论文部分内容阅读
[摘 要]我国的高强度钢板研发和生产能力在质量、种类、规格、产量、技术等方面都与国外存在一定的差距。高强度硼钢板22MnB5是目前应用最广泛的热冲压成形钢板。本文以钢板为研究对象，研究了加热温度和加热时间对钢板氧化失重率和脱碳层厚度的影响，钢板中的氧化铁皮主要为Fe3O4，加热温度越高，加热时间越长，氧化失重率和脱碳层厚度越大。
[关键词]高强度；汽车；氧化；脱碳
中图分类号：TG161 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0022-01
高强度硼钢板22MnB5经过热冲压成形技术处理后抗拉强度高达1600Mpa，屈服强度高达900Mpa，硬度高达45HRC，伸长率超过6%等特性而受到广泛关注，并且应用越来越广泛。表面氧化脱碳是钢板在热处理过程中不可避免的现象。数据表明，钢板表面氧化膜增多，脱碳层厚度增加，钢板表面的强度、硬度和疲劳性能等机械性能受到很大影响。所以，如何在生产试验中防止钢板氧化脱碳的发生成为大家研究的焦点。高强度硼钢板22MnB5在热处理过程中也会发生氧化脱碳现象，本文结合高强度硼钢板22MnB5，通过观察在热处理过程中的钢板氧化膜和脱碳层的变化，在实验室的条件下研究了加热温度、加热时间、炉内气氛、钢的化学成分等因素对高强度硼钢板22MnB5氧化和脱碳的影响。
1 钢的脱碳特性研究
脱碳的本质是碳原子的扩散。钢在加热时表面的碳原子受热振动变得剧烈，逸出功上升，使得碳原子脱离金属晶格的束缚能力变强，这时碳原子与空气中的氧原子结合能力比碳原子与铁原子的结合能力强，因此碳原子的扩散现象就会发生。
1.1 钢的脱碳
钢件在高温条件下，碳原子受热振动剧烈，产生热扩散，转移到钢件表面和炉子中的氧化性气体O2、CO2、H2O以及还原性气体氢气发生化学反应，造成钢件表面的含碳量减少，这就是所谓的脱碳，也就是说钢件表面一定范围内的碳原子由于气体的影响不再以碳原子形式出现，而是变成了别的形式，造成钢件表面的碳原子减少的现象。钢件在加热时，加热炉内的气氛对钢件的氧化脱碳影响是很大的，不同的炉内气氛会使钢件在加热时表面产生不同的化学反应。从氧化还原角度来说，炉内的气体可以分为两种气体：氧化性气体和还原性气体。在加热炉中，钢件主要与炉内的氧化性气体发生下列脱碳反应：
2Fe3C+O2=6Fe+2CO，Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2，Fe3C+CO2=3Fe+2CO
在加热炉中，钢件主要与炉内的还原性气体发生下列脱碳反应：Fe3C+2H2=3Fe+CH4，2Fe3C+O2=6Fe+2CO在高温下，脱碳的实质是钢件表面的碳原子与炉内的气体如O2、CO2、H2O以及氧化物发生反应，从而使碳原子含量降低。脱碳反应进行的同时也在进行氧化反应，在钢件加热时，如果脱碳速度大于氧化速度，在钢件表面主要形成脱碳層，反过来，则在钢件表面主要形成氧化层。
1.2 钢的脱碳层形成理论
钢件在加热过程中表面除了被氧化之外，还伴随着表面含碳量降低的现象。钢件表面的碳原子和环境介质中的脱碳性气氛，比如H2O、CO2、O2等产生作用烧损，这样在钢件的表层生成了一定深度的很少甚至没有渗碳体的铁素体晶粒，这个过程称为钢的脱碳。
2 影響钢材脱碳的主要因素
影响钢材脱碳的因素有很多，钢的脱碳受到很多方面的因素影响，比如加热温度、加热时间、加热炉的气氛、钢的化学成分、保护措施等等方面，仅仅从某个方面去考虑影响因素是不够的，要从多方面同时考虑。
