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脫碳層對(duì)光譜分析鋼鐵中碳及其他元素含量的影響

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研究原因：

檢測(cè)來(lái)料鋼板時(shí)，檢測(cè)結(jié)果C含量與手工化驗(yàn)結(jié)果偏差較大，檢測(cè)切割面時(shí)檢測(cè)結(jié)果基本一致，鋼板表面多磨掉一層后，檢測(cè)結(jié)果趨于穩(wěn)定

脫碳層的危害:

當(dāng)脫碳層增多時(shí)，會(huì)使鍛件表面變軟，強(qiáng)度和耐磨性降低，對(duì)鍛件質(zhì)量有很大的危害，特別是高碳工具鋼、軸承鋼、高速鋼及彈簧鋼的脫碳更是嚴(yán)重的缺陷。因此在鍛造，特別是精鍛加熱時(shí)應(yīng)避免脫碳發(fā)生。

脫碳層國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)里沒有規(guī)定多少是合格，多少是不合格。判定標(biāo)準(zhǔn)是不影響產(chǎn)品使用性能作為依據(jù)的，而線材中國(guó)標(biāo)GB/T5953和GB/T6478都有說(shuō)明的。

例：GB/T6478-2001 冷鐓和冷擠壓用鋼定鋼材每邊總脫碳層深度（鐵素體+過(guò)渡層）不得大于公稱直徑的1%或及1.5%。但對(duì)于直徑小于7mm的鋼材，一邊總脫碳層深度不得大于0.1mm。

脫碳層概念

A、脫碳：是指鋼在加熱時(shí)表面碳含量降低的現(xiàn)象。脫碳可以是部分脫碳，也可以是全（或近似于全）脫碳。

B、總脫碳層深度：從產(chǎn)品表面到碳含量等于基體碳含量的那一點(diǎn)距離，等于部分脫碳層和完全脫碳層之和。

C、有效脫碳層深度：從產(chǎn)品表面到規(guī)定的碳含量或硬度水平的點(diǎn)的距離，規(guī)定的碳含量或硬度水平以不因脫碳而影響使用性能為準(zhǔn)（如產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的碳含量小值）。

D、鐵素體脫碳層深度：表面完全脫碳層的深度。（由顯微組織檢驗(yàn)確定）

原理

脫碳的實(shí)質(zhì)就是鋼中碳在高溫下與氧或氫等發(fā)生作用生成一氧化碳或甲烷，其化學(xué)反應(yīng)如下：

2Fe3C+O2 6Fe+2CO

Fe3C+2H2 Fe+CH4

Fe3C+H2O 3Fe+CO+H2

Fe3C+CO2 3Fe+2CO

這些反應(yīng)是可逆的，即氫、氧和二氧化碳使鋼脫碳，而甲烷和一氧化碳則使鋼增碳

脫碳過(guò)程

脫碳是擴(kuò)散作用的結(jié)果，脫碳時(shí)一方面是氧向鋼內(nèi)擴(kuò)散；另一方面鋼中的碳向外擴(kuò)散。從后的結(jié)果看，脫碳層只在脫碳速度超過(guò)氧化速度時(shí)才能形成。當(dāng)氧化速度很大時(shí)，可以不發(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象，即脫碳層產(chǎn)生后鐵即被氧化而成氧化鐵皮。因此，在氧化作用相對(duì)弱的氣氛中，可以形成較深的脫碳層

影響脫碳的因素

A、爐氣成分在爐氣成分中，脫碳能力強(qiáng)的是H2O（汽），其次是O2、CO2，H2較弱。一般來(lái)說(shuō)在中性介質(zhì)或弱氧化性介質(zhì)中加熱時(shí)，可以減少脫碳。

B、加熱溫度鋼在氧化性爐氣中加熱時(shí)，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(kuò)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(shí)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的脫碳現(xiàn)象。

C、加熱時(shí)間鋼在加熱時(shí)間越長(zhǎng)，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。

