脫碳

脫碳是指鋼的含碳量減少的現象稱為脫碳。鋼的加熱溫度過高或在高溫下停留時間過長時易發生脫碳。有時還伴有嚴重的表面氧化。出現全脫碳層時組織中已無珠光體存在。僅有部分脫碳層時還保留一部分珠光體。碳鋼及低合金鋼在臨氫高溫狀態下氫使鋼中的Fe3C還原生成甲烷，也使參光體脫碳，亦稱氫腐蝕。脫碳後的鋼材強度下降並軟化。

基本介紹

• 中文名：脫碳
• 外文名：decarbonization
• 方法：物理吸收法 化學吸收法
• 釋義：鋼加熱時表面碳含量降低的現象

過程

脫碳

decarbonization一種淨化氣體的過程，指脫除混合氣體中的二氧化碳，主要見於合成氨生產原料氣或煤氣的處理。脫除原料氣中二氧化碳的方法，分為3類。

(1)物理吸收法最早採用加壓水脫除二氧化碳，經過減壓將水再生。此法設備簡單，但脫除二氧化碳淨化度差，出口二氧化碳一般在2%(體積)以下，動力消耗也高。近20年來開發有甲醇洗滌法、碳酸丙烯酯法、聚乙二醇二甲醚法等，與加壓水脫碳法相比，它們具有淨化度高、能耗低、回收二氧化碳純度高等優點，而且還可選擇性地脫除硫化氫，是工業上廣泛採用的脫碳方法。

(2)化學吸收法具有吸收效果好、再生容易，同時還能脫硫化氫等優點。主要方法有乙醇胺法和催化熱鉀鹼法。後者脫碳反應式為：

K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3

為提高二氧化碳的吸收和再生速度，可在碳酸鉀溶液中添加某些無機或有機物作活化劑，並加入緩蝕劑以降低溶液對設備的腐蝕。其中工業上廣泛套用的方法(表5—9)有多種。

表5—9以碳酸鉀為吸收劑的主要脫碳方法

方法名稱	活化劑	緩蝕劑
改良砷鹼法(溶液有毒); 氨基乙酸法; 改良熱鹼法; 催化熱鹼法	三氧化二砷; 氨基乙酸; 二乙醇胺; 二乙醇胺—硼酸	三氧化二砷; 五氧化二釩; 五氧化二釩; 五氧化二釩

此外，還有氨水吸收法。在碳酸化法合成氨流程中，採用氨水脫除變換氣中的二氧化碳，同時又將氨水加工成碳酸氫銨。

(3)物理—化學吸收法以乙醇胺和二氧化四氫噻吩(又稱環丁碸)的混合溶液作吸收劑，稱環丁碸法。因乙醇胺是化學吸收劑，二氧化四氫噻吩是物理吸收劑，故此法為物理與化學效果相結合的脫碳方法。

其化學方程式如下；

2Fe3C+O2=6Fe+2CO

Fe3C+2H2=3Fe+CH4

Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2

Fe3C+CO2=3Fe+2CO

這些反應是可逆的，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。

脫碳是擴散作用的結果，脫碳時一方面是氧向鋼內擴散；另一方面鋼中的碳向外擴散。從最後的結果看，脫碳層只在脫碳速度超過氧化速度時才能形成。當氧化速度很大時，可以不發生明顯的脫碳現象，即脫碳層產生後鐵即被氧化而成氧化鐵皮。因此，在氧化作用相對較弱的氣氛中，可以形成較深的脫碳層。

變壓器矽鋼片要求含碳量儘量低，除在冶煉上應加以控制外，在鍛軋加熱時還應利用脫碳現象，使碳含量進一步下降，從而獲得容易磁化的性能。但對大多數鋼來說，脫碳會使其性能變壞，故均視為缺陷。特別是高碳工具鋼、軸承鋼、高速鋼及彈簧鋼，脫碳更是一種嚴重的缺陷。

脫碳層的組織特徵：脫碳層由於碳被氧化，反映在化學成分上其含碳量較正常組織低；反映在金相組織上其滲碳體（Fe3C）的數量較正常組織少；反映在力學性能上其強度或硬度較正常組織低。

鋼的脫碳層包括全脫碳層和部分脫碳層（過渡層）兩部分。部分脫碳層是指在全脫碳層之後到鋼含碳量正常的組織處。在脫碳不嚴重的情況下，有時僅看到部分脫碳層而沒有全脫碳層。