2.1 加热温度对脱碳的影响
加热温度是影响脱碳层厚度的重要因素之一。通常认为钢件在空气中加热，起始氧化温度为500℃，起始脱碳温度为800～850℃。当加热温度升至500℃时，氧化现象发生。500℃～800℃时，氧化现象加剧发生。800℃～850℃时，脱碳现象发生。当温度超过850℃时，氧化和脱碳同时发生。当温度继续升高时，氧化和脱碳速度都加快，但快慢不同。在较低温度时，温度升高，脱碳层厚度增加，但随着温度的进一步升高，氧化现象加剧。在较低温度时，钢板表面由于氧化现象的发生生成了很多氧化铁皮，氧化铁皮阻碍了碳原子从钢板表面扩散至空气中，氧化速度远远大于脱碳速度。当温度进一步升高，氧化铁皮已经不能阻碍碳原子从钢板表面扩散至空气中，脱碳速度就会超过氧化速度，脱碳现象比氧化现象剧烈。由脱碳层与加热温度之间的关系可以得出：随着加热温度的升高，钢件的脱碳有明显严重的倾向。高强钢22MnB5在热处理过程中，由于加热时与空气接触，氧化脱碳现象都产生，只是有先后顺序和增加速率不同。加热温度升高，单位氧化失重量增加，脱碳层深度也在增加，增加幅度不同而已。从热力学上来说，加热温度决定了扩散速度的大小，温度的改变，影响着扩散速度，进而影响着扩散控制的脱碳过程。因此，加热温度对脱碳的影响不容忽视。碳原子的扩散是影响脱碳程度的主导因素。温度直接决定了碳原子的扩散能力，温度越高，碳原子的热运动速度越快，能量越大，扩散速度越快。在一定时间内更多的碳原子扩散至钢件表面，与空气介质中的气体发生反应，生成气体离开钢件表面，钢件失去的碳原子越多，钢件表面的含碳量越低。
2.2 加热时间对脱碳的影响
加热时间也是影响脱碳层深度的重要因素之一。加热时间对脱碳层深度的影响不次于加热温度。加热时间越长，脱碳层就越厚，但这两者不是成正比关系的。随着加热时间的延长，脱碳层深度的总趋势是逐渐增加的，但是，当加热时间延长至一定程度时，脱碳层达到一定厚度，脱碳速度增加幅度逐渐变小，即加热时间对脱碳层厚度的影响趋势不是线性变化规律，类似于抛物线的变化规律。
2.3 加热气氛对脱碳的影响
加热气氛是影响钢脱碳的重要因素之一。根据钢件在加热过程可以得到如下脱碳机理：加热炉中氧原子含量越多，钢件表面的碳原子越容易流失，钢件表面的含碳量越低，进而钢件表面的碳原子含量与钢件内部碳原子含量的浓度差越大，在浓度梯度的驱使下钢件内部的碳原子向钢件表面扩散，而且浓度差越大扩散速度也越快，这样钢件表面越来越大范围内的碳原子含量比钢件内部低，脱碳现象越严重。实践证明最小的脱碳层是在氧化性气氛下得到的，但在氧化性气氛下加热的烧损大。
2.4 钢的化学成分对脱碳的影响
钢的化学成分决定着脱碳的敏感性，尤其是含碳量的多少，是最重要的决定因素之一。所以，钢的化学成分对脱碳的影响，首先表现在钢件的含碳量越大，脱碳的倾向性越大，脱碳的速度也越快；反之越低，碳含量的分布会比较平缓，相对来说不易脱碳。
3 结论
通过以上分析可知，高强钢在汽车上的大量应用是一个发展趋势，而高强钢在热冲压过程中的氧化脱碳现象造成了一定的经济损失和资源浪费，本选题的研究意义在于研究高强钢在热处理过程中造成钢的氧化脱碳主要因素，提出有效的工艺方案。该研究成果能够改善高强钢的热冲压过程中表面氧化脱碳现象，更好地改善高强钢的性能，为高强钢的热处理过程工艺参数的优化设计提供理论依据。
参考文献
[1] 张大勇，刘万顶，翟志良，等.浅谈高强度钢板在专用车的应用[C]//河南省汽车工程技术研讨会.2012.
