钢管(精密钢管)钢的氧化、脱碳

钢管，精密钢管，无缝钢管等钢铁零件在加热的过程中，加热的方式一般有三种，即传导、对流和辐射。加热的介质按对零件表面有无影响，分为空气、可控气氛或保护气氛、流动粒子、盐浴、真空等几种。其中对零件基本无影响的为真空、可控气氛或保护气氛等。

钢在无保护气氛下加热时常常发生氧化反应，表面氧化的同时伴随表面脱碳，所以我们通常说氧化脱碳，其实氧化和脱碳是两个独立的过程。今天小编就来深剖一下热处理最常见的氧化-脱碳现象。

钢的氧化

氧化的机理：在一般的气体介质（如空气）中，02、C02和水蒸气等是氧化脱碳性强的气体，它们一般按下列化学反应进行，从而造成钢的表面被氧化，即钢在氧化性气氛中加热，在零件的表面将产生氧化层，分析表明氧化层从表到里依次为Fe203、Fe304、Fe0，其形成的机理为表面的氧气含量高，与铁强烈作用生成Fe203，中间部分为Fe304，内层形成了氧含量较低的Fe0，另外随着炉内氧含量的增加和加热温度的提高氧化层的厚度会不断增加。在实际的热处理过程中要将氧化性气氛消除，并确保工艺温度符合技术要求。

氧化通常是在5 2 5℃以上发生的，钢铁与空气中的氧结合形成氧化铁，它低于脱碳的温度。氧化扩展的快慢程度取决于固溶体的成分，作为工具钢，其中的铬含量以及碳化物相的特性影响较大。高碳钢的氧化皮十分致密，而低碳钢的则疏松易于剥落，在5 70℃以下形成的氧化物由表到里依次为Fe203、Fe304，而570℃以上则为Fe03、Fe304、Fe0,

如图2-1所示。

上述氧化皮与基体的结合性差，同时各自的膨胀系数不同，因此会一块块剥落，如图。

氧化的影响：

1）损耗了金属

2）降低表面质量：锈蚀，麻坑，粗糙不平等。

3）影响淬火冷却的均匀性，形成软点。

4）引起淬火裂纹

影响钢氧化的因素：钢的氧化受多方面因素的影响其中主要有：

1）加热温度与时间的影响。钢的加热温度越高，原子扩散速度越快氧化越严重。加热时间越长氧化损失也越大，如图2-2所示

2）炉气成分的影响，如图2-3.2-4所示，当炉内空气过剩系数越大氧化越严重。当炉内过剩系数为0.4-0.5时可以形成保护气氛避免发生氧化。

3）钢的化学成分的影响：当钢的含碳量大于0.3%时，随着含碳量增多氧化速度减小。另外，一些元素如Cr,Ni,Si，Mo等在金属表面形成牢固致密的薄膜，阻止氧向内部扩散，使氧化速度减慢。而当钢中的Cr及Ni含量在13-20%时实际上就很少氧化，也就是不锈钢。

防止氧化的措施：

1）减少与氧化气氛的接触时间，如采用快速加热，感应加热等。以减少金属在高温下停留的时间。

2）在保护气氛中加热,常用的介质有：

a)气体介质，例如利用燃料不完全燃烧产生的保护气氛，以及惰性气体等；

b)液体介质，比如在玻璃液，盐浴中加热等；

c)固体介质，把金属埋在石墨粉中，涂抹玻璃润滑剂等防氧化剂加热等。

3）采用先进加热技术。

脱碳

脱碳decarburization的实质：

脱碳是指钢材在加热时表层碳含量降低的现象。脱碳的过程是钢种的碳在高温下与氧，氢气等发生化学反应生产甲烷和CO的过程。

这些反应是可逆的即氢，氧，二氧化碳可使钢脱碳而CH4和CO可使钢增碳。

脱碳也是扩散作用的结果，脱碳时一方面氧向钢内扩散，另一方面钢中的碳向外扩散。从最后结果来看，脱碳只有在脱碳速度超过氧化速度才能形成。当氧化速度很大时，不发生明显的脱碳现象。即脱碳层产生后被氧化成氧化铁皮。因此在氧化作用相对较弱的气氛中会形成较深的脱碳层。

