1.氧化和脱碳
淬火加热时,钢制零件与周围加热介质相互作用,往往会产生氧化和脱碳等缺陷。氧化使工件尺寸减小,表面光洁程度降低,并严重影响淬火冷却速度,进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺陷。工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐磨性,并显著降低其疲劳强度。因此,淬火加热时,在获得均匀化奥氏体的同时,必须注意防止氧化和脱碳现象。
氧化是钢件在加热时与炉气中的O2、H2O及CO2等氧化性气体发生的化学作用。其主要化学反应式为:
2Fe+O2→→2FeO
Fe+CO2→CO+FeO
Fe+H2O→H2+FeO
在570℃以下的温度加热,钢中的铁元素与O2、H2O及CO2等气体发生氧化反应,主要形成氧化物Fe3O2。由于这种处于工件表层的氧化物结构致密,与基体结合牢固,氧原子难以继续渗人,故氧化速度很慢。因此,钢在570℃以下加热,氧化不是主要问题。但当加热温度高于570℃时,表面氧化膜主要由FeO组成。由于FO结构松散,与基体结合不牢,容易脱落。因此氧原子很容易透过已形成的表面氧化膜继续向里与铁元素发生氧化。所以,一旦氧化膜中出现FO,便使钢的氧化速度大大加快。由于氧化速度主要取决于氧原子或铁原子通过表面氧化膜的扩散速度,加热温度越高,原子扩散速度越快,钢的氧化速度越大,因此,钢在加热时,在保证组织转变的条件下,加热温度应尽可能低,保温时间应尽可能短。采用脱氧良好的盐浴加热或控制气氛加热等方法,可以防止钢的氧化
钢件在加热过程中不仅表面发生氧化,形成氧化铁层,而且钢中的碳也与气氛中的O2、H2O、CO2及H2等发生化学反应,形成含碳气体逸出钢外,使钢件表面含碳量降低,这种现象称为脱碳。脱碳过程中的主要化学反应如下：
2(C)+O2→2CO↑
(C)+CO2→2CO↑
(C)+H2O→CO↑+H2
(C)+2H2→CH4↑
式中,(C)为溶于奥氏体中的碳。
由上述反应式可知,炉气介质中的O2、H2O、CO2和H2都是脱碳性气氛。工件表面脱碳以后,其表面与内部产生碳浓度差,内部的碳原子则向表面扩散,新扩散到表面的碳原子又被继续氧化,从而使脱碳层逐渐加深。脱碳过程进行的速度取决于表面化学反应速度和碳原子的扩散速度。加热温度越高,加热时间越长,脱碳层越深。
氧化使工件表面金属烧损,影响工件尺寸,降低表面质量。脱碳使工件表面碳贫化,从而导致工件淬火硬度和耐磨性降低。严重的氧化脱碳会造成工件报废。
对需要控制氧化和脱碳的工件,可采用下列措施:
(1)控制加热温度和加热时间。在保证工件淬火硬度和组织的前提下,尽量采用较低的加热温度,采用最短的加热时间。加热前先经预热,可有效地缩短高温加热时间,减少工件的氧化和脱碳;
(2)采用盐炉加热;
(3)采用保护气氛或可控气氛加热。
此外,加热时将工件装入有保护剂的铁箱中或涂以保护涂料,也有一定的防氧化脱碳效果
2.过热和过烧
加热温度过高,或在高温下加热时间过长,引起奥氏体晶粒粗化,淬火后得到粗针状马氏体的现象,称为过热。过热组织增加钢的脆性,容易造成淬火开裂,强度和韧性下降,易出现脆性断裂。淬火过热可以返修,返修前需进行一次细化组织的正火或退火,再按正确规范重新加热淬火。
钢件淬火加热温度太高,达到其液相线附近时,使奥氏体晶界出现局部熔化或者发生氧化的现象叫做过烧。过烧是严重的加热缺陷;过烧组织晶粒极为粗大,晶界有氧化物网络,钢的性能急剧降低。工件一旦过烧就无法补救,只能报废。过烧的原因主要是设备失灵或操作不当。高速钢淬火温度高容易过烧,火焰炉加热局部温度过高也容易造成过烧。所以,必须加强设备的维修管理定期校准，才能防止过烧事故。