[转帖]钢在可控气氛中氧化脱碳和增碳的机理

kalser

钢铁零件在空气中加热时，由于空气含有大量氧气会使这些零件产生氧化和脱碳现象。为了防止这些现象的发生，在加热时可向工作炉内通一些能使钢铁零件不氧化、不脱碳的气体--即 可 控气氛。这些气体的主要万分是一氧化碳（CO）、氢（H2）、氮（N2）、及微量的二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O）和甲烷（CH4）等气体。这些气体和钢铁及其碳化物的化学反应是很复杂的（见下表），总的可以归纳加入以下几种气体：各种气体与钢铁及其碳化物的化学反应
气体成份 无氧化条件（%） 化学反应               性质           不脱碳的条件(%)
O2         0      2Fe+O2->2FeOFe3C+O2->3Fe+CO2  强烈氧化强脱碳      0
N2 100 --- 中性 100
CO2 <5 Fe+CO2->FeO+CO
Fe3C+CO2->3Fe+H2+CO2 强氧化
强脱碳  0
H2O <3 Fe+H2O->FeO+H2
Fe3C+H2O->3Fe+H2+CO2  氧化性
强脱碳  <0.25
CO 8--20 Fe+2CO->Fe(C)+CO2
FeO+CO->Fe(C)+CO2 强渗碳
还原性   
H2 2--100 FeO+H2->Fe+H2O 强还原  
CH4 1 Fe+CH4->Fe(C)+2H2 强渗碳  
1.具有氧化、脱碳作用的气体--除氧之外，二氧化碳和水蒸气的作用和氧一样，在高温下同样能使钢铁零件产生 氧化和脱碳。因此，在可控气氛热处理炉中应严格控制这两种气体的含量。
2.具有还原作用的气体---氢和一氧化碳是属于这类气体。它们不仅能在高温加热保护钢铁零件不氧化、不脱碳，不有能使氧化铁还原成铁的作用，其中一氧化碳又是一种增碳性的气体。
3.中性气体---氮气在高温加热时和钢铁不发生任何作用，即不氧化。不脱碳、也无还原和增碳作用，故为中性气体。
4.具有强烈碳作用的气体---甲烷是一种渗碳性气体，它在高温下能分解出大量碳原子渗入钢铁零件的表面使其增碳。
*** 实际上通入热处理炉内的气氛是多种气体混合物，其中有氧化性气体、中性气体、还原性气体和渗碳性气体等。在高温下加热时其化学反应很复杂。只能用CO2/CO和H2O/H2的相对含量来判断它们与钢铁零件的作用。
***综上所述得出的结论是：在750--950℃的热处理温度范围内，要使钢铁零件在加热时不氧化，必须使可控气氛CO2/CO的比例值相应小于0.7-0.4;H2O/H2的比值小于0.4--0.7，如要求钢铁不脱碳时，对上述经值要求还要小得多。
要控制可控气氛中的CO和H2的比例，只要采取适当的空气和原料气如（如丙烷、丁烷）的混合比就可以了。当增加原料气的含量时，可减少反应中H2O和CO2的含量，增加了CO和H2的量，因而使CO2/CO和H2O/H2的比例减少，混合比降低可增加反应气的还原性。从而能保证工件不氧化。当CO和H2的含量足够大时，就有利于还原和增碳反应。
** 钢铁零件在可控气氛中加热时，除要考虑可控气氛的成份及加热温度外，还应该考虑被处理钢材的含碳量。对一定含碳量的钢材在一定温度下加热时，有着与它们相平衡的CO2和H2O的含碳量。如当温度升高或钢材含碳量增加时，要降低可控气氛中CO2的含量才能达到平衡。