脱碳层的特征：

脱碳由于碳被氧化反应，因此表现在：

化学成分上含碳量较正常组织低；

金相组织上渗碳体的数量较正常组织少；

机械性能上其强度和硬度较正常组织低。

钢的脱碳层深度：

钢的脱碳层深度包括全脱碳层和部分脱碳层（过渡层）两个部分，部分脱碳层是指全脱碳层之后到正常组织的部分。其检验按照国家标准GB/T224-2008《钢的脱碳层深度测定法》适用于检验原材料及其机械零部件成品脱碳层深度的测量。脱碳层深度测定可分为金相法、硬度法和化学分析法三种。

脱碳对钢的性能影响：

1.对锻造和热处理工艺性能的影响：

1)2Cr13不锈钢加热温度过高，保温时间过长时能使δ铁素体在表面过早的形成，使锻件表面的塑性大大降低，模锻时容易开裂。

2）奥氏体锰钢脱碳后，表层将得不到均匀的奥氏体组织，这不仅使冷变形时的强化达不到要求，而且影响耐磨性，还可能由于变形不均匀产生裂纹。

3）钢的表面脱碳后，由于表层与心部组织不同线膨胀系数不同，因此淬火时所发生的不同组织转变及体积变化将引起很大的内应力，同时表层经脱碳后强度下降，甚至在淬火过程中 有时使零件表面产生裂纹。

2.对零件性能的影响

对于需要淬火的钢，脱碳使其表层的含碳量降低，淬火后不能发生马氏体转变或转变不完全，结果得不到要求的硬度。

轴承钢表面脱碳后会形成淬火软点，使用时易发生接触疲劳损坏，高速工具钢表面脱碳会使红硬性下降。

零件上不加工的部分（黑皮部分）脱碳层全部保留在零件上，这将使性能下降。而零件的加工面上脱碳层的深度如在机械加工余量范围内，可以在加工时切削掉，但如果超过加工余量范围，脱碳层将部分保留下来，使性能下降。有时因为锻造工艺不当，脱碳层局部堆积，机械加工时将不能完全去掉而保留在零件上，引起性能不均，严重时造成零件报废。

影响脱碳的因素：

（1）炉气成分在炉气成分中，脱碳能力最强的是H2O（汽），其次是O2、CO2，H2较弱。一般来说在中性介质或弱氧化性介质中加热时，可以减少脱碳。

（2）加热时间与加热次数的影响，钢在加热时间越长，加热次数越多，脱碳层越厚；当厚度达到一定值后，脱碳速度将逐渐减慢

（3）加热温度钢在氧化性炉气中加热时，既产生氧化，也引起脱碳。在700~1000℃的高温下，由于表面氧化皮阻碍碳的扩散，脱碳的速度比氧化要慢；随着加热温度的升高，氧化和脱碳的速度都加快，而此时氧化皮丧失阻碍功能，脱碳进行得比氧化更为剧烈。如GCr15钢在1100~1200℃温度时，会产生强烈的脱碳现象。

（4）化学成分钢的含碳量越高，脱碳倾向越大。W、Al，Si，Co等元素使钢脱碳增加；Cr等元素则能阻止钢的脱碳。

防止脱碳的措施：

1）工件加热时，尽可能的降低加热温度及在高温下的停留时间，合理的选择加热速度，以缩短加热的总时间。

2）造成及控制适当的加热气氛，使之呈现中性或采用保护气氛加热，为此可采用特殊设计的加热炉，如在脱氧良好的盐浴炉中加热，要比普通箱式炉中加热的脱碳倾向为小。

3）热压力加工过程中，如果因为一些偶然因素使生产中断，应降低炉温，以待生产恢复，如停断时间很长，则应将坯料从炉内取出或随炉降温。

4）进行冷变形成形时，尽可能减少中间退火次数及降低中间退火温度，或者用软化退火代替高温退火，进行中间退火或者软化回火时，加热应在保护介质中进行。

5）高温加热时，钢的表面应利用覆盖物及涂料保护，以防止氧化与脱碳。

6）正确的操作及加大工件加工余量，以使脱碳层在加工时能完全去掉。

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