工具钢S2表面脱碳行为

孙晓明, 相 楠, 李 宁

(石家庄钢铁有限责任公司, 河北 石家庄 050031)

合金工具钢S2盘条主要用于生产制造改锥头、螺丝刀,六角扳手等工具,尤其电动工具,其使用频率可达到1000～10 000次/天,同时使用间隔短,因此要求其产品应具有高强度、高韧性以及抗疲劳特性[1-2]。

S2工具钢为中高碳低合金工具钢,其化学成分中C、Si、Mo含量较高,脱碳敏感性较强,易产生较厚脱碳层,甚至全脱碳层,造成表面硬度低,导致表面局部失效,从而导致零部件报废,因此应严格控制表面脱碳。通过研究S2工具钢脱碳的物理机制,确定影响脱碳的主要因素,并在加热过程中进行控制,保证脱碳满足使用要求至关重要[3-4]。

针对脱碳的基本原理,影响脱碳的因素有化学成分、加热温度、加热时间和炉气气氛等。S2工具钢碳含量属于中碳钢,其碳含量较高,同时Si含量较高,增大了其脱碳敏感性,在研究其在炉气气氛脱碳行为时,不仅要研究其在不同气氛下的氧化情况,同时还必须同时考虑脱碳过程中碳浓度分布情况。但由于在加热升温过程中,钢的脱碳和氧化同时发生,随着温度的升高,氧化程度越严重。氧化动力及氧化产物的稳定性很大程度上取决于其化学成分和氧化产物,在不同温度下,由于不同的氧化原理,形成的氧化产物也不一样,由外到内依次为Fe3O4、Fe2O3、FeO,同时由于在高温下氧化层边部结合力弱,易脱落,能够消耗部分脱碳层,降低部分脱碳层深度。因此,要想研究脱碳程度必须将氧化和脱碳结合起来。本文研究S2工具钢在加热条件下的脱碳铁素体深度和氧化皮厚度,研究了不同温度下的脱碳行为机理,并根据试验数据,模拟计算脱碳层深度。

1 脱碳机理

由于碳原子的运动,在金属表面发生从内部到表面扩散,发生表面碳浓度重新分布,一般情况下,脱碳在700 ℃以上发生,钢表面发生的脱碳反应[5]主要有:

CFe+1/2O2=CO

CFe+H2O=CO+H2

CFe+FeO=Fe+CO

由此可见,钢表面发生脱碳反应,其必须与钢中气氛结合逃逸出去,因此采用气氛保护能够很好地防止脱碳反应的发生。同时炉内氧含量、水蒸汽含量及钢氧化界面氧化程度等都将影响表面脱碳程度。

钢基体中脱碳深度与碳原子的扩散有关,由菲克第一定律决定[6-9],见公式(1):

(1)

式中:D为扩散系数,C为碳浓度,x为距离。其中扩散系数D由公式(2)描述:

D=D0e-Q/(RT)

(2)

式中:D0为扩散常数,m2/s;Q为扩散活化能,J/mol;R为气体常数,J/(mol·K);T为绝对温度,K。

对于亚共析钢,脱碳主要可分为3个部分:①温度在A3以上,由于在此温度范围内,不会发生相变形成铁素体,脱碳层深度由加热温度和保温时间决定;②温度在A3以下、碳浓度在0～C0(原始碳浓度)之间,由于在此温度范围内发生相变,铁素体开始形成,同时碳浓度梯度发生变化,会形成部分脱碳层或全脱碳层;③当温度在A3以下、碳浓度在C0以下时,奥氏体转变成F+A或F+Fe3C,在脱碳过程中,碳的扩散使得碳浓度出现突变,脱碳的结果使表面出现单一的铁素体相,即产生完全脱碳,而内部相邻铁素体的原奥氏体区则形成部分脱碳组织。假定氧化速率足够快,不会影响脱碳速率。Choi等[10]根据不同区域的脱碳行为,制定了脱碳氧化模型,其模型包括了由外氧化层和内贫碳形成的铁素体层组成的耦合层的生长过程。

当温度在A3以上时,碳浓度分布由式(3)～式(5)表示:

(3)

(4)

(5)

当温度在A3以下、碳浓度在0～C0(原始碳浓度)之间时,碳浓度分布由式(6)～式(8)表示:

(6)

(7)

(8)

根据玻尔兹曼定理,公式可写成公式(9),Kα、Kγ与扩散系数D、奥氏体碳浓度及原始碳浓度C0有关:

(9)

当温度在A3以下、碳浓度在C0以下时,脱碳层深度满足公式(10):

(10)

2 试验材料及方法

试验材料为φ8 mm的S2钢热轧原材,其冶炼化学成分(质量分数,%)为0.66C、1.13Si、0.53Mn、0.20Cr、0.20Ni、0.45Mo、0.17V、0.010P、0.003S,将S2工具钢制成φ8 mm、长20 mm的试样,分别研究相同温度下不同保温时间及相同保温时间不同温度下的表面脱碳情况。研究相同温度下不同保温时间的表面脱碳情况时,分为两组试样,一组试样加热至两相区770 ℃,分别保温0.5、1、2、3 h;另一组试样加热至1000 ℃分别保温0.5、1、2、3、4、5、6、7 h。研究相同保温时间不同温度的表面脱碳情况时,将试样分别加热至800、850、900、950、1000、1050 ℃下保温1.5 h。热处理完成后,利用Axio Microstructure Scope光学显微镜(ZISS)观察表面脱碳层及组织形貌。

3 结果与讨论

3.1 等温条件下的脱碳行为

1000 ℃保温不同时间后S2工具钢的脱碳层形貌和脱碳层深度如图1和表1所示。当加热温度为1000 ℃时,加热温度在A3以上,试验钢表面至中心均为奥氏体状态,脱碳在奥氏体基体上进行,即在奥氏体单相温度范围内,不存在完全脱碳。在一定的保温时间内,脱碳程度变化不太明显,随着保温时间的进一步延长,脱碳程度加剧,这可能与钢的氧化有关。当加热温度位于铁碳相图中的Ac3以下时(770 ℃),770 ℃保温不同时间后S2工具钢的脱碳层形貌和脱碳层深度如图2和表2所示。奥氏体碳含量为了重新回到平衡态浓度,发生相变,沿原奥氏体边界优先转变成铁素体,形成柱状铁素体。与全脱碳区相邻的区域虽碳含量降低,但仍处于奥氏体相区,保温阶段不析出铁素体,冷却时由奥氏体转变为珠光体与铁素体形成半脱碳区,由于S2工具钢中Cr、Mo含量高,在此冷却条件下形成马氏体,半脱碳区不明显。由图3拟合曲线可知,随着保温时间的延长,脱碳层逐渐加深,脱碳速率逐渐减缓,这可能与碳浓度扩散有关,随着脱碳层深度的加深,碳扩散距离变远,减缓了脱碳速率。

表1 加热温度为1000 ℃、保温不同时间后S2工具钢的脱碳层深度Table 1 Depth of decarburization layer of the S2 tool steel heated at 1000 ℃ for different time

表2 加热温度为770 ℃、保温不同时间后S2工具钢的脱碳层深度Table 2 Depth of decarburization layer of the S2 tool steel heated at 770 ℃ for different time

图1 加热温度为1000 ℃、保温不同时间后S2工具钢的脱碳层形貌Fig.1 Morphologies of decarburization layer of the S2 tool steel heated at 1000 ℃ for different time(a) 0.5 h; (b) 1 h; (c) 2 h; (d) 3 h

图2 加热温度为770 ℃、保温不同时间后S2工具钢的脱碳层形貌Fig.2 Morphologies of decarburization layer of the S2 tool steel heated at 770 ℃ for different time(a) 0.5 h; (b) 1 h; (c) 2 h; (d) 3 h; (e) 4 h; (f) 5 h; (g) 6 h; (h) 7 h

图3 加热温度为770 ℃、保温不同时间后S2工具钢的脱碳层深度拟合曲线Fig.3 Fitting curve of decarburization depth of the S2 tool steel heated at 770 ℃ for different time