[关键词]高强度；汽车；氧化；脱碳
中图分类号：TG161 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0022-01
高强度硼钢板22MnB5经过热冲压成形技术处理后抗拉强度高达1600Mpa，屈服强度高达900Mpa，硬度高达45HRC，伸长率超过6%等特性而受到广泛关注，并且应用越来越广泛。表面氧化脱碳是钢板在热处理过程中不可避免的现象。数据表明，钢板表面氧化膜增多，脱碳层厚度增加，钢板表面的强度、硬度和疲劳性能等机械性能受到很大影响。所以，如何在生产试验中防止钢板氧化脱碳的发生成为大家研究的焦点。高强度硼钢板22MnB5在热处理过程中也会发生氧化脱碳现象，本文结合高强度硼钢板22MnB5，通过观察在热处理过程中的钢板氧化膜和脱碳层的变化，在实验室的条件下研究了加热温度、加热时间、炉内气氛、钢的化学成分等因素对高强度硼钢板22MnB5氧化和脱碳的影响。
1 钢的脱碳特性研究
脱碳的本质是碳原子的扩散。钢在加热时表面的碳原子受热振动变得剧烈，逸出功上升，使得碳原子脱离金属晶格的束缚能力变强，这时碳原子与空气中的氧原子结合能力比碳原子与铁原子的结合能力强，因此碳原子的扩散现象就会发生。
1.1 钢的脱碳
钢件在高温条件下，碳原子受热振动剧烈，产生热扩散，转移到钢件表面和炉子中的氧化性气体O2、CO2、H2O以及还原性气体氢气发生化学反应，造成钢件表面的含碳量减少，这就是所谓的脱碳，也就是说钢件表面一定范围内的碳原子由于气体的影响不再以碳原子形式出现，而是变成了别的形式，造成钢件表面的碳原子减少的现象。钢件在加热时，加热炉内的气氛对钢件的氧化脱碳影响是很大的，不同的炉内气氛会使钢件在加热时表面产生不同的化学反应。从氧化还原角度来说，炉内的气体可以分为两种气体：氧化性气体和还原性气体。在加热炉中，钢件主要与炉内的氧化性气体发生下列脱碳反应：
2Fe3C+O2=6Fe+2CO，Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2，Fe3C+CO2=3Fe+2CO
在加热炉中，钢件主要与炉内的还原性气体发生下列脱碳反应：Fe3C+2H2=3Fe+CH4，2Fe3C+O2=6Fe+2CO在高温下，脱碳的实质是钢件表面的碳原子与炉内的气体如O2、CO2、H2O以及氧化物发生反应，从而使碳原子含量降低。脱碳反应进行的同时也在进行氧化反应，在钢件加热时，如果脱碳速度大于氧化速度，在钢件表面主要形成脱碳層，反过来，则在钢件表面主要形成氧化层。
1.2 钢的脱碳层形成理论
钢件在加热过程中表面除了被氧化之外，还伴随着表面含碳量降低的现象。钢件表面的碳原子和环境介质中的脱碳性气氛，比如H2O、CO2、O2等产生作用烧损，这样在钢件的表层生成了一定深度的很少甚至没有渗碳体的铁素体晶粒，这个过程称为钢的脱碳。
2 影響钢材脱碳的主要因素
影响钢材脱碳的因素有很多，钢的脱碳受到很多方面的因素影响，比如加热温度、加热时间、加热炉的气氛、钢的化学成分、保护措施等等方面，仅仅从某个方面去考虑影响因素是不够的，要从多方面同时考虑。
2.1 加热温度对脱碳的影响
