Page 36 - 理化检验-物理分册2021年第十期
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龚志翔, 等: 加热过程中 H 2O ( g ) 含量对55SiCr 弹簧钢表面氧化层及脱碳行为的影响
周旬等 [ 27 ] 提出的铁氧化物是非整比化合物, 离 去表面疏松的 Fe 2O 3 组织, 所露出的氧化产物呈现
子晶体中存在着阳离子空位。空位浓度的变化决定 出了两种特征结构, A 为不规则块状结构堆砌而成,
了阳离子扩散速率的变化, 空位浓度越高, 阳离子扩 B为较粗的不规则条状结构堆砌而成。无论是表层
散速率越大。相比干氧条件, 饱和水汽条件下 FeO 还是下层氧化物, 其形貌结构均较为疏松, 并含有较
层的厚度占比较大。其中, FeO 为典型的非整比化 多的孔洞。图7b ) 为干空气条件下的氧化层形貌,
合物, FeO 中存在大量阳离子空位, 这些阳离子空 与水汽条件下的氧化层形貌相比, 干空气条件下试
位形成了离子传输的快速扩散通道, 减少了氧化与 样表面氧化铁皮的致密度较大, 阻挡氧化性气体进
脱碳介质入侵基体的阻力, 加剧了材料的脱碳程度。 入基体的作用更强。
另外, 在水汽混合气氛下, 试样表面氧化层呈现为 综合试验现象, 可以认为在该试验中 H 2O ()
g
“ 在灰色疏松基体上散落分布白色片条状氧化物” 的 影响氧化层结构是其影响金属表面脱碳的主要途
状态, 如图7a ) 所示, 可见疏松基体物相为氧化层最 径。在实际生产中, 降低炉气中 H 2O () 含量可以
g
, 呈现为任意堆积的纤细条棒状。剥
外部的 Fe 2O 3 很好地减轻表面脱碳, 也能减少氧化烧损。
图7 不同气氛下氧化层的微观形貌
Fi g 7 Micromor p holo gy ofoxidela y erindifferentatmos p heres
-3
a 12 17 g m H 2 O g mixedatmos p here b dr y air
2.5 氧化层与脱碳行为的关系 产中, 以 55SiCr弹簧钢为例, 随加热气氛中 H 2O
作为材料表面脱碳模型的外边界条件, 环境气 () 含量的增加弹簧钢表面铁素体脱碳层厚度明显
g
氛主要通过两个途径影响脱碳过程: ①气氛参与边 增大, 与该次试验得到的结果一致。
界的脱碳反应, 强氧化性气氛降低, 气 / 固界面平衡
碳浓度, 即气氛碳势, 有利于脱碳进行; ②材料表面 3 结论
致密的氧化层可以作为保护机制防止材料表面脱 ( 1 )氧化层厚度随加热温度、 水汽含量增加而
碳, 而气氛成分的变化会影响氧化层的性质, 进而影 增加。在500~875℃范围内, 质量变化较小; 温度
响脱碳过程。张凯等 [ 28 ] 提出 H 2O () 的存在会改 超过875℃ , 氧化引起的质量变化快速增加, 且水汽
g
变氧化层的组成与结构, 在大气环境下 FeO 层厚度 含量越多, 氧化引起的质量增加越明显。
占总厚度40%左右, 在湿空气环境下FeO 层厚度占 ( 2 )气氛组成并不影响脱碳层厚度与温度、 时
比约为90% 。并且通过试验对不同气氛下固相产 间等之间的主要规律, 但 H 2O () 的存在对弹簧钢
g
物中深度氧化相( FeC ) 占比作了统计, 发现空气气 脱碳行为有重要作用。与大气环境相比, H 2O ()
g
氛下 FeO 的占比远大于在混合气氛条件下的。利 存在时试样表面铁素体脱碳出现的最低温度有所降
用 Factsa g e软件对试验中设定的不同气氛的氧化 低; 650℃左右已有铁素体脱碳层出现, 呈现边部不
性强弱进行计算, 同样得到空气的氧化性强度远大 连续、 厚度不均匀、 晶粒较小等特点; H 2O () 的存
g
于含有 H 2O () 的混合气氛的。而空气条件下中碳 在显著加剧了试样表面的脱碳程度。
g
弹簧钢表面铁素体脱碳层厚度却小于混合气氛下的 ( 3 )实际生产中控制加热炉内炉气湿度对于
( 见图2 )。可见此时气氛碳势并非影响脱碳的主要 降低钢坯表面脱碳有重要作用。降低炉气中 H 2O
因素, 受 H 2O () 影响的氧化层结构变化为弹簧钢 () 含量可以很好地减轻表面脱碳, 也能减少氧化
g
g
试样表面脱碳程度加剧的主导因素。在实际工业生 烧损。
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