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鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳

鋼管,精密鋼管,無縫鋼管等鋼鐵零件在加熱的過程中,加熱的方式一般有三種,即傳導、對流和輻射。加熱的介質按對零件表面有無影響,分為空氣、可控氣氛或保護氣氛、流動粒子、鹽浴、真空等幾種。其中對零件基本無影響的為真空、可控氣氛或保護氣氛等。

鋼在無保護氣氛下加熱時常常發生氧化反應,表面氧化的同時伴隨表面脫碳,所以我們通常說氧化脫碳,其實氧化和脫碳是兩個獨立的過程。今天小編就來深剖一下熱處理最常見的氧化-脫碳現象。


鋼的氧化

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第1張

氧化的機理:在一般的氣體介質(如空氣)中,02C02和水蒸氣等是氧化脫碳性強的氣體,它們一般按下列化學反應進行,從而造成鋼的表面被氧化,即鋼在氧化性氣氛中加熱,在零件的表面將產生氧化層,分析表明氧化層從表到里依次為Fe203Fe304Fe0,其形成的機理為表面的氧氣含量高,與鐵強烈作用生成Fe203,中間部分為Fe304,內層形成了氧含量較低的Fe0,另外隨著爐內氧含量的增加和加熱溫度的提高氧化層的厚度會不斷增加。在實際的熱處理過程中要將氧化性氣氛消除,并確保工藝溫度符合技術要求。

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第2張

氧化通常是在5 2 5℃以上發生的,鋼鐵與空氣中的氧結合形成氧化鐵,它低于脫碳的溫度。氧化擴展的快慢程度取決于固溶體的成分,作為工具鋼,其中的鉻含量以及碳化物相的特性影響較大。高碳鋼的氧化皮十分致密,而低碳鋼的則疏松易于剝落,在5 70℃以下形成的氧化物由表到里依次為Fe203、Fe304,而570℃以上則為Fe03Fe304、Fe0,

如圖2-1所示。

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第3張

上述氧化皮與基體的結合性差,同時各自的膨脹系數不同,因此會一塊塊剝落,如圖。

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第4張

氧化的影響:

1)損耗了金屬

2)降低表面質量:銹蝕,麻坑,粗糙不平等。

3)影響淬火冷卻的均勻性,形成軟點。

4)引起淬火裂紋

影響鋼氧化的因素:鋼的氧化受多方面因素的影響其中主要有:

1)加熱溫度與時間的影響。鋼的加熱溫度越高,原子擴散速度越快氧化越嚴重。加熱時間越長氧化損失也越大,如圖2-2所示

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第5張

2)爐氣成分的影響,如圖2-3.2-4所示,當爐內空氣過剩系數越大氧化越嚴重。當爐內過剩系數為0.4-0.5時可以形成保護氣氛避免發生氧化。

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第6張

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第7張

3)鋼的化學成分的影響:當鋼的含碳量大于0.3%時,隨著含碳量增多氧化速度減小。另外,一些元素如Cr,Ni,Si,Mo等在金屬表面形成牢固致密的薄膜,阻止氧向內部擴散,使氧化速度減慢。而當鋼中的Cr及Ni含量在13-20%時實際上就很少氧化,也就是不銹鋼。

防止氧化的措施:

1)減少與氧化氣氛的接觸時間,如采用快速加熱,感應加熱等。以減少金屬在高溫下停留的時間。

2)在保護氣氛中加熱,常用的介質有:

a)氣體介質,例如利用燃料不完全燃燒產生的保護氣氛,以及惰性氣體等;

b)液體介質,比如在玻璃液,鹽浴中加熱等;

c)固體介質,把金屬埋在石墨粉中,涂抹玻璃潤滑劑等防氧化劑加熱等。

3)采用先進加熱技術。

脫碳

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第8張

脫碳decarburization的實質:

脫碳是指鋼材在加熱時表層碳含量降低的現象。脫碳的過程是鋼種的碳在高溫下與氧,氫氣等發生化學反應生產甲烷和CO的過程。

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第9張

這些反應是可逆的即氫,氧,二氧化碳可使鋼脫碳而CH4和CO可使鋼增碳。

脫碳也是擴散作用的結果,脫碳時一方面氧向鋼內擴散,另一方面鋼中的碳向外擴散。從最后結果來看,脫碳只有在脫碳速度超過氧化速度才能形成。當氧化速度很大時,不發生明顯的脫碳現象。即脫碳層產生后被氧化成氧化鐵皮。因此在氧化作用相對較弱的氣氛中會形成較深的脫碳層。


脫碳層的特征:

脫碳由于碳被氧化反應,因此表現在:

化學成分上含碳量較正常組織低;

金相組織滲碳體的數量較正常組織少;

機械性能上其強度和硬度較正常組織低。


鋼的脫碳層深度:

鋼的脫碳層深度包括全脫碳層和部分脫碳層(過渡層)兩個部分,部分脫碳層是指全脫碳層之后到正常組織的部分。其檢驗按照國家標準GB/T224-2008《鋼的脫碳層深度測定法》適用于檢驗原材料及其機械零部件成品脫碳層深度的測量。脫碳層深度測定可分為金相法、硬度法和化學分析法三種。

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第10張

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第11張

脫碳對鋼的性能影響:

1.對鍛造和熱處理工藝性能的影響:

1)2Cr13不銹鋼加熱溫度過高,保溫時間過長時能使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)鋼的表面脫碳后,由于表層與心部組織不同線膨脹系數不同,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

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,結果得不到要求的硬度。

軸承鋼表面脫碳后會形成淬火軟點,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。

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,但如果超過加工余量范圍,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。

影響脫碳的因素:

(1)爐氣成分  在爐氣成分中,脫碳能力最強的是H2O(汽),其次是O2CO2H2較弱。一般來說在中性介質或弱氧化性介質中加熱時,可以減少脫碳。

(2)加熱時間與加熱次數的影響,   鋼在加熱時間越長,加熱次數越多,脫碳層越厚;當厚度達到一定值后,脫碳速度將逐漸減慢

(3)加熱溫度   鋼在氧化性爐氣中加熱時,既產生氧化,也引起脫碳。在700~1000℃的高溫下,由于表面氧化皮阻礙碳的擴散,脫碳的速度比氧化要慢;隨著加熱溫度的升高,氧化和脫碳的速度都加快,而此時氧化皮喪失阻礙功能,脫碳進行得比氧化更為劇烈。如GCr15鋼在1100~1200℃溫度時,會產生強烈的脫碳現象。

鋼管(精密鋼管)鋼的氧化、脫碳 技術信息 第12張

4)化學成分   鋼的含碳量越高,脫碳傾向越大。WAlSiCo等元素使鋼脫碳增加;Cr等元素則能阻止鋼的脫碳。


防止脫碳的措施:

1)工件加熱時,盡可能的降低加熱溫度及在高溫下的停留時間,合理的選擇加熱速度,以縮短加熱的總時間。

2)造成及控制適當的加熱氣氛,使之呈現中性或采用保護氣氛加熱,為此可采用特殊設計的加熱爐,如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,如停斷時間很長,則應將坯料從爐內取出或隨爐降溫。

4)進行冷變形成形時,盡可能減少中間退火次數及降低中間退火溫度,或者用軟化退火代替高溫退火,進行中間退火或者軟化回火時,加熱應在保護介質中進行。

5)高溫加熱時,鋼的表面應利用覆蓋物及涂料保護,以防止氧化與脫碳。

6)正確的操作及加大工件加工余量,以使脫碳層在加工時能完全去掉。



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