详解脱碳层的组织结构

     产品脱碳这个现象，相信大家在实际工作中都曾有遇到过。那么，对于脱碳过程的原理，您是否了解得很透彻呢？

     本期文章整理了“脱碳”这部分的理论知识，不管熟不熟悉，大家就当再温习一遍吧~

      钢材在脱碳气氛中加热时，根据其脱碳程度可以分为全脱碳层与半脱碳层两类。

     当钢材表面碳被基本烧损，表层呈现全部铁素体晶粒时，称为全脱碳层。图1为共析碳钢全脱碳层的金相组织。

图1 共析钢全脱碳层770℃，125X

 半脱碳是指钢材表面上的碳并未完全烧损，但已使表层含碳量低于钢材的平均含碳量，如图2所示。

图2 共析钢半脱碳层950℃，125X

     脱碳层的测定方法见“GB/T 224—2019钢的脱碳层深度测定法”中相关规定。

图3 GB/T 224-2019 钢的脱碳层深度测定法

     对于结构钢、工具钢来说，表面脱碳是一种有害缺陷，它不仅使零件机械性能（硬度、强度、耐磨性、疲劳强度等）下降，在使用中发生早期失效，而且由于脱碳层中存在着很大的残余拉应力，往往是加工过程中造成废品的主要因素，如表面淬火裂纹，磨削裂纹。仅对于某些硅钢片、铬镍奥氏体不锈钢等才利用脱碳来改善材料的某些性能。

图4 沿工件外圆的弧形裂纹

     脱碳层的成分、深度及组织形态，与钢材的成分、加热时间、加热温度与介质条件等有关。

图5 不同含碳量钢在不同温度下脱碳层浓度分布

     图5指出不同含碳量的碳钢，分别加热到850℃、950℃保持不同时间表层奥氏体脱碳后碳浓度的变化。

     在加热时脱碳，使奥氏体内碳浓度（由内向外）连续的降低，如含碳0.64%钢在850℃加热，奥氏体碳浓度在0.64-b点之间连续变化。根据相律，当温度恒定时，不可能在该温度下使碳浓度连续地进入小于b点的α+γ=相区，只能以单相区形式存在，即在表层至内层分为为铁素体→脱碳的奥氏体→原始含碳量的奥氏体。

图6 脱碳层的结构

1-氧化皮；2-可见脱碳层；3-过渡脱碳层

4-过渡层；2+4-全脱碳层

 在强烈氧化性气氛中加热时，表面脱碳与表面氧化将同时发生，此时脱碳的结构参阅图6。

     在钢件表面自内向外为：基体材料→半脱碳层（过渡层）→可见脱碳层→氧化皮。实际上，在过渡层外的可见脱碳层（2）并不是真实的脱碳层，其中（4）脱碳层又被进一步氧化而成为氧化皮的一个组成部分，因此，实际的完全脱碳层应当是（2）层与（4）层之和。由于碳从表面定向地发生下坡扩散，全脱碳层的铁素体发生定向再结晶形成柱状晶粒，如图7所示。 

图7 共析钢全脱碳层770℃，125X

     含碳0.6%钢可见脱碳层的深度与温度见图8。当温度超过A1点时，脱碳层深度急剧升高。当温度大于850℃时，由于钢的氧化速度急剧升高，并超过脱碳速度，从而使脱碳层的深度减小。 

图8  含碳0.6%钢在空气中加热，温度与可见脱碳层的关系（停留5小时）

     在真空及中性保护气氛或介质中进行加热都可以预防表面脱碳。对于原材料及铸锻件则要求脱碳深度在允许的加工余量范围以内。

图9 真空炉

     钢制零件的半成品（精锻件）及成品发生脱碳后，可以在含碳气氛中加热，表面复碳碳势设置则取决于表面需要达到的碳势值。

     脱碳作为降低工件表面碳含量的一种方式，对工件的性能一般都是有害的。在生产上遇到这种现象时，我们都应想尽办法去解决它。