宝 钢 技 术2008年第3期分析与研究
温宏权1，向顺华1，张永杰1，韩茂栋2，陶曙明2
(1.宝钢研究院，上海 201900;2.宝钢分公司，上海 200941)
摘要：表面脱碳是高速线材生产的重要问题之一。在考虑碳扩散和氧化因素后，理论计算了加热温度对60Si2M n弹簧钢表面脱碳影响的规律，表明在900~1000 加热温度下60Si2M n弹簧钢脱碳层厚度存在最小值，此结果与60Si2M n弹簧钢氧化脱碳试验结果一致。结合钢的相变进一步分析了不同加热温度下表面脱碳层形貌变化的规律，并简要介绍了脱碳控制的主要途径。 关键词：高速线材；弹簧钢；表面脱碳；碳扩散；氧化
中图分类号:TG142.41 文献标识码:B 文章编号:1008-0716(2008)03-0044-04
Effect of H eating Te mperature on Surface D ecarburization of Spring Steel60Si2M n
W e n H ongquan1,X iang Shunhua1,Zhang Yongjie1,H anM aodong2,Tao Shum i n g2
(1.BaosteelR esearch Instit ute,Shanghai201900,China;
2.Baostee lBranch,Shanghai200941,Chi n a)
Abstrac t:Surface decarburiza ti on is one o f i m po rtant issues i n high-speed w ire rod producti on.T he e ffect o f heati ng temperature on the surface deca rbur izati on of60S i2M n spri ng steel is ca l culated theo reticall y in consi derati on o f fac t o rs li ke carbon diff usi on and ox i da ti on.T he research show s t ha t f o r60S i2M n spri ng stee l there is a m i n i m um va l ue i n decarburization dept h appea ri ng at900~1000 ,wh ich is consistent w ith the result of the ox i dation and de-carbur i zati on experi m ents.In co m bi nation w ith the steel s phase trans ition,the var i a tion la w of the decarbur ized lay-
e r s mo rpho l ogy w as ana l y zed,and w ays o
f decarburiza tion contro l a re i ntroduced br i efly.
K ey word s:h i gh-speed w ire rod;spr i ng stee;l s u rface decarbur izati on;ca rbon diff usion;ox ida tion
0 前言
脱碳是钢铁材料热加工过程常存在的问题之一[1-4]。对弹簧钢来说，由于弹簧的受力特点和工作特点，表面脱碳将严重损害弹簧的疲劳性能，特别是若弹簧钢表面出现铁素体的全脱碳，弹簧疲劳极限可降低50%。因此，弹簧钢线材生产中要避免出现全脱碳(或铁素体脱碳)，半脱碳层(或部分脱碳层)厚度则要求控制在线材盘条直径的1%以内。脱碳控制对于钢帘线、冷镦钢等线棒材生产也十分重要。
加热过程是影响钢表面脱碳的主要因素。笔者通过金属氧化扩散理论，计算分析60S i2M n弹簧钢加热温度对表面脱碳层厚度及形貌的影响规律，并得到氧化脱碳试验的验证，以期为高速线材生产操作提供参考。
温宏权 高工 1969年生 1998年毕业于上海大学
软毡现从事钢铁冶金专业 电话 26648743
E-m ail hqw en@baostee.l co m 1 脱碳层厚度的计算
脱碳是指钢表层的碳原子在高温条件下发生扩散而迁移至表面与加热炉内的氧发生化学反应，导致钢表层一定范围内碳原子散失的现象。因此，脱碳过程包括碳原子从金属内部向表面的扩散以及在金属表面与炉气中的氧发生氧化两个过程。
1.1 扩散过程
碳在铁中的扩散过程可由菲克(F ick)第二定律来描述:
C
t=D
2C
x21
(1)