D、化學(xué)成分鋼的含碳量越高，脫碳傾向越大。W、Al等元素使鋼脫碳增加；Cr、Mn等元素則能阻止鋼的脫碳。

脫碳層分類

總脫碳層

部分脫碳層

脫碳層的檢測(cè)

通常采用金相法、硬度法、化學(xué)法或光譜分析法。下面簡(jiǎn)單說(shuō)下光譜分析與脫碳層的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)部分

• 儀器及工作條件

全譜直讀光譜儀，千分尺，氬氣純度：≥99.999%

• 試樣的選擇和試驗(yàn)

將平面試樣逐層磨剝，在每一層上進(jìn)行碳及其他元素的光譜測(cè)定。要設(shè)法使逐層的光譜火花放電區(qū)不重疊

• 樣品準(zhǔn)備

3mm薄板，熱軋；厚6mm圓鋼，熱軋

• 檢測(cè)數(shù)據(jù)

• A、鋼板總厚度：2.81mm

剩余厚度mm	去除厚度mm	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
2.74	0.07	0.118	0.0565	0.866	0.011	0.0045	0.022	0.018
2.73	0.08	0.121	0.0565	0.87	0.011	0.0045	0.022	0.017
2.71	0.1	0.151	0.057	0.87	0.011	0.004	0.025	0.019
2.695	0.115	0.161	0.057	0.869	0.01	0.004	0.024	0.019
2.69	0.12	0.161	0.057	0.87	0.009	0.004	0.024	0.019
2.67	0.14	0.16	0.057	0.874	0.0105	0.0045	0.023	0.018
2.6	0.21	0.159	0.057	0.875	0.011	0.004	0.024	0.019
2.46	0.35	0.161	0.057	0.869	0.0108	0.004	0.023	0.018

隨著脫碳層的減少，含碳量的趨勢(shì)圖

B、圓鋼厚度：6.52mm

厚度mm	去除厚度mm	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
6.49	0.03	0.26	0.255	1.658	0.015	0.007	0.095	0.057
6.44	0.08	0.31	0.258	1.657	0.016	0.008	0.094	0.056
6.35	0.17	0.33	0.259	1.65	0.018	0.007	0.096	0.057
6.31	0.21	0.34	0.26	1.665	0.016	0.007	0.096	0.057
6.25	0.27	0.36	0.262	1.664	0.016	0.007	0.098	0.059
5.95	0.57	0.365	0.261	1.659	0.015	0.006	0.097	0.058
5.84	0.68	0.371	0.263	1.661	0.017	0.007	0.097	0.057
5.72	0.8	0.369	0.026	1.66	0.017	0.007	0.096	0.057

隨著脫碳層的減少，含碳量的趨勢(shì)圖

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，我們可以看到，對(duì)進(jìn)廠鋼板、角鋼、圓鋼中各元素檢測(cè)時(shí)，隨著脫碳層的減少，碳含量明顯增加，當(dāng)增加到一定程度后，碳含量趨于穩(wěn)定，而其他元素并不受脫碳層深度的影響

防止或減輕脫碳的措施

加熱介質(zhì)	防止和減少氧化脫碳的措施
空氣	1、工件埋入石英沙+鑄鐵屑裝箱加熱可防止氧化，在填加木炭可防止氧化脫碳。
	2、工作表面涂防氧化脫碳涂料。
	3、采用不銹鋼包裝密封加熱。
	4、采用密封罐抽真空或抽真空后通保護(hù)氣氛。
	5、采用感應(yīng)加熱、激光加熱等快速加熱可防止或減少氧化。
火焰爐燃燒產(chǎn)物	1、調(diào)節(jié)燃燒比，使?fàn)t氣帶還原性。
火焰爐燃燒產(chǎn)物	2、利用燃燒產(chǎn)物凈化后通入罐內(nèi)作保護(hù)氣。
保護(hù)氣氛	1、采用一定純度的惰性氣體保護(hù)可防止氧化，若防脫碳則應(yīng)使用深度凈化惰性氣體，使O2＜10×10-6，露點(diǎn)＜-50℃。