钢铁加热时的脱碳

钢的强度和耐磨性取决于组织中的碳化物。钢表层碳含量的减少会降低表面硬度和强度以及耐磨性，影响机器零件寿命，在许多情况下还会降低钢材的疲劳抗力。

钢铁加热时，在铁氧化的同时，碳也会氧化。钢的脱碳建立在表面晶格溶入碳的氧化。依赖于周围气氛的碳势，钢的脱碳也可能和形成氧化皮无关。在热处理过程中，铁和碳的氧化一般都是同时发生。碳氧化形成CO和CO2的气体产物，由于存在氧化皮、只有气体产物自氧化皮逸出，才有可能形成脱碳，也就是说，当CO、CO2的平衡压力足够大到冲破氧化皮或氧化皮具有多孔性时才可能发生脱碳。

钢表面碳的消耗要靠内部碳的扩散来补偿，因此，钢的脱碳过程由3个步骤组成:加热介质中的氧输送到钢材表面，碳在气体和钢界面上交换和碳在钢材内部的扩散。

碳在钢内部的扩散是控制脱碳速率的最重要因素。经过一个短暂的起始段，脱碳层深度的变化便遵从一个对时间的抛物线规律。低碳钢加热到910 ℃以下表面呈铁素体状态，由于碳的溶解度极低，造成对碳扩散的较大位垒。加热到910 ℃以上，全部转变为奥氏体，会发生强烈脱碳。

当同时存在氧化脱碳时，初始形成的氧化相能防止脱碳。当温度升高、CO-CO2平衡压力增大、氧化皮附着力变弱或变为多孔状时，脱碳现象才会明显发生。

钢中的合金元素通过以下方式影响脱碳过程:铁素体-奥氏体转变温度的变化、碳在固溶体中的活动性、碳的扩散系数、所形成氧化皮的性质。随着碳扩散系数的增大，脱碳程度增加；随碳活泼性的增大，脱碳程度增加；随铁素体-奥氏体转变温度的提高，脱碳程度增加。

在钢的氧化过程中，由于合金元素在氧化层-金属界面上具有趋向金属或趋向氧化层的不同表现，便使脱碳过程复杂化。在含有碳化物形成元素时，碳化物自固溶体的脱溶速度也会对脱碳程度有影响。当合金元素作用比铁小时，内氧化的可能性增大。在铁被正常保护的条件下也会形成外氧化层。在形成外氧化层情况下，如果合金元素使氧化速率增大，在没有其他因素影响下，脱碳层深度会减少。