式中,C为碳的质量百分比,%;t为时间,s; x1为扩散长度,m;D为扩散系数,m2/s,D=D0 exp(-Q1/R T);D0为碳在 -Fe中的扩散系数, m2/s;T为绝对温度,K;R为气体常数8.314 J/(K m o l);Q1为扩散激活能,J。
钢的脱碳可看作内部浓度恒定的半无限大体中的扩散，则(1)式解为:
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温宏权等 60S i 2M n 弹簧钢加热温度对表面脱碳的影响
C =C s -(C s -C 0)erf (X
2D t )(2)
式中,C 0为钢中碳的原始含量;C s 为钢表面与炉气平衡时碳的含量,C s =0.0132%;t 为保温时间。从碳分布角度，假设钢表面碳的含量低于C 0的85%的薄层均视为脱碳层，即C =0.85C 0，可求出不同温度或不同时间时扩散产生的脱碳层厚度值。弹簧钢取C 0=0.60%,D 0=2.0 10-5m 2
/s ,Q 1=1.4 105J/m o l ,t =3600s 。由(2)式计算
得到的脱碳层厚度随加热温度的变化如图1所
示，大致呈抛物线形不断增大。
图1 计算的扩散脱碳厚度
F i g .1 Calculated decarbu rizati on depth w ith d iffusi on
1.2 氧化过程
钢的高温氧化动力学可用阿累尼乌斯(A r -rheni u s)公式表达:
( W )n
=K (3)式中, W 是单位面积氧化增加的质量;K 为氧化反应速度常数; 为时间;n 为反应级数。K 与温度成指数关系，即K =K 0 e -Q 2/RT
，其中K 0为
频率因子,R 为气体常数,Q 2为氧化反应激活能。
式(3)两边同时取对数整理得:
l n ( W )=
1n l n +1
n (ln K 0-Q 2RT
)(4)
为求解式(4)，进行了弹簧钢热重(Ther mo -Grav i m etric ，简称TG)的分析试验。根据TG 测量结果，做出60S i 2M n 样品在空气气氛条件下的l n ( W )-ln 图，对实测曲线进行线性回归，可得高温段空气气氛的近似平均值n air =0.98。确定n 值后，再根据TG 数据作出l n ( W )-T -1
关系图，线性回归后，根据直线截距计算得到不同 值
所对应的K 0值，根据直线斜率计算得到不同 值
所对应的Q 2值。最后，由n,K 0,Q 2值计算出不同温度、不同时间下对应的K 值。同一温度下不
同时间的K 值接近，可取平均值。这样，根据平均K 值数据，由式(3)可计算出样品在空气气氛中不同加热温度单位面积增加质量 W 随保温时
间 的变化规律。脱碳层因氧化失重而造成的减薄厚度由下式计算:
x 2=
W
(5)式中, 为氧化层的密度,kg /m 3
。由(5)式计算得到的因氧化烧损而减薄的厚度变化如图2所示。可见，氧化烧损厚度随温度的升高大体上呈线性增加。
图2 计算的氧化烧损减薄厚度
F ig .2 Ca lcu l ated depth w it h ox i dati on and heati ng loss
1.3 最小脱碳条件
脱碳与氧化是脱碳层形成的一对矛盾过程。通常认为，钢材在空气中加热起始氧化温度为
500 ，起始脱碳温度为800~850 。因此，在较高加热温度下，考虑氧化损失后最终脱碳层厚度可简单表示为:
x =x 1-x 2(6)通过前面对扩散脱碳和氧化的分析计算可知，抛物线形变化的x 1和线性变化x 2相减必然存在一个最终脱碳层厚度最小所对应的加热温度条件。但需要说明，这仅是一种理论计算结果，难以考虑实际加热过程中加热气氛、氧化皮剥落等因素的影响。
60Si2M n 钢热重试验结果说明，实际上60Si2M n 钢低温下(900 以下)氧化缓慢，在900~1000 氧化速度急增，此后有一定波动，这可能和60Si2M n 钢的相变、氧化皮周期性的增厚与剥落等因素有关。
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宝 钢 技 术
2008年第3期
图3为某温度T 时用式(6)计算脱碳层厚度
的示意图。可见，实际氧化曲线x 2呈S 形，在900~1000 因氧化加速存在相对较小的脱碳层，温度过高或过低脱碳层反而加厚，此结果与60Si2M n
钢的脱碳试验结果一致。
图3 脱碳层厚度计算示意图
F i g .3 Sche m atic diag ram o f t he decarburiza ti on dep t h ca l culation
在其他一些钢种的氧化脱碳研究[5-7]
中，也
发现了类似的由于在某温度下存在氧化加速 高
峰 而相应产生脱碳 低谷 的现象。2 脱碳层形貌