關於脫碳層深度可根據脫碳成分、組織及性能的變化，採用多種方法測定。例如逐層取樣化學分析鋼的含碳量，觀察鋼的表面到心部的金相組織變化，測定鋼的表層到心部的顯微硬度變化等等。實際生產中以金相法測定鋼的脫碳層最為普遍。

影響分析

1.對鍛造和熱處理等工藝性能的影響

1）2Cr13不鏽鋼加熱溫度過高，保溫時間過長時，能促使高溫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）奧氏體錳鋼脫碳後，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不到要求，而且影響耐磨性，還可能由於變形不均勻產生裂紋。

3）鋼的表面脫碳以後，由於表層與心部的組織不同和線膨脹係數不同，因此淬火時所發生的不同組織轉變及體積變化將引起很大的內應力，同時表層經脫碳後強度下降，甚至在淬火過程中有時使零件表面產生裂紋。

2.對零件性能的影響

對於需要淬火的鋼，脫碳使其表層的含碳量降低，淬火後不能發生馬氏體轉變，或轉變不完全，結果得不到所要求的硬度。

軸承鋼表面脫碳後會造成淬火軟點，使用時易發生接觸疲勞損壞；高速工具鋼表面脫碳會使紅硬性下降。

由於脫碳使鋼的疲勞強度降低，導致零件在使用中過早地發生疲勞損壞。

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餘量範圍內，可以在加工時切削掉；但如超過加工餘量範圍，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，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，嚴重時造成零件報廢。

影響因素

影響鋼脫碳的因素有鋼料的化學成分，加熱溫度，保溫時間和煤氣成分等。

鋼料的化學成分對脫碳的影響

鋼料的化學成分對脫碳有很大影響。鋼中含碳量愈高脫碳傾向愈大W、Al、Si、Co等元素都使鋼脫碳傾向增加；而 Cr、Mn等元素能阻止鋼脫碳。

加熱溫度的影響

隨著加熱溫度的提高，脫碳層的深度不斷增加。一般低於1000℃時，鋼表面的氧化皮阻礙碳的擴散，脫碳比氧化慢，但隨著溫度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的擴散速度也加快，此時氧化皮失去保護能力，達到某一溫度後脫碳反而比氧化快。

保溫時間和加熱次數的影響

加熱時間越長，加熱火次愈多，脫碳層愈深，但脫碳層並不與時間成正比增加。例如高速鋼的脫碳層在1000℃加熱0.5h，深度達0.4mm；加熱4h達1.0mm；加熱12h後達1.2mm。

爐內氣氛對脫碳的影響

在加熱過程中，由於燃料成分，燃燒條件及溫度不同，使燃燒產物中含有不同的氣體，因而構成不同的爐內氣氛，有氧化性的也有還原性的。他們對鋼的作用是不同的。氧化性氣氛引起鋼的氧化與脫碳，其中脫碳能力最強的介質是H2O（汽），其次是CO2與O2，最後是H2；而有些氣氛則使鋼增碳，如 CO和 CH4。爐內空氣過剩係數α大小對脫碳也有重要的影響：當α過小時、燃燒產物中出現H2，在潮濕的氫氣內的脫碳速度隨著含水量的增加而增大。因此，在煤氣無氧化加熱爐中加熱，當爐氣中含H2O較多時，也要引起脫碳；當α過大時，由於形成的氧化皮多，阻礙著碳的擴散，故可減小脫碳層的深度。在中性介質中加熱時，可使脫碳最少。

對策

防止脫碳的對策主要有以下幾方面：

1）工件加熱時，儘可能地降低加熱溫度及在高溫下的停留時間；合理地選擇加熱速度以縮短加熱的總時間；

2）造成及控制適當的加熱氣氛，使呈現中性或採用保護性氣體加熱，為此可採用特殊發計的加熱爐（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中斷，應降低爐溫以待生產恢復，如停頓時間很長，則應將坯料從爐內取出或隨爐降溫；

4）進行冷變形時儘可能地減少中間退火的次數及降低中間退火的溫度，或者用軟化回火代替高溫退火。進行中間退火或軟化回火時，加熱應在保護介質中進行；

5）高溫加熱時，鋼的表面利用覆蓋物及塗料保護以防止氧化和脫碳；

6）正確的操作及增大工件的加工餘量，以使脫碳層在加工時能完全去掉。