李继康钢的脱碳层深度测定

钢的脱碳层深度测定法Determinationofdepthofdecarburizationofsteel钢铁研究总院李继康2009年7月31日主要内容†脱碳简述†GB224-2008介绍†数据处理与不确定度一、脱碳简述脱碳简述†脱碳是钢加热时表面碳含量降低的现象。脱碳的过程就是钢中碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳。其化学方程式如下：2Fe3C+O26Fe+2COFe3C+2H23Fe+CH4Fe3C+H2O3Fe+CO+H2Fe3C+CO23Fe+2CO这些反应是可逆的，即氢、氧和二氧化碳使钢脱碳，甲烷和一氧化碳则使钢增碳。脱碳简述†脱碳是扩散作用的结果，脱碳时一方面是氧向钢内扩散；另一方面钢中的碳向外扩散。从昀后的结果看，脱碳层只在脱碳速度超过氧化速度时才能形成。当氧化速度很大时，可以不发生明显的脱碳现象，即脱碳层产生后铁即被氧化而成氧化铁皮。因此，在氧化作用相对较弱的气氛中，可以形成较深的脱碳层。†对大多数钢来说，脱碳后硬度、强度降低，尤其显著影响疲劳寿命，特别是对于高碳工具钢、轴承钢、高速钢及弹簧钢，脱碳更是一种严重的缺陷。脱碳对钢的锻造和热处理工艺性能的影响†2Cr13不锈钢加热温度过高，保温时间过长时，能促使高温δ铁素体在表面过早的形成，使锻件表面的塑性大大降低，模锻时容易开裂。†奥氏体锰钢脱碳后，表层将得不到均匀的奥氏体组织。这不仅使冷变形时的强化达不到要求，而且影响耐磨性，还可能由于变形不均匀产生裂纹。†钢的表面脱碳以后，由于表层与心部的组织不同和线膨胀系数不同，因此淬火时所发生的不同组织转变及体积变化将引起很大的内应力，同时表层经脱碳后强度下降，甚至在淬火过程中有时使零件表面产生裂纹。脱碳对成品及零件性能的影响†对于需要淬火的钢，脱碳使其表层的含碳量降低，淬火后不能发生马氏体转变，或转变不完全，结果得不到所要求的硬度。†轴承钢表面脱碳后会造成淬火软点，使用时易发生接触疲劳损坏；高速工具钢表面脱碳会使红硬性下降。†由于脱碳使钢的疲劳强度降低，导致零件在使用中过早地发生疲劳损坏。†零件上不加工的部分（黑皮部分）脱碳层全部保留在零件上，这将使性能下降。而零件的加工面上脱碳层的深度如在机械加工余量范围内，可以在加工时切削掉；但如超过加工余量范围，脱碳层将部分保留下来，使性能下降。有时因为锻造工艺不当，脱碳层局部堆积，机械加工时将不能完全去掉而保留在零件上，引起性能不均，严重时造成零件报废。影响钢脱碳的因素1.钢料的化学成分对脱碳的影响：钢料的化学成分对脱碳有很大影响。钢中含碳量愈高脱碳倾向愈大W、Al、Si、Co等元素都使钢脱碳倾向增加；而Cr、Mn等元素能阻止钢脱碳。2.加热温度的影响随着加热温度的提高，脱碳层的深度不断增加。一般低于1000℃时，钢表面的氧化皮阻碍碳的扩散，脱碳比氧化慢，但随着温度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的扩散速度也加快，此时氧化皮失去保护能力，达到某一温度后脱碳反而比氧化快。影响钢脱碳的因素3.保温时间和加热次数的影响加热时间越长，加热火次愈多，脱碳层愈深，但脱碳层并不与时间成正比增加。例如高速钢的脱碳层在1000℃加热0.5h，深度达0.4mm；加热4h达1.0mm；加热12h后达1.2mm。4.炉内气氛对脱碳的影响在加热过程中，由于燃料成分，燃烧条件及温度不同，使燃烧产物中含有不同的气体，因而构成不同的炉内气氛，有氧化性的也有还原性的。他们对钢的作用是不同的。氧化性气氛引起钢的氧化与脱碳，其中脱碳能力昀强的介质是H2O（汽），其次是CO2与O2，昀后是H2；而有些气氛则使钢增碳，如CO和CH4。炉内空气过剩系数α大小对脱碳也有重要的影响：当α过小时、燃烧产物中出现H2，在潮湿的氢气内的脱碳速度随着含水量的增加而增大。