GCr15在木炭非接觸性保護下退火的氧化脫碳研究

任鳳章，柴芳芳，沈洪濤，張旦聞，王宇飛

(1. 河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471003；2. 洛陽市鋼誠物資有限公司，河南 洛陽 471002；3. 洛陽理工學院 機電工程系，河南 洛陽 471023)

目前，國內GCr15較少在可控氣氛下退火，大多采用普通的推桿式連續爐、井式爐、臺車爐和鐘罩爐在大氣環境下或裝罐密封保護下退火，GCr15表面難免出現氧化脫碳現象。氧化層和脫碳層(氧化層在外，脫碳層在內)在退火或淬火后均需除去。氧化層中外層氧化皮(占氧化層總厚的90%以上)輕微敲擊就可脫落，而殘留下來的內層氧化皮較薄，不易脫落。脫碳層經淬火前酸洗或淬火后磨削才能除去。在裝罐密封保護退火時，一般向罐中裝入少量木炭(木炭量較少且不接觸退火工件，故稱木炭非接觸性保護)，其設想的目的是既減少氧化又減少脫碳。但是，加入木炭的效果如何，主要減少了氧化還是脫碳，與未加入木炭的情況對比如何，目前還未見詳細報道。下文模擬GCr15盤條在裝罐木炭非接觸性保護下的退火工藝，研究盤條的氧化脫碳情況，并與裝罐無木炭保護及大氣環境下退火的氧化脫碳情況進行對比，同時，從熱力學方面對試驗結果進行分析。

1 試驗過程

試驗材料為Φ10 mm的GCr15熱軋盤條，在盤條上截取長15 mm的試樣12個(每個試樣重約11 g)，除去熱軋時形成的表面氧化脫碳層。密封罐采用馬弗罐，其為耐熱鋼罐，罐口邊沿加工有溝槽，溝槽內塞入石棉盤根作為密封材料。罐內空間尺寸約為Φ60 mm×60 mm。

重復3組試驗，每組試驗4個試樣，其中3個在裝罐密封保護下退火，1個在大氣環境下退火。第1個罐裝入1個試樣和3 g木炭，木炭與試樣不接觸(木炭非接觸性保護)；第2個罐僅裝入1個試樣，不裝木炭(裝罐無木炭保護)；第3個罐裝入1個試樣和較多的木炭粉末，木炭粉末將試樣完全掩埋(木炭接觸性保護)。裝完試樣后，用螺栓將罐蓋與罐體壓緊并用鐵絲捆扎。罐、木炭和石棉盤根使用前均經過烘干。3個罐和1個未裝罐的試樣(大氣環境下)一起裝入1臺電阻爐中球化退火。

球化退火工藝為：到溫入爐，790 ℃保溫8 h，隨爐冷至650 ℃時出爐空冷。爐冷速度約為0.8 ℃/min。

微觀組織觀察和脫碳層深度測量在PMG3型光學金相顯微鏡上進行。這里測量的脫碳層深為全脫層深(白亮層)。

2 試驗結果與分析

2.1 所需木炭量確定

非接觸性保護的目的是讓木炭與罐內空氣中的O2發生反應生成CO氣體，完全消耗掉罐內的O2，從而使退火件不發生氧化和脫碳。按此可確定生產中裝入木炭量，如Φ1 400 mm×1 800 mm的罐，GCr15盤條退火時裝載量為2 000 kg。罐的容積為2 769 L，其中盤條占256 L，其余為空氣所占。空氣中O2的體積為528 L，物質的量為23.6 mol。事實上，此種密封在升溫和保溫階段并不能使罐內保持較高的正壓，罐內壓力僅稍高于1個大氣壓，因此，加熱時罐內空氣膨脹溢出，空氣中的O2也隨之溢出。由理想氣體狀態方程計算可知，在790 ℃和1個大氣壓下1 mol的O2體積為79.9 L，同樣溫度下殘留在罐內的O2僅剩6.6 mol。為了使裝入的木炭量有富余，在不考慮O2溢出的情況下，完全消耗掉罐內室溫時原有的O2所需木炭量為0.57 kg(2C+O2=2CO)。實際生產中大約裝入木炭1.5 kg，理論上可將O2完全消耗掉。

試驗用罐的容積為169.6×10-3L，試樣的體積為2.0×10-3L，罐內空氣的體積為167.6×10-3L，其中O2的體積為35.2×10-3L，室溫下的物質的量為1.6×10-3mol。所需木炭量為0.04 g，為了更好地觀察木炭保護的效果，未按生產中退火件與木炭的質量比，裝入木炭較多，為3.0 g。

2.2 氧化和脫碳

3組重復試驗結果基本相同。木炭接觸性保護試樣表面既沒有氧化也沒有脫碳。大氣環境試樣與裝罐無木炭保護試樣相比，氧化層厚了大約15 μm，脫碳層深沒有明顯差別。

下面主要對比裝罐無木炭保護試樣和木炭非接觸性保護試樣的氧化和脫碳情況。圖1a,b分別為木炭非接觸性保護和裝罐無木炭保護的脫碳層。裝罐無木炭保護試樣的表面氧化嚴重，但脫碳很少，從表面開始依次為松散易脫落的氧化皮(平均厚度123 μm)、與基體結合較好的很薄的氧化皮(約幾個微米)和脫碳層(全脫厚度約75μm)，氧化層與脫碳層總厚約198 μm(不計與基體結合較好的那層很薄的氧化皮)。木炭非接觸性保護試樣的表面氧化很少，但脫碳嚴重，表層沒有松散易脫落的氧化皮，僅有與基體結合較好的一層很薄的氧化皮(約幾個微米)，但脫碳層很厚，約225 μm。由對比可知，木炭非接觸性保護試樣的氧化層和脫碳層總厚明顯超過裝罐無木炭保護試樣的氧化層和脫碳層總厚，也超過了大氣環境試樣的氧化層和脫碳層總厚(約213 μm)。木炭非接觸性保護僅對減少氧化非常有效。