加热温度是影响脱碳层厚度的重要因素之一。通常认为钢件在空气中加热，起始氧化温度为500℃，起始脱碳温度为800～850℃。当加热温度升至500℃时，氧化现象发生。500℃～800℃时，氧化现象加剧发生。800℃～850℃时，脱碳现象发生。当温度超过850℃时，氧化和脱碳同时发生。当温度继续升高时，氧化和脱碳速度都加快，但快慢不同。在较低温度时，温度升高，脱碳层厚度增加，但随着温度的进一步升高，氧化现象加剧。在较低温度时，钢板表面由于氧化现象的发生生成了很多氧化铁皮，氧化铁皮阻碍了碳原子从钢板表面扩散至空气中，氧化速度远远大于脱碳速度。当温度进一步升高，氧化铁皮已经不能阻碍碳原子从钢板表面扩散至空气中，脱碳速度就会超过氧化速度，脱碳现象比氧化现象剧烈。由脱碳层与加热温度之间的关系可以得出：随着加热温度的升高，钢件的脱碳有明显严重的倾向。高强钢22MnB5在热处理过程中，由于加热时与空气接触，氧化脱碳现象都产生，只是有先后顺序和增加速率不同。加热温度升高，单位氧化失重量增加，脱碳层深度也在增加，增加幅度不同而已。从热力学上来说，加热温度决定了扩散速度的大小，温度的改变，影响着扩散速度，进而影响着扩散控制的脱碳过程。因此，加热温度对脱碳的影响不容忽视。碳原子的扩散是影响脱碳程度的主导因素。温度直接决定了碳原子的扩散能力，温度越高，碳原子的热运动速度越快，能量越大，扩散速度越快。在一定时间内更多的碳原子扩散至钢件表面，与空气介质中的气体发生反应，生成气体离开钢件表面，钢件失去的碳原子越多，钢件表面的含碳量越低。
2.2 加热时间对脱碳的影响
加热时间也是影响脱碳层深度的重要因素之一。加热时间对脱碳层深度的影响不次于加热温度。加热时间越长，脱碳层就越厚，但这两者不是成正比关系的。随着加热时间的延长，脱碳层深度的总趋势是逐渐增加的，但是，当加热时间延长至一定程度时，脱碳层达到一定厚度，脱碳速度增加幅度逐渐变小，即加热时间对脱碳层厚度的影响趋势不是线性变化规律，类似于抛物线的变化规律。
2.3 加热气氛对脱碳的影响
加热气氛是影响钢脱碳的重要因素之一。根据钢件在加热过程可以得到如下脱碳机理：加热炉中氧原子含量越多，钢件表面的碳原子越容易流失，钢件表面的含碳量越低，进而钢件表面的碳原子含量与钢件内部碳原子含量的浓度差越大，在浓度梯度的驱使下钢件内部的碳原子向钢件表面扩散，而且浓度差越大扩散速度也越快，这样钢件表面越来越大范围内的碳原子含量比钢件内部低，脱碳现象越严重。实践证明最小的脱碳层是在氧化性气氛下得到的，但在氧化性气氛下加热的烧损大。
2.4 钢的化学成分对脱碳的影响
钢的化学成分决定着脱碳的敏感性，尤其是含碳量的多少，是最重要的决定因素之一。所以，钢的化学成分对脱碳的影响，首先表现在钢件的含碳量越大，脱碳的倾向性越大，脱碳的速度也越快；反之越低，碳含量的分布会比较平缓，相对来说不易脱碳。
3 结论
通过以上分析可知，高强钢在汽车上的大量应用是一个发展趋势，而高强钢在热冲压过程中的氧化脱碳现象造成了一定的经济损失和资源浪费，本选题的研究意义在于研究高强钢在热处理过程中造成钢的氧化脱碳主要因素，提出有效的工艺方案。该研究成果能够改善高强钢的热冲压过程中表面氧化脱碳现象，更好地改善高强钢的性能，为高强钢的热处理过程工艺参数的优化设计提供理论依据。
参考文献
[1] 张大勇，刘万顶，翟志良，等.浅谈高强度钢板在专用车的应用[C]//河南省汽车工程技术研讨会.2012.