因此，在煤气无氧化加热炉中加热，当炉气中含H2O较多时，也要引起脱碳；当α过大时，由于形成的氧化皮多，阻碍着碳的扩散，故可减小脱碳层的深度。在中性介质中加热时，可使脱碳昀少。防止脱碳的方法1）工件加热时，尽可能地降低加热温度及在高温下的停留时间；合理地选择加热速度以缩短加热的总时间；2）造成及控制适当的加热气氛，使呈现中性或采用保护性气体加热，为此可采用特殊发计的加热炉（在脱氧良好的盐浴炉中加热，要比普通箱式炉中加热的脱碳倾向为小）；3）热压力加工过程中，如果因为一些偶然因素使生产中断，应降低炉温以待生产恢复，如停顿时间很长，则应将坯料从炉内取出或随炉降温；4）进行冷变形时尽可能地减少中间退火的次数及降低中间退火的温度，或者用软化回火代替高温退火。进行中间退火或软化回火时，加热应在保护介质中进行；5）高温加热时，钢的表面利用覆盖物及涂料保护以防止氧化和脱碳；6）正确的操作及增大工件的加工余量，以使脱碳层在加工时能完全去掉。二、GB224-2008《钢的脱碳层深度测定法》测定脱碳层深度的主要方法标准†ISO3887-2003Steels－Determinationofdepthofdecarburization《钢——非合金和低合金——脱碳层深度的测定》†ASTME1077-01（2005年确认）StandardTestMethodsforEstimatingtheDepthofDecarburizationofSteelSpecimens《钢试样脱碳层深度测定的试验方法》†GB/T224-2008《钢的脱碳层深度测定法》GB/T224《钢的脱碳层深度测定法》的修订†《钢的脱碳层深度测定法》我国原版本为1987版，等效采用国际标准ISO3887-1976《钢——非合金和低合金——脱碳层深度的测定》，而目前该国际标准已升级为2003年版，根据国际先进标准的进展情况，由中国钢铁工业协会提出，冶金标准信息研究院归口，钢铁研究总院和冶金工业信息标准研究院共同负责修改该标准。†2006年9月开始对GB/T224-1987《钢的脱碳层深度测定法》进行修订，项目编号为20063493-T-605，2008年3月召开审定会。GB/T224《钢的脱碳层深度测定法》的修订†标准修改采用ISO3887-2003《钢——非合金和低合金——脱碳层深度的测定》，但根据我国国情，删改了其中部分内容。†在此基础上，作为试验方法，力求突出其实用性，便于实际执行操作，因此补充了ASTME1077中的取样具体方法，还补充了部分常见钢种的脱碳的金相组织图片，而且在图中明确标出了脱碳区域。前言†本标准修改采用ISO3887：2003《钢——脱碳层深度的测定》,并根据ASTME1077-01《钢样脱碳层深度测定的标准方法》，添加了取样要求和金相法评定参考照片。为了便于使用，本标准还对ISO3887:2003作了下列修改：a）“本国际标准”一词改为“本标准”；b）用小数点“.”代替作为小数点的逗号“，”；c）引用标准中的国际标准采用相应的国家标准代替；d）参考ASTME1077的内容，修改了“完全脱碳”的定义；e）增加了不同规格样品的取样示意图；f）硬度法中增加了洛氏硬度法。g）增加了脱碳金相组织的照片作为参考附录；为了便于比较，这些技术性差异用垂直单线标识在它们所涉及的条款的页边空白处。前言本标准代替GB/T224—1987《钢的脱碳层深度测定法》。本标准与GB/T224—1987的主要区别如下：a)增加了“前言”和“规范性引用文件”；b)对术语及定义作了修改，并增加了“完全脱碳”、“总脱碳层深度”、“有效脱碳层深度”的术语及定义和“典型脱碳示意图”；c)增加了不同规格样品的取样示意图；d)4.2.2推荐使用自动或半自动制样。e)4.2.3.1增加高倍数确定过渡层的方法。f)增加了脱碳金相组织的照片作为参考附录；g)取消了5c）中测量结果的百分数表示法。1、范围本标准规定了钢的脱碳层术语和定义、测定方法和试验报告等。本标准规定的方法适用于测定钢材（坯）及其零件的脱碳层深度。