鋼在可控氣氛中氧化、脫碳和增碳的機理

時間：2014-03-09 21:27:58 來源：作者：

鋼鐵零件在空氣中加熱時，由于空氣含有大量氧氣會使這些零件產生氧化和脫碳現象。為了防止這些現象的發生，在加熱時可向工作爐內通一些能使鋼鐵零件不氧化、不脫碳的氣體--即可控氣氛。這些氣體的主要萬分是一氧化碳（CO）、氫（H2）、氮（N2）、及微量的二氧化碳（CO2）、水蒸氣（H2O）和甲烷（CH4）等氣體。這些氣體和鋼鐵及其碳化物的化學反應是很復雜的（見下表），總的可以歸納加入以下幾種氣體：

各種氣體與鋼鐵及其碳化物的化學反應

氣體成份	無氧化條件（%）	化學反應	性質	不脫碳的條件(%)
O2	0	2Fe+O2->2FeO Fe3C+O2->3Fe+CO2	強烈氧化強脫碳	0
N2	100	---	中性	100
CO2	<5	Fe+CO2->FeO+CO Fe3C+CO2->3Fe+H2+CO2	強氧化強脫碳	0
H2O	<3	Fe+H2O->FeO+H2 Fe3C+H2O->3Fe+H2+CO2	氧化性強脫碳	<0.25
CO	8--20	Fe+2CO->Fe(C)+CO2 FeO+CO->Fe(C)+CO2	強滲碳還原性
H2	2--100	FeO+H2->Fe+H2O	強還原
CH4	1	Fe+CH4->Fe(C)+2H2	強滲碳

    1.具有氧化、脫碳作用的氣體--除氧之外，二氧化碳和水蒸氣的作用和氧一樣，在高溫下同樣能使鋼鐵零件產生氧化和脫碳。因此，在可控氣氛熱處理爐中應嚴格控制這兩種氣體的含量。
    2.具有還原作用的氣體---氫和一氧化碳是屬于這類氣體。它們不僅能在高溫加熱保護鋼鐵零件不氧化、不脫碳，不有能使氧化鐵還原成鐵的作用，其中一氧化碳又是一種增碳性的氣體。
    3.中性氣體---氮氣在高溫加熱時和鋼鐵不發生任何作用，即不氧化。不脫碳、也無還原和增碳作用，故為中性氣體。
4.具有強烈碳作用的氣體---甲烷是一種滲碳性氣體，它在高溫下能分解出大量碳原子滲入鋼鐵零件的表面使其增碳。
     實際上通入熱處理爐內的氣氛是多種氣體混合物，其中有氧化性氣體、中性氣體、還原性氣體和滲碳性氣體等。在高溫下加熱時其化學反應很復雜。只能用CO2/CO和H2O/H2的相對含量來判斷它們與鋼鐵零件的作用。
    綜上所述得出的結論是：在750--950℃的熱處理溫度范圍內，要使鋼鐵零件在加熱時不氧化，必須使可控氣氛CO2/CO的比例值相應小于0.7-0.4;H2O/H2的比值小于0.4--0.7，如要求鋼鐵不脫碳時，對上述經值要求還要小得多。
要控制可控氣氛中的CO和H2的比例，只要采取適當的空氣和原料氣如（如丙烷、丁烷）的混合比就可以了。當增加原料氣的含量時，可減少反應中H2O和CO2的含量，增加了CO和H2的量，因而使CO2/CO和H2O/H2的比例減少，混合比降低可增加反應氣的還原性。從而能保證工件不氧化。當CO和H2的含量足夠大時，就有利于還原和增碳反應。
    鋼鐵零件在可控氣氛中加熱時，除要考慮可控氣氛的成份及加熱溫度外，還應該考慮被處理鋼材的含碳量。對一定含碳量的鋼材在一定溫度下加熱時，有著與它們相平衡的CO2和H2O的含碳量。如當溫度升高或鋼材含碳量增加時，要降低可控氣氛中CO2的含量才能達到平衡。

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