若钢中含有Al、W等元素，则脱碳增加；若钢中含有Cr、Mn等元素，则脱碳减少。
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