鋼鐵零件在加熱的過程中，加熱的方式一般有三種，即傳導(dǎo)、對流和輻射。加熱的介質(zhì)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(fā)生氧化反應(yīng)，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(xiàn)象。
鋼的氧化
氧化的機理：在一般的氣體介質(zhì)（如空氣）中，02、C02和水蒸氣等是氧化脫碳性強的氣體，它們一般按下列化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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(chǎn)生氧化層，分析表明氧化層從表到里依次為Fe203、Fe304、Fe0，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(nèi)層形成了氧含量較低的Fe0，另外隨著爐內(nèi)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(shù)要求。
氧化通常是在5 2 5℃以上發(fā)生的，鋼鐵與空氣中的氧結(jié)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Fe03、Fe304、Fe0,
如圖2-1所示。
上述氧化皮與基體的結(jié)合性差，同時各自的膨脹系數(shù)不同，因此會一塊塊剝落，如圖。
氧化的影響：
1）損耗了金屬
2）降低表面質(zhì)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(yán)重。加熱時間越長氧化損失也越大，如圖2-2所示
2）爐氣成分的影響，如圖2-3.2-4所示，當(dāng)爐內(nèi)空氣過剩系數(shù)越大氧化越嚴(yán)重。當(dāng)爐內(nèi)過剩系數(shù)為0.4-0.5時可以形成保護氣氛避免發(fā)生氧化。
3）鋼的化學(xué)成分的影響：當(dāng)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(nèi)部擴散，使氧化速度減慢。而當(dāng)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(yīng)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(zhì)有：
a)氣體介質(zhì)，例如利用燃料不完全燃燒產(chǎn)生的保護氣氛，以及惰性氣體等；
b)液體介質(zhì)，比如在玻璃液，鹽浴中加熱等；
c)固體介質(zhì)，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(jìn)加熱技術(shù)。
脫碳
脫碳decarburization的實質(zhì)：
脫碳是指鋼材在加熱時表層碳含量降低的現(xiàn)象。脫碳的過程是鋼種的碳在高溫下與氧，氫氣等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)甲烷和CO的過程。
這些反應(yīng)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(jié)果，脫碳時一方面氧向鋼內(nèi)擴散，另一方面鋼中的碳向外擴散。從最后結(jié)果來看，脫碳只有在脫碳速度超過氧化速度才能形成。當(dāng)氧化速度很大時，不發(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象。即脫碳層產(chǎn)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(yīng)，因此表現(xiàn)在：
化學(xué)成分上含碳量較正常組織低；
金相組織上滲碳體的數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)分析法三種。
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(dá)不到要求，而且影響耐磨性，還可能由于變形不均勻產(chǎn)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(shù)不同，因此淬火時所發(fā)生的不同組織轉(zhuǎn)變及體積變化將引起很大的內(nèi)應(yīng)力，同時表層經(jīng)脫碳后強度下降，甚至在淬火過程中 有時使零件表面產(chǎn)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(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)變不完全，結(jié)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(fā)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(nèi)，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(dāng)，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(yán)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O2、CO2，H2較弱。一般來說在中性介質(zhì)或弱氧化性介質(zhì)中加熱時，可以減少脫碳。
（2）加熱時間與加熱次數(shù)的影響， 鋼在加熱時間越長，加熱次數(shù)越多，脫碳層越厚；當(dāng)厚度達(dá)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(chǎn)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(jìn)行得比氧化更為劇烈。如GCr15鋼在1100~1200℃溫度時，會產(chǎn)生強烈的脫碳現(xiàn)象。
（4）化學(xué)成分 鋼的含碳量越高，脫碳傾向越大。W、Al，Si，Co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(dāng)?shù)募訜釟夥?，使之呈現(xiàn)中性或采用保護氣氛加熱，為此可采用特殊設(shè)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(chǎn)中斷，應(yīng)降低爐溫，以待生產(chǎn)恢復(fù)，如停斷時間很長，則應(yīng)將坯料從爐內(nèi)取出或隨爐降溫。
4）進(jìn)行冷變形成形時，盡可能減少中間退火次數(shù)及降低中間退火溫度，或者用軟化退火代替高溫退火，進(jìn)行中間退火或者軟化回火時，加熱應(yīng)在保護介質(zhì)中進(jìn)行。
5）高溫加熱時，鋼的表面應(yīng)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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