GCr15在木炭非接触性保护下退火的氧化脱碳研究

任凤章，柴芳芳，沈洪涛，张旦闻，王宇飞

(1. 河南科技大学 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471003；2. 洛阳市钢诚物资有限公司，河南 洛阳 471002；3. 洛阳理工学院 机电工程系，河南 洛阳 471023)

目前，国内GCr15较少在可控气氛下退火，大多采用普通的推杆式连续炉、井式炉、台车炉和钟罩炉在大气环境下或装罐密封保护下退火，GCr15表面难免出现氧化脱碳现象。氧化层和脱碳层(氧化层在外，脱碳层在内)在退火或淬火后均需除去。氧化层中外层氧化皮(占氧化层总厚的90%以上)轻微敲击就可脱落，而残留下来的内层氧化皮较薄，不易脱落。脱碳层经淬火前酸洗或淬火后磨削才能除去。在装罐密封保护退火时，一般向罐中装入少量木炭(木炭量较少且不接触退火工件，故称木炭非接触性保护)，其设想的目的是既减少氧化又减少脱碳。但是，加入木炭的效果如何，主要减少了氧化还是脱碳，与未加入木炭的情况对比如何，目前还未见详细报道。下文模拟GCr15盘条在装罐木炭非接触性保护下的退火工艺，研究盘条的氧化脱碳情况，并与装罐无木炭保护及大气环境下退火的氧化脱碳情况进行对比，同时，从热力学方面对试验结果进行分析。

1 试验过程

试验材料为Φ10 mm的GCr15热轧盘条，在盘条上截取长15 mm的试样12个(每个试样重约11 g)，除去热轧时形成的表面氧化脱碳层。密封罐采用马弗罐，其为耐热钢罐，罐口边沿加工有沟槽，沟槽内塞入石棉盘根作为密封材料。罐内空间尺寸约为Φ60 mm×60 mm。

重复3组试验，每组试验4个试样，其中3个在装罐密封保护下退火，1个在大气环境下退火。第1个罐装入1个试样和3 g木炭，木炭与试样不接触(木炭非接触性保护)；第2个罐仅装入1个试样，不装木炭(装罐无木炭保护)；第3个罐装入1个试样和较多的木炭粉末，木炭粉末将试样完全掩埋(木炭接触性保护)。装完试样后，用螺栓将罐盖与罐体压紧并用铁丝捆扎。罐、木炭和石棉盘根使用前均经过烘干。3个罐和1个未装罐的试样(大气环境下)一起装入1台电阻炉中球化退火。

球化退火工艺为：到温入炉，790 ℃保温8 h，随炉冷至650 ℃时出炉空冷。炉冷速度约为0.8 ℃/min。

微观组织观察和脱碳层深度测量在PMG3型光学金相显微镜上进行。这里测量的脱碳层深为全脱层深(白亮层)。

2 试验结果与分析

2.1 所需木炭量确定

非接触性保护的目的是让木炭与罐内空气中的O2发生反应生成CO气体，完全消耗掉罐内的O2，从而使退火件不发生氧化和脱碳。按此可确定生产中装入木炭量，如Φ1 400 mm×1 800 mm的罐，GCr15盘条退火时装载量为2 000 kg。罐的容积为2 769 L，其中盘条占256 L，其余为空气所占。空气中O2的体积为528 L，物质的量为23.6 mol。事实上，此种密封在升温和保温阶段并不能使罐内保持较高的正压，罐内压力仅稍高于1个大气压，因此，加热时罐内空气膨胀溢出，空气中的O2也随之溢出。由理想气体状态方程计算可知，在790 ℃和1个大气压下1 mol的O2体积为79.9 L，同样温度下残留在罐内的O2仅剩6.6 mol。为了使装入的木炭量有富余，在不考虑O2溢出的情况下，完全消耗掉罐内室温时原有的O2所需木炭量为0.57 kg(2C+O2=2CO)。实际生产中大约装入木炭1.5 kg，理论上可将O2完全消耗掉。

试验用罐的容积为169.6×10-3L，试样的体积为2.0×10-3L，罐内空气的体积为167.6×10-3L，其中O2的体积为35.2×10-3L，室温下的物质的量为1.6×10-3mol。所需木炭量为0.04 g，为了更好地观察木炭保护的效果，未按生产中退火件与木炭的质量比，装入木炭较多，为3.0 g。

2.2 氧化和脱碳

3组重复试验结果基本相同。木炭接触性保护试样表面既没有氧化也没有脱碳。大气环境试样与装罐无木炭保护试样相比，氧化层厚了大约15 μm，脱碳层深没有明显差别。

下面主要对比装罐无木炭保护试样和木炭非接触性保护试样的氧化和脱碳情况。图1a,b分别为木炭非接触性保护和装罐无木炭保护的脱碳层。装罐无木炭保护试样的表面氧化严重，但脱碳很少，从表面开始依次为松散易脱落的氧化皮(平均厚度123 μm)、与基体结合较好的很薄的氧化皮(约几个微米)和脱碳层(全脱厚度约75μm)，氧化层与脱碳层总厚约198 μm(不计与基体结合较好的那层很薄的氧化皮)。木炭非接触性保护试样的表面氧化很少，但脱碳严重，表层没有松散易脱落的氧化皮，仅有与基体结合较好的一层很薄的氧化皮(约几个微米)，但脱碳层很厚，约225 μm。由对比可知，木炭非接触性保护试样的氧化层和脱碳层总厚明显超过装罐无木炭保护试样的氧化层和脱碳层总厚，也超过了大气环境试样的氧化层和脱碳层总厚(约213 μm)。木炭非接触性保护仅对减少氧化非常有效。

