材料热处理的加热_氧化和脱碳


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  空气中有20%的氧,氧是一种很活泼的气体,在高温下能和铁发生一系列的氧化反应,诸如  
  2Fe+O2=2FeO (2.4-1)  
  4Fe +3O2=2Fe2O3 (2.4-2)  
  3Fe+O2=2Fe3O4 (2.4-3)  
  这些过程不可逆,因而不能控制。所以在中性、惰性气氛和可控气氛中从原理上都不允许氧的存在。按照氧化铁结合自由能关系,在高温下要使钢完全不氧化,必须使气体介质的氧含量降低到百万分之一以下。  
  图2.4-23所示为铁-氧系的平衡状态图。铁氧化层内的氧浓度分布和氧化过程示于图2.4-24。  
 
图2.4-23
 
  在570℃以上紧贴金属表面的一层是FeO,而在570℃以下为Fe3O4。图2.4-25所示为纯铁在氧和空气中随温度变化的氧化增重。纯铁在氧中的氧化增重与时间平方根的线性关系示于图2.4-26。图2.4-27所示为纯铁在1200℃于空气中加热时,各氧化层的成长曲线。纯铁和各种含碳量钢在空气中加热时的氧化减重随温度的变化示于图2.4-28。钢中的合金元素对于钢在高温下的抗氧化能力有不同的影响。Ti、V、圉2.4-28纯铗殛各种含量的钢在空气中加热时的藏重W、Mo、Co、Ni、Cu等金属可改善钢的力学性能,但对抗氧化能力影响不大(见图2.4-29和图2.4-30)。钢中的碳对抗氧化能力的影响也不显著。Cr、Al、Si能显著提高钢的抗氧化能力,因此是耐热不起皮钢的主要添加元素。图2.4-31所示分别为C、Cr、Al、si对钢在不同温度下于空气中氧化量的影响。  
 
图2.4-24
 
 
图2.4-25
图2.4-26
 
 
图2.4-27
图2.4-28
 
 
图2.4-29
图2.4-30
 
 
图2.4-31
 
  作为电热材料的Fe - Cr -Al合金具有很高的抗高温氧化能力。图2.4-32所示为含不同Cr、Al成分的Fe - Cr -A1合金的抗氧化能力。  
  纯镍的抗氧化能力不强,添加适当合金元素可显著提高合金在高温下的抗氧化性能。在这些元素中铬具有最强烈的影响,因此镍铬合金便成为最常用的高温抗氧化材料。图2.4-33所示为各种铬含量的镍铬合金在不同温度下的氧化增量。  
 
图2.4-32
 
 
钢铁在空气中加热,发生氧化的同时也会形成脱碳,即奥氏体中的溶解碳和碳化物中的结合碳的烧损,其反应式为:
c(γ- Fe)+O2-CO2 (2 4-4)
Fe3C+O2-3Fe+ CO2 (2.4-5)
这些反应是不可逆的,因此也是不能控制的。因此在惰性气体或可控气氛中要防止脱碳,原理上不允许有氧的存在。图2.4-34所示为w(C)0.85%钢在空气中加热1h的氧化脱碳层厚度随温度的变化。
图2.4-33
图2.4-34
 
     
   
     
 
 
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