鋼鐵加熱時的脫碳

鋼的強度和耐磨性取決于組織中的碳化物。鋼表層碳含量的減少會降低表面硬度和強度以及耐磨性，影響機(jī)器零件壽命，在許多情況下還會降低鋼材的疲勞抗力。

鋼鐵加熱時，在鐵氧化的同時，碳也會氧化。鋼的脫碳建立在表面晶格溶入碳的氧化。依賴于周圍氣氛的碳勢，鋼的脫碳也可能和形成氧化皮無關(guān)。在熱處理過程中，鐵和碳的氧化一般都是同時發(fā)生。碳氧化形成CO和CO2的氣體產(chǎn)物，由于存在氧化皮、只有氣體產(chǎn)物自氧化皮逸出，才有可能形成脫碳，也就是說，當(dāng)CO、CO2的平衡壓力足夠大到?jīng)_破氧化皮或氧化皮具有多孔性時才可能發(fā)生脫碳。

鋼表面碳的消耗要靠內(nèi)部碳的擴(kuò)散來補償，因此，鋼的脫碳過程由3個步驟組成:加熱介質(zhì)中的氧輸送到鋼材表面，碳在氣體和鋼界面上交換和碳在鋼材內(nèi)部的擴(kuò)散。

碳在鋼內(nèi)部的擴(kuò)散是控制脫碳速率的最重要因素。經(jīng)過一個短暫的起始段，脫碳層深度的變化便遵從一個對時間的拋物線規(guī)律。低碳鋼加熱到910 ℃以下表面呈鐵素體狀態(tài)，由于碳的溶解度極低，造成對碳擴(kuò)散的較大位壘。加熱到910 ℃以上，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，會發(fā)生強烈脫碳。

當(dāng)同時存在氧化脫碳時，初始形成的氧化相能防止脫碳。當(dāng)溫度升高、CO-CO2平衡壓力增大、氧化皮附著力變?nèi)趸蜃優(yōu)槎嗫谞顣r，脫碳現(xiàn)象才會明顯發(fā)生。

鋼中的合金元素通過以下方式影響脫碳過程:鐵素體-奧氏體轉(zhuǎn)變溫度的變化、碳在固溶體中的活動性、碳的擴(kuò)散系數(shù)、所形成氧化皮的性質(zhì)。隨著碳擴(kuò)散系數(shù)的增大，脫碳程度增加；隨碳活潑性的增大，脫碳程度增加；隨鐵素體-奧氏體轉(zhuǎn)變溫度的提高，脫碳程度增加。

在鋼的氧化過程中，由于合金元素在氧化層-金屬界面上具有趨向金屬或趨向氧化層的不同表現(xiàn)，便使脫碳過程復(fù)雜化。在含有碳化物形成元素時，碳化物自固溶體的脫溶速度也會對脫碳程度有影響。當(dāng)合金元素作用比鐵小時，內(nèi)氧化的可能性增大。在鐵被正常保護(hù)的條件下也會形成外氧化層。在形成外氧化層情況下，如果合金元素使氧化速率增大，在沒有其他因素影響下，脫碳層深度會減少。