金属在加热过程中的氧化与脱碳

金属在加热过程中的氧化与脱碳

金属热处理在不同介质中加热，如空气介质中中加热、保护气氛中加热、真空加热、浴炉加热、流态炉加热等，在加热过程中金属表面将要和周围的介质发生反应，如氧化、脱碳等，还可能有物理作用，如脱气、合金元素蒸发等。这些物化反应会直接影响别处理工件的表面状态，最终影响工件的使用性能。

通过长情况下，工件在以空气作为加热介质的热处理炉中加热，工件直接与空气接触，表面会发生氧化脱脱反应，将影响热处理工件的质量，为了防止热处理缺陷和获得所要求的表面质量，对炉内气氛的性质必须密切注意并且采取有效措施。

钢在加热是会发生脱碳、增碳、氧化还原的主要原因是由于：炉内气氛经常含有氧、氢、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氮和碳氢化合物等。在高温下除氮气除外，都会与钢发生化学反应。

炉内常有的气体中O2 、CO2 、H2O属于氧化性气体它们与钢发生氧化脱碳反应。H2、CO、CH4属于还原性气体，可使表面层还原，其中CH4、、CO还是增碳性气体，能使钢表面增碳，而氢会使钢表面脱碳，当炉气中含有水蒸汽时，这种脱碳更加强烈。

钢被氧化时，氧化速度很快，迅速在表面形成氧化膜，氧化膜一旦形成，氧化速度会减慢，因为此时氧化速度取决于氧和铁原子通过铁原子的扩散速度。随着加热温度的提高，原子扩散速度加快，钢的氧化速度增大，在570度一下，工件表面形成的主要是致密的Fe3O4，氧化速度急剧增加。

钢的脱碳反应是可逆的，根据反应条件的不同，既可以脱碳也可以增碳。刚加热时，炉气中含碳量低于钢中含碳量时，将发生钢表面脱碳。脱碳包括两个过程，第一工件表面与炉气发生化学反应，形成含碳气体逸出表面，表面碳浓度降低，第二表面碳浓度降低后在工件表面与内部之间出现碳浓度差，发生碳原子向外扩散的现象。

根据炉气中含碳量、加热温度以及钢中含碳量的不同，碳钢脱碳层有两种类型的组织：一种为半脱碳层，一种为全脱碳层。所谓半脱碳层是指脱碳层组织有表面到中心，由铁素体加珠光体组织逐渐过渡到珠光体，再到钢的原始组织的退火组织；而全脱碳层是指脱碳层表面为单一的铁素体，向里为铁素体加珠光体并逐渐过渡到钢的原始组织。

在强氧化气氛中加热时，表面脱碳和表面氧化往往同时发生。一般情况下，表面脱碳比表面氧化更容易发生，尤其是高碳钢。

需要注意的是，不论是氧化脱碳反应，还是还原增碳反应，出自由氧原子参与的反应外，都能在一定条件下达到平衡，甚至进行可逆反应。但是氧对钢的氧化反应是不可逆的，并且非常强烈，如钢在中性气体氮中退火时，炉内的含氧量只要有万分之几，就能使刚氧化。

碳素钢退火的冷却速度不大于100-200度每小时的速度冷却至500-550度后空冷出炉空冷。

工具钢的含碳量高，内部组织为层片状珠光体和网状渗碳体，硬度高、脆性大，淬火时容易产生变形、开裂的现象。

等温球化退火将钢加热到AC1点以上20-30度时，保温4h，再迅速冷却到Ar1以下20度左右等温3-6h，能达到使渗碳体充分秋华的效果。如果是合金元素的含量较多时，因为奥氏体稳定，应延长等温世间。

含碳量小于0.25的低碳钢正火代替退火，正火的冷却速度快，可以防止低碳钢中的铁素体沿着境界析出游离的三次渗碳体，提高钢材的冷变形的性能。

合金元素的多少决定于奥氏体的稳定性。

淬火在炉内加入无水分的木炭。