锻件加热过程氧化与脱碳的现象

1.氧化

氧化是锻件毛坯（金属原料）在加热过程中与炉气中的氧化性气体发生化学反应，在锻件金属表面形成氧化皮的现象。例如钢加热到高温时，表层的Fe与02、C02、H2o可发生反应形成FeO、Fe3O4. Fe2O3。高温氧化实际是一种扩散过程，伴随着Fe原子以离子状态由内部向表面扩散，炉气中氧以原子状态吸附在坯料表面并向内部扩散，结果形成三层不同氧化铁组成的氧化皮，最外层氧化皮为Fe2O3，占氧化皮厚度10%，次外层为Fe3O4，占氧化皮厚度为50%,最里层为FeO，占氧化皮厚度40%。

氧化主要受锻件金属材料的种类、炉气性能、加热温度、加热时间的影响。

加热不同的金属材料，氧化程度不同，如钢坯料，在同样条件下，不同牌号的钢氧化烧损也不同，低碳钢烧损量大而高碳钢量烧损请小，这是由于在高碳钢中反应生成了较多CO而降低了氧化铁的生成量。当钢中含有Cr、Ni、Al、Si、Mo等合金元素时，在钢料表面会形成致密且不易脱落的氧化薄膜，可以阻止加热过程金属的继续氧化。

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燃料炉的炉气性质可分为氧化性炉气、还原性炉气和中性炉气。炉气性质决定于燃料燃烧时的空气供给在强氧化性炉气中，炉气可能完全由氧化性气体，如02、C02、H20、SO2等组成，这将使金属产生较厚的氧化皮。在还原性炉气中，含有足够量的还原性气体，如CO、H2等，它可以使金属不氧化或很少氧化。普通电阻炉在空气介质中加热，属于氧化性炉气。

加热温度是影响金属氧化速度最主要的因素。温度越高，金属和气体原子扩散速度越大，则氧化越剧烈，生成的氧化皮越厚。实际观察表明，在200〜500℃时，钢料表面仅能生成很薄的一层氧化膜，当温度升至600〜700℃时，便开始有显著氧化，并生成氧化皮，超过850〜900℃，钢的氧化速度急剧升高，氧化会急剧增加，坯料的氧化层较厚。

坯料在氧化性气氛中的加热时间越长，氧的扩散坩越大，形成的氧化皮越厚。特别是加热到高温阶段，加热时间的影响更加显著。

金属的氧化烧损危害性很大，一般情况下，钢料每加热一次便有0.5%〜4.0%的金属被氧化烧损掉，如表所示。同时氧化皮还加剧模具的磨损，降低锻件的表面质适。残留氧化皮的锻件，在机械加工时会加快刀具刃口的磨损。因此，减少或消除加热时金属的氧化烧损对锻造生产来说非常重要。

在锻造加热过程减少氧化的措施有：在保证锻件质量的前提下，尽量采用快速加热，缩短加热时间，尤其是缩短高温下停留的时间；在燃料完全燃烧的条件下，尽可能减少空气过剩量，以免炉内剩余氧气过多，注意减少燃料中的水分；炉内应保持不大的正压力，防止冷空气的吸入；采用少无氧化加热方法。

2.脱碳

钢料在加热时，其表层的碳和炉气中的某些氧化性气体发生化学反应，造成了钢料表面 、含碳量降低的现象称为脱碳。脱碳也是扩散作用的结果，一方面炉气中的氧向钢内扩散，另一方面炉气中的碳向外表面扩散，这样使钢在表面形成了含碳量低的脱碳层。从整个过程来看，脱碳层只在脱碳速度超过氧化速度时才能形成。

影响脱碳的因素与氧化一样，主要受钢的化学成分、炉气成分、加热温度、加热时间等因素影响。

钢的含碳量越高，脱碳的倾向越大。某些合金元素增加脱碳倾向，如c、w、Si、A1等。有些合金元素则能阻止脱碳，如Cr、Mn等。而Ni和V对脱碳影响不大。炉气成分中脱碳能力最强的介质是水蒸气，其次是co2和02，最后是H2,而增加CO量可减少脱碳倾向。在中性介质或弱氧化性介质中加热可减少脱碳倾向。加热温度越高、加热时间越长，脱碳越严重。加热温度大于1000℃时，由于强烈氧化，脱碳作用较弱。在更高温度下，由于氧化皮脱落失去保护作用，脱碳将剧烈发生。

脱碳使锻件表面碳坩降低，降低强度和耐磨性能，脱碳层厚度小于加工余量时，对锻件性能不产生影响，反之就会影响锻件质虽。一般防止氧化的措施，同样可以防止脱碳。