图1 GCr15装罐有木炭非接触性保护和无木炭保护的脱碳层

图2为Fe，C元素对氧亲和力与温度的关系曲线[1]。由图中知，(3/2)Fe+O2=(1/2)Fe3O4反应的氧势(RTlnPo2称为氧势[2]，其中R为气体常数，T为绝对温度，Po2为平衡时的氧分压)与2Fe+O2=2FeO反应的氧势在570 ℃时大致相等。温度低于570 ℃时，铁的氧化物成分主要是Fe3O4；高于570 ℃时，铁的氧化物成分主要是FeO。790 ℃时，氧化反应2Fe+O2=2FeO的FeO标准生成自由焓ΔG(ΔG=RTlnPo2)为-386 kJ，对应的平衡氧分压Po2为1.1×10-19；2C+O2=2CO的CO标准生成自由焓ΔG为-409 kJ，对应的平衡氧分压Po2为7.8×10-21。790 ℃时，钢件不发生氧化的条件是环境氧分压小于1.1×10-19；而钢件不发生脱碳的条件是环境氧分压小于7.8×10-21(由于基本参数来源不同，各文献计算结果略有不同)。

图2 Fe，C元素对氧亲和力与温度的关系

装罐无木炭保护下和大气环境下，工件在升温、保温及降温过程中，环境氧量充足，氧分压远高于FeO以及CO的平衡氧分压，试样表面氧化和脱碳可同时进行，这样试样表面既有氧化层又有脱碳层。不过，此时脱碳层较薄，有两方面原因：(1)最外层脱碳部分随后被氧化掉,从而变成了氧化层(脱碳向试样内部推进速度比氧化推进速度快，否则试样表面仅有氧化层)；(2)随着表面氧化皮增厚，阻隔了大量氧与内部碳的接触。因此，在装罐无木炭保护下和大气环境下，氧化层厚度占氧化脱碳层总厚的比例较大，分别为62%和65%。

木炭接触性保护下，木炭将试样覆盖，氧只有通过木炭层才能与试样接触。氧在通过木炭层时，与木炭反应被消耗掉，无法与试样接触，因而试样表面没有氧化脱碳。

木炭非接触性保护下，大部分氧与木炭反应而被消耗掉，罐内的平均氧分压很低，但罐内气氛均匀性较差(无搅拌)，试样周围的环境氧分压要高于木炭周围的环境氧分压。试样虽是到温入炉，升温时间较短，但仍有一个升温过程。在升温阶段，温度较低，木炭与氧反应较慢，加上罐内气氛扩散时间短，气氛均匀性差，试样的环境氧分压较高，氧化和脱碳能同时进行。在温度低于700 ℃时，氧化较脱碳更易进行。790 ℃保温阶段，木炭燃烧，消耗了罐内大量的氧，在木炭周围的环境氧分压达到2C+O2=2CO的平衡氧分压7.8×10-21；但是，由于罐内气氛仍不均匀，试样周围环境氧分压应高于木炭周围的环境氧分压，而低于2Fe+O2=2FeO的平衡氧分压1.1×10-19(从试验结果可推断出)，试样不再发生氧化，而脱碳继续进行。因此，在木炭非接触性保护下，试样表面虽氧化很轻，但脱碳严重。

2.3 应采用的退火工艺及经济效益分析

对GCr15退火来说，采用木炭接触性保护从经济上来说是完全不可行的。用于制作滚动体和套圈的退火件在流入下一个工序前往往要求表面无脱碳或脱碳层很浅，而木炭非接触性保护试样的氧化脱碳层厚度超过了装罐无木炭保护和大气环境下试样的氧化脱碳层厚度。若用酸洗去除氧化脱碳层，装罐无木炭保护试样表面形成的氧化皮大部分轻微敲击就可去掉，腐蚀去掉的脱碳层也较薄且用酸量少。因此，与木炭非接触性保护退火相比，采用装罐无木炭退火工艺不但节约了木炭，还节约了大量的酸。再者，装罐无木炭保护试样的氧化层和脱碳层深度与大气环境下试样的氧化层和脱碳层深度均相差不多。因此，在不具备可控气氛退火的条件下，GCr15应直接在大气环境下退火，这样既节约了木炭、耐热钢罐和酸，又降低了能耗(不用加热耐热钢罐)，将带来巨大的经济效益。

3 结论

(1)在GCr15退火时，木炭非接触性保护可明显减少氧化，但不能减少脱碳。木炭非接触性保护试样的氧化层和脱碳层总厚明显超过装罐无木炭保护和大气环境试样的氧化层和脱碳层总厚。

(2)装罐无木炭保护试样的氧化层和脱碳层深度与大气环境试样的氧化层和脱碳层深度基本相同。

(3)在不具备可控气氛退火的条件下，GCr15应直接在大气环境下退火，既节约了木炭、耐热钢罐和酸，又降低了能耗，经济效益巨大。