合工钢S2M脱碳特性与加热温度的关系

朱平 赵亮

摘 要：文章研究了不同加热温度对合工钢S2M脱碳层深度和脱碳组织的影响。结果表明，700℃以下，S2M钢表面不会产生脱碳层，超过700℃以后，其脱碳层深度随着加热温度的升高逐渐增大，在700-900℃加热时，脱碳组织以全脱碳层为主，而且全脱碳层深度在800℃达到最大值；在950-1050℃加热时，脱碳组织以部分脱碳层为主，总脱碳层增加十分缓慢；但是超过1050℃加热时，总脱碳层深度又开始明显增加。综合各方因素考虑，S2M钢线材轧制时的加热温度应为950-1050℃。

关键词：合金工具钢；脱碳；线材；组织

合金工具钢S2M线材主要用于制造六角扳手、螺丝批头、气动起子等小型五金工具器件，在生产过程中，最常见的问题是线材脱碳较为严重，造成这些工具器件的表面硬度达不到要求，使用时易磨损失效、寿命低等现象，为此，用户对原材料S2M钢线材的表面脱碳提出严格的要求，以保证材料热处理后的表面硬度。

根据脱碳的基本原理及Fick扩散定律，影响钢脱碳的因素有化学成分、加热温度、加热时间和炉气气氛等。该合工钢的碳含量虽不是很高，但由于含有较高硅、钼合金元素，提高了碳在奥氏体中的活度，增大扩散系数[1-2]，所以S2M钢的脱碳倾向仍较大。但钢的化学成分和实际生产条件如加热时间和炉气气氛的调整范围有限，文章主要对该合工钢的脱碳层深度与加热温度的关系进行了试验，研究分析其脱碳特性，以指导线材的生产实践。

1 试验方法

本试验选用的材料为表面经盘剥后的无脱碳S2M钢试样若干个，规格尺寸为Φ8mm×60mm，其化学成分见表1。

表1 试验S2M钢化学成分（质量分数，%）

试验采用空气电阻炉加热，将试样分别加热到650-1100℃范围内、以50℃为间隔的不同温度下，进行保温4小时，然后取出试样空冷至室温，采用金相法在光学显微镜下检测脱碳层深度。

2 实验结果与讨论

2.1 加热温度对合工钢S2M脱碳的影响

图1和图2分别为S2M钢试样经不同加热温度下保温240分钟的脱碳组织形貌和脱碳层深度变化曲线。

图2 S2M钢不同加热温度下的脱碳层深度变化曲线

由此可看出，在650℃下加热保温4小时，S2M钢试样边缘处组织形貌仍与基体组织基本一致，未见明显的脱碳组织，如图1a。在700-800℃加热时，随着温度的升高，其总脱碳层深度逐步增加，试样边缘的原奥氏体等轴晶，逐步被垂直于表面的柱状铁素体晶粒替代，且与基体界限明显，脱碳组织以全脱碳层为主，过渡区域的部分脱碳层非常狭小，且全脱碳深度在800℃最深，约为300μm，如图1b、c、d。在加热温度达到为850-900℃，在完全脱碳层铁素体区域里面，出现十分明显的珠光体含量减少的部分脱碳层区域，总脱碳层深度急剧增加，如图1e、f。当加热温度950-1000℃时，总脱碳层增加十分缓慢，且脱碳组织以部分脱碳层为主，完全脱碳层很薄且变化很小，如图1g。而温度达到1050℃，总脱碳层深度又明显增加，达到约720μm，脱碳组织为完全脱碳层和部分脱碳層组成，且网络状铁素体由表及里逐步减少，如图1h。

2.2 合工钢S2M脱碳特性的讨论

在不同的加热温度下，S2M钢试样边缘脱碳深度和组织形貌的发生着明显的变化：在650℃下加热，试样表面不发生脱碳。在700℃-900℃范围内加热，即为S2M钢的α+γ两相区内，脱碳与相变同时发生、并相互促进。室温下，该合工钢的组织为P+少量F，当加热温度超过700℃，试样表层开始产生脱碳，奥氏体中碳含量降低，平衡被打破，为了重新达到平衡时的碳含量，将析出铁素体，析出的铁素体将沿着原始组织中未转变的先共析铁素体继续生长，随着脱碳的进行，铁素体量逐渐增多，并形成厚度均匀的全铁素体组织[3]，即脱碳主要为完全脱碳层，而当加热温度超过了共析转变点时，且碳原子的扩散系数进一步增加，脱碳继续进行，在紧临全铁素体组织区域里面，形成珠光体含量减少的部分脱碳层。

而在950℃及以上温度加热时，S2M钢为奥氏体的单相组织，脱碳只在该单相区中进行，试样自表至里碳浓度呈连续性分布，直至与基体碳浓度一致，这种含碳量线形变化的奥氏体在室温下呈现出“铁素体+珠光体”的部分脱碳组织[4]，而碳含量趋近于零的最表层，即完全脱碳层很薄。

当加热温度超过1050℃，钒的碳化物几乎全部溶解，其对晶界原子的钉扎作用越来越弱，增加了碳的活度[5]，碳的扩散速度进一步加快，表现为总脱碳层深度再次明显增加。

钢在加热过程中产生脱碳的同时，也会产生由扩散控制的氧化，根据脱碳氧化基本原理[1]，当钢加热达到某高温时，可能会出现脱碳层明显降低。但对于该合工钢来说，试验中加热温度达到1100℃时，总脱碳层深度仍未出现下降，而随着温度继续升高，钢坯氧化烧损严重，晶粒粗大，对实际生产的成品组织性能、成材率等产生不利影响。

综合以上各方因素考虑，S2M钢线材轧制时，钢坯的加热温度应选用950-1050℃，同时提高加热速度，缩短在700℃-900℃范围内（α+γ两相区）的时间，总的加热时间在确保透烧的情况下尽量缩短，将有利于成品线材的脱碳层深度的控制。

3 结束语

（1）合工钢S2M在700℃以下加热，表面不会产生脱碳层，超过700℃以后，其脱碳层深度随着加热温度的升高逐渐增大，在700-900℃加热时，脱碳组织以全脱碳层为主，而且全脱碳层深度在800℃达到最大值；在950-1050℃加热时，脱碳组织以部分脱碳层为主，总脱碳层增加十分缓慢；但是超过1050℃加热时，总脱碳层深度又开始明显增加。（2）综合各方因素考虑，S2M钢线材轧制时的加热温度应为950-1050℃。

参考文献

[1]朱应波.钢在加热时的脱碳数学模型[J].特殊钢，1989（3）：1-4.

[2]田俊，薛顺，成国光，等.中低碳高强度弹簧钢成分对表面脱碳的影响[J].金属热处理，2013，38（5）：60-63.

[3]王丽萍，柳洋波，张玮，等.60Si2Mn弹簧钢全脱碳的影响因素[J].金属热处理，2014，39（3）：7-12.

[4]肖金福，刘雅政，张朝磊，等.弹簧钢55SiCrA脱碳规律的研究[J].金属热处理，2010，12（35）：94-98.

[5]崔娟，刘雅政，黄学启.中碳弹簧钢加热过程脱碳特性的试验研究[J].热加工工艺，2007，36（20）：20-23.