2、规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的昀新版本。凡是不注日期的引用文件，其昀新版本适用于本标准。†GB/T4340.1金属维氏硬度试验第1部分：试验方法（GB/T4340.1-1999，eqvISO6507-1:1997）†GB/T230.1金属洛氏硬度试验第1部分：试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)（GB/T230.1-2004，ISO6508-1:1999,MOD）†GB/T1172黑色金属硬度及强度换算值†GB/T20126非合金钢低含碳量的测定第2部分：感应炉（经预加热）内燃烧后的红外线吸收方法（GB/T20126—2006，ISO15349-2：1999，IDT）3、术语和定义下列术语和定义适用于本标准。3.1脱碳decarburization钢表层上碳的损失。这种碳的损失包括：a)部分脱碳partialdecarburization；b)完全脱碳completedecarburization,即钢样表层碳含量水平低于碳在铁素体中昀大溶解度。注：b)中所描述的完全脱碳层只有铁素体组织存在。“completedecarburization—lossofcarboncontentatthesurfaceofasteelspecimentoalevelbelowthesolubilitylimitofcarboninferritesothatonlyferriteispresent.”——ASTME1077“measuredasthedistancebetweenthesurfaceoftheproductandthepointatwhichcarbonisdetectable.——ISO3887：20033、术语和定义3.2有效脱碳层深度depthoffunctionaldecarburization从产品表面到达到规定的碳含量或硬度水平的点的距离，规定的碳含量或硬度水平以不因脱碳而影响使用为准（例如：产品标准中规定的碳含量昀小值）。“distancebetweenthesurfaceoftheproductandthepointatwhichthecarboncontentorhardnessisatthelevelwheretheperformanceoftheproductwouldbeunaffectedbyareductionincarbon(i.e,attheminimumlevelspecifiedintheproductstandard)——ISO3887：20033、术语和定义3.3总脱碳层深度depthoftotaldecarburization从产品表面到碳含量等于基体碳含量的那一点的距离，等于部分脱碳和完全脱碳之和。用字母DD表示，单位为mm，例如：DD＝0.08mm。“distancebetweenthesurfaceoftheproductandthepointatwhichthecarboncontentisthatofthesumofthepartialandthecompletedecarburizationd1+d3,beingdesignatedbythelettersDDandexpressedinmillimetres,eg.DD=0.08mm”——ISO3887：20033、术语和定义3.4铁素体脱碳层深度depthofferritedecarburization表面完全脱碳层的深度。注：铁素体的脱碳层深度由显微组织检验确定。“depthofcompletedecarburizationinthesurfacelayer”——ISO3887：2003†如果制品经过渗碳处理，“基体”的定义由有关各方商定。允许的脱碳层深度将被列入产品技术标准中，或者由有关各方商定。不同的脱碳带如图1所示。典型脱碳示意图d1、d2、d3、d4分别完全脱碳层深度、有效脱碳层深度、