脱碳层形貌对钢材性能同样有重要影响，弹簧钢盘条生产中不允许有铁素体的全脱碳层出
现。典型的全脱碳层、半脱碳层的金相组织形貌分别如图4所示。
脱碳层的形貌与脱碳层内碳的分布特点有关。采用微区硬度法测量了脱碳层内的硬度分布，并以此代表碳在脱碳层内的分布特点。图5为脱碳层硬度分布。可见，在脱碳层内最外边存在一层硬度非常低的区域，对应于致密连续铁素体全脱碳金相组织特征；向内硬度回升，则对应于部分脱碳或半脱碳的组织特征。
由Fe-C 相图可知，在727~912 为( + )两相区。当加热温度处于此两相区时，有铁素体析出，试样表面因碳向外扩散损失而产生的低
含碳量的铁素体就可以沿着这些已析出铁素体表面生长，从而构成厚大而致密的铁素体全脱碳
层，且全脱碳层与内部本体分界清晰(见图4(a)
);
图4 脱碳层典型形貌
F i g .4 T yp i ca lm orpho l og ies o f the decarburized layer
当加热温度升高至奥氏体单相区域时，脱碳仅在奥氏体相基体的表层进行，无析出铁素体，最外面
一层含碳量很低的奥氏体(按Fe-C 相图，其成分<0.0218%C )会在随后冷却过程转变成铁素体层，故全脱碳层厚度显著减薄，并趋于分解呈现 颗粒 化。内部含碳量较高的奥氏体冷却时发生亚共析转变，形成 铁素体+珠光体 组织，且其中铁素体将沿着珠光体相界析出而成为网络状，从而呈现 全脱碳+半脱碳 形貌；如果加热
温度继续升高，试样表面脱碳层厚度进一步加深，网状铁素体的半脱碳加大，与中心基体组织的边界也变得越来越模糊。半脱碳形貌如图4(b)所示。
可见，对于60S i 2M n 弹簧钢，当加热温度较高，特别在位于奥氏体形成温度Ac 3附近时，不仅氧化过程变化剧烈，而且脱碳层的形貌也会发生质的改变。因此，综合考虑各种实际因素，保持合理加热炉温度，提高加热炉温度控制的准确性、稳定性和均匀性，缩短加热时间采取快速加热以减
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温宏权等 60S i 2M n
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弹簧钢加热温度对表面脱碳的影响图5 脱碳层的硬度分布
钢帘线F i g .5 H ardness distributi on i n the decarburized l ayer
少扩散时间，保持合理的炉内气氛以控制表面氧化过程，是控制弹簧钢表面脱碳、提高线材盘条产品表面质量及使用性能的主要途径。3 结论
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(1)加热过程中,60Si2M n 弹簧钢脱碳在900~1000 之间存在极小值，温度过高或过低脱碳
层反而会增大，其原因和该温度段表面氧化烧损加速有关。
(2)当加热温度处于( + )两相区时，表面脱碳层具有清晰致密的全脱碳特征；加热温度升
高，脱碳层大部分呈现网络状的半脱碳(部分脱碳)特征。
(3)保持合理加热炉温度，提高炉温控制的
准确性、稳定性和均匀性，缩短加热时间，保持合理的炉内气氛，是减少线材表面脱碳的重要途径。本文试验在宝钢 东大材料电磁过程实验室完成，承蒙何长树教授、佟伟平教授、赵骧教授、刘占奇硕士的大力支持和帮助，谨此致以衷心感谢!
参
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(收稿日期:2007-07-24)(改稿日期:2007-09-20)
(上接第36页)铁的还原需要8h 。 对于结合剂，促进剂A 显著提高了粉尘的还原速度，使氧化铁在3h 以内就能完全还原。而黄糊精结合剂对粉尘中氧化铁的还原没有促进作用。 不管是1h 还是更长时间，粉尘中的氧化锌、氧化钠和氧化钾都被还原而汽化，可以从粉尘中彻底除去。由图3可知，保温时间越长，还原出来的铁球就越大。3 结论
经过试验研究，得出下列结论:
(1)对于炼钢的四种尘泥，都是微粉级的，电炉灰更细，含有相当量的亚微米颗粒。这些很细
的尘泥，活性较高，有利于反应。
(2)在1200 保温3h 的情况下，几乎所有粉尘铁的还原率达到了73%以上，还原后粉尘的锌和钾、钠几乎为零。加碳没有显著提高还原率。
(3)铁还原反应的传质途径主要是通过气相实现的。而通过固体氧化铁和碳扩散的直接反应进行得较少。
(4)对于含促进剂A 的尘泥,1200 ,1h 就可以把锌、碱金属和铅全部还原蒸发出来。铁的还原率达到90%以上。
(收稿日期:2008-03-12)(改稿日期:2008-03-25)
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