金相分析之脫碳層深度

金相分析是通過觀察材料微觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)部組織，進(jìn)而通過組織結(jié)構(gòu)或者缺陷來判新材料的性能。可以說金相是熱處理的眼睛。

所以能夠?qū)鹣嘤幸欢私饽軌驇椭覀兏玫慕鉀Q我們實(shí)際生產(chǎn)中的問題，讓理論和時間更好地融合在一起，對于生產(chǎn)實(shí)踐有著重要的指導(dǎo)作用。

1、脫碳層形成原因分析

脫碳現(xiàn)象是指鋼材料在進(jìn)行加熱時表面的碳元素含量出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，脫碳的實(shí)質(zhì)就是鋼材料中C元素在高溫作用下與H元素或O元素發(fā)生反應(yīng)生成CH4或CO。在脫碳過程中包括0元素向鋼材料內(nèi)部的擴(kuò)散以及C元素向鋼材料外面的擴(kuò)散，因此只有在脫碳速率大干氧化速率時才能形成脫碳層。當(dāng)鋼材料的氧化速率較大時，會發(fā)生不明顯的脫碳現(xiàn)象，脫碳層產(chǎn)生后將會被氧化形成氧化皮，但在氧化作用相對較弱的氛圍中，能夠形成較為明顯的深層脫碳層。

脫碳是鋼表層上碳的缺失，一般分為兩種類型

①部分脫碳

②完全脫碳(鋼樣表層碳含量水平低于碳在鐵素體中最大溶解度)

對于絕大多數(shù)鋼材料而言，脫碳現(xiàn)象會導(dǎo)致鋼材料的性能變差，故將脫碳層看作鋼材料的一種缺陷，尤其是對于某些特種鋼(如工具鋼、軸承鋼、高速鋼等)而言，脫碳層更是嚴(yán)重地影響其性能。鋼材料表層中的C元素被氧化后將會形成脫碳層，體現(xiàn)在化學(xué)成分上脫碳層的碳元素含量比正常組織較低，體現(xiàn)在金相組織上脫碳層中的滲碳體(FeC)的數(shù)量比正常組織中少，體現(xiàn)在力學(xué)性能上脫碳層的強(qiáng)度和硬度比正常組織低。

2、脫碳金相實(shí)例分析

碳素鋼表面脫碳(100X)

60Si2MnA彈簧鋼表面脫碳

20MnTiB調(diào)質(zhì)鋼表面脫碳2.2 脫碳層的測定

測定方法的選擇及其準(zhǔn)確度取決干產(chǎn)品的脫碳程度、顯微組織、含碳量以及部件的形狀。一般采用金相法、硬度法、化學(xué)或者光譜分析法測定碳含量的方法測定。具體詳情大家可以參照:

GB T 224-2008 鋼的脫碳層深度測定法 標(biāo)準(zhǔn)

下面我們就金相法進(jìn)行分析?？偯撎紝拥臏y定--在中碳鋼、低合金鋼中是以鐵素體與其他組織組成的相對量變化來區(qū)分的。借助干測微目鏡或直接在顯微鏡毛玻璃屏上測量從表面到其組織和基體組織已無區(qū)別的那一點(diǎn)距離。對每一試樣，在深的均勻脫碳區(qū)一個視場內(nèi)，應(yīng)隨機(jī)進(jìn)行幾次測量(至少需5次)，以這些測量值的平均值作為總脫碳層深度;而對于工具鋼、軸承鋼、彈簧鋼是測量深處的脫碳層作為總脫碳層深度的。

全脫碳層的測定—全脫碳層是指試樣表面脫碳后得到的全鐵素體組織，因此，測量時應(yīng)從表面測至有滲碳體或有珠光體出現(xiàn)的那一點(diǎn)，或測量產(chǎn)生全鐵素體組織的滲度為全脫碳層深度。

放大倍數(shù)的選擇取決于脫碳層深度，如果需方?jīng)]有特殊規(guī)定，通常采用的放大倍數(shù)為100倍。一般來說，具有近似平衡組織的鋼種脫碳層取決于珠光體的減少量。3、脫碳層對工藝性能的影響

(1)鋼材料的表面形成脫碳層以后，因鋼材料的表面與內(nèi)部組織的差異以及其線膨脹系數(shù)的不同，在淬火過程中不同組織間的轉(zhuǎn)變和體積的變化會產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，同時脫碳層的形成會導(dǎo)致鋼表層的強(qiáng)度下降，在進(jìn)一步的機(jī)械加工過程中可能使零部件的表面產(chǎn)生裂紋缺陷。

(2)對于需要進(jìn)行淬火熱處理的鋼材料，表面形成脫碳層后使其含碳量下降，淬火后的馬氏體不能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)變或者不能全部發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致鋼材料的硬度和強(qiáng)度達(dá)不到要求，在使用過程中容易出現(xiàn)接觸疲勞損壞現(xiàn)象。

(3)鋼材料產(chǎn)生脫碳層以后導(dǎo)致其疲勞強(qiáng)度降低，加工生產(chǎn)的零部件在使用過程中會出現(xiàn)過早的疲勞損壞現(xiàn)象。

(4)零部件表層形成的脫碳層(黑皮部分)未被加工，會導(dǎo)致零部件的性能降低;如果脫碳層的深度小于加工余量，在進(jìn)行機(jī)械加工時可以完全被切削掉，不影響零部件的性能;如果脫碳層的深度大干加工余量，在進(jìn)行機(jī)械加工時不能完全被切削掉(部分脫碳層被保留下來)，使零部件的性能下降。由于鍛造加工工藝不當(dāng)，造成零件表面的脫碳層出現(xiàn)局部堆積現(xiàn)象，而且在進(jìn)行加工過程中不能夠?qū)a(chǎn)生的脫碳層完全切削掉，保留下來的脫碳層會導(dǎo)致零件的性能不均，嚴(yán)重時可導(dǎo)致零件的報廢。

4、 防止脫碳的措施

(1)零部件在進(jìn)行加熱過程中，盡量降低加熱溫度和減少在高溫下的加熱時間，確定合理的加熱速率，縮短總的加熱時間。

(2)設(shè)計具有特殊功用的加熱爐，嚴(yán)格控制加熱爐中的加熱氣氛，使?fàn)t中的氣體呈中性，具有保護(hù)作用。

(3)在熱加工過程中，若因某些特殊原因而停止，應(yīng)當(dāng)將加熱爐溫度降低等待恢復(fù)加工生產(chǎn)，如果停止時間過長，必須將待加熱材料取出來或者隨加熱爐冷卻。

(4)在冷變形加工過程中，應(yīng)當(dāng)盡量控制中間過程中的退火次數(shù)和降低退火溫度，必要時可進(jìn)行軟化口火處理，以降低脫碳層的形成，退火和軟化回火等熱處理操作必須在保護(hù)介質(zhì)中進(jìn)行。

(5)進(jìn)行高溫加熱時，可在鋼材料的表面增加覆蓋物或者進(jìn)行涂層保護(hù)，用來防上鋼材料的氧化和脫碳。

(6)鋼材料進(jìn)行加工時選擇正確的操作(如加大零部件的機(jī)械加工余量)。