圖1 GCr15裝罐有木炭非接觸性保護和無木炭保護的脫碳層

圖2為Fe，C元素對氧親和力與溫度的關系曲線[1]。由圖中知，(3/2)Fe+O2=(1/2)Fe3O4反應的氧勢(RTlnPo2稱為氧勢[2]，其中R為氣體常數，T為絕對溫度，Po2為平衡時的氧分壓)與2Fe+O2=2FeO反應的氧勢在570 ℃時大致相等。溫度低于570 ℃時，鐵的氧化物成分主要是Fe3O4；高于570 ℃時，鐵的氧化物成分主要是FeO。790 ℃時，氧化反應2Fe+O2=2FeO的FeO標準生成自由焓ΔG(ΔG=RTlnPo2)為-386 kJ，對應的平衡氧分壓Po2為1.1×10-19；2C+O2=2CO的CO標準生成自由焓ΔG為-409 kJ，對應的平衡氧分壓Po2為7.8×10-21。790 ℃時，鋼件不發生氧化的條件是環境氧分壓小于1.1×10-19；而鋼件不發生脫碳的條件是環境氧分壓小于7.8×10-21(由于基本參數來源不同，各文獻計算結果略有不同)。

圖2 Fe，C元素對氧親和力與溫度的關系

裝罐無木炭保護下和大氣環境下，工件在升溫、保溫及降溫過程中，環境氧量充足，氧分壓遠高于FeO以及CO的平衡氧分壓，試樣表面氧化和脫碳可同時進行，這樣試樣表面既有氧化層又有脫碳層。不過，此時脫碳層較薄，有兩方面原因：(1)最外層脫碳部分隨后被氧化掉,從而變成了氧化層(脫碳向試樣內部推進速度比氧化推進速度快，否則試樣表面僅有氧化層)；(2)隨著表面氧化皮增厚，阻隔了大量氧與內部碳的接觸。因此，在裝罐無木炭保護下和大氣環境下，氧化層厚度占氧化脫碳層總厚的比例較大，分別為62%和65%。

木炭接觸性保護下，木炭將試樣覆蓋，氧只有通過木炭層才能與試樣接觸。氧在通過木炭層時，與木炭反應被消耗掉，無法與試樣接觸，因而試樣表面沒有氧化脫碳。

木炭非接觸性保護下，大部分氧與木炭反應而被消耗掉，罐內的平均氧分壓很低，但罐內氣氛均勻性較差(無攪拌)，試樣周圍的環境氧分壓要高于木炭周圍的環境氧分壓。試樣雖是到溫入爐，升溫時間較短，但仍有一個升溫過程。在升溫階段，溫度較低，木炭與氧反應較慢，加上罐內氣氛擴散時間短，氣氛均勻性差，試樣的環境氧分壓較高，氧化和脫碳能同時進行。在溫度低于700 ℃時，氧化較脫碳更易進行。790 ℃保溫階段，木炭燃燒，消耗了罐內大量的氧，在木炭周圍的環境氧分壓達到2C+O2=2CO的平衡氧分壓7.8×10-21；但是，由于罐內氣氛仍不均勻，試樣周圍環境氧分壓應高于木炭周圍的環境氧分壓，而低于2Fe+O2=2FeO的平衡氧分壓1.1×10-19(從試驗結果可推斷出)，試樣不再發生氧化，而脫碳繼續進行。因此，在木炭非接觸性保護下，試樣表面雖氧化很輕，但脫碳嚴重。

2.3 應采用的退火工藝及經濟效益分析

對GCr15退火來說，采用木炭接觸性保護從經濟上來說是完全不可行的。用于制作滾動體和套圈的退火件在流入下一個工序前往往要求表面無脫碳或脫碳層很淺，而木炭非接觸性保護試樣的氧化脫碳層厚度超過了裝罐無木炭保護和大氣環境下試樣的氧化脫碳層厚度。若用酸洗去除氧化脫碳層，裝罐無木炭保護試樣表面形成的氧化皮大部分輕微敲擊就可去掉，腐蝕去掉的脫碳層也較薄且用酸量少。因此，與木炭非接觸性保護退火相比，采用裝罐無木炭退火工藝不但節約了木炭，還節約了大量的酸。再者，裝罐無木炭保護試樣的氧化層和脫碳層深度與大氣環境下試樣的氧化層和脫碳層深度均相差不多。因此，在不具備可控氣氛退火的條件下，GCr15應直接在大氣環境下退火，這樣既節約了木炭、耐熱鋼罐和酸，又降低了能耗(不用加熱耐熱鋼罐)，將帶來巨大的經濟效益。

3 結論

(1)在GCr15退火時，木炭非接觸性保護可明顯減少氧化，但不能減少脫碳。木炭非接觸性保護試樣的氧化層和脫碳層總厚明顯超過裝罐無木炭保護和大氣環境試樣的氧化層和脫碳層總厚。

(2)裝罐無木炭保護試樣的氧化層和脫碳層深度與大氣環境試樣的氧化層和脫碳層深度基本相同。

(3)在不具備可控氣氛退火的條件下，GCr15應直接在大氣環境下退火，既節約了木炭、耐熱鋼罐和酸，又降低了能耗，經濟效益巨大。