3.2 不同加热温度下的脱碳行为

不同加热温度下保温1.5 h后S2工具钢的脱碳层形貌和脱碳层深度如图4和表3所示。当S2工具钢在Ac1～Ac3之间加热保温时,试样处于α+γ的两相区,试样组织为未转变的先共析铁素体+奥氏体,随着加热温度的升高,碳扩散系数增大,试样表面奥氏体的碳含量不断降低,Ac3升高,当降到Ac3线以下时,奥氏体处于不稳定状态,发生相变,析出铁素体,同时与全脱碳区相邻的奥氏体虽碳含量降低但保温温度还在Ac3线以上,处于奥氏体相区在保温阶段,形成半脱碳区;当S2工具钢在Ac3和铁碳相图的G点之间加热保温时,保温初期试样处于奥氏体单相区,随着加热温度的升高,试样表面奥氏体的碳含量不断降低,Ac3升高,当加热温度在Ac3线以下时,奥氏体为了维持碳浓度的平衡,必须析出等轴铁素体,则进入α+γ的两相区。进入两相区后,表面奥氏体的碳含量继续降低,继续从奥氏体析出铁素体,形成铁素体脱碳,与铁素体脱碳相邻的区域仍处于奥氏体相区,加热温度在Ac3以下,保温阶段不再析出铁素体,冷却时由奥氏体转变形成半脱碳区;当在G点温度以上加热保温时,试样处于单相奥氏体区,随着加热温度的升高,表面奥氏体的碳含量不断降低,甚至降到零,试样依然处于奥氏体单相区,冷却时析出等轴铁素体与贝氏体组织,形成半脱碳区。当加热温度为1000 ℃时,试样表面未发现完全铁素体,这是由于在1000 ℃保温时,发生表面氧化,导致氧化铁皮与基体脱落,引起的脱碳层深度减小。

表3 不同加热温度下保温1.5 h后S2工具钢的脱碳层深度Table 3 Depth of decarburization layer of the S2 tool steel heated at different temperatures for 1.5 h

图4 不同加热温度下保温1.5 h后S2工具钢的脱碳层形貌Fig.4 Morphologies of decarburization layer of the S2 tool steel heated at different temperatures for 1.5 h(a) 800 ℃; (b) 850 ℃; (c) 900 ℃; (d) 950 ℃; (e) 1000 ℃; (f) 1050 ℃

图5为不同加热温度下保温1.5 h后S2工具钢脱碳层深度拟合曲线。可以看出,S2工具钢在不同加热温度下保温1.5 h,脱碳层在950～1000 ℃存在最小脱碳情况,这主要是由于随着加热温度的升高,碳浓度扩散系数增大,脱碳深度增加,但由于加热温度的升高,表面氧化严重,明显降低部分脱碳层深度。因此为防止加热炉内表面脱碳,应在加热阶段快速通过钢的全脱碳敏感区(700～900 ℃),均热段温度在1000 ℃左右,避免钢的脱碳敏感温度,同时控制高温氧化时间,调节炉内气氛,以尽可能减少热轧态盘卷的脱碳。

图5 不同加热温度下保温1.5 h后S2工具钢的脱碳层深度拟合曲线Fig.5 Fitting curves of decarburization depth of the S2 tool steel heated at different temperatures for 1.5 h

4 结论

1) S2工具钢在770 ℃加热时,表面易形成全脱碳层,随着加热时间的延长,脱碳层深度增加,最大深度为0.40 mm,当加热时间达到7 h时,由于S2工具钢表面氧化,脱碳层深度减小。

2) S2工具钢在1000 ℃加热时,表面易形成铁素体+贝氏体半脱碳层,在一定的时间内脱碳不明显,随着时间进一步延长,脱碳程度加剧。

3) S2工具钢在不同加热温度下保温1.5 h,脱碳层在950～1000 ℃存在最小脱碳情况,因此为防止加热炉内表面脱碳,应在加热阶段快速通过钢的全脱碳敏感区(700～900 ℃),均热段温度在1000 ℃左右,避免钢的脱碳敏感温度,同时控制高温氧化时间,调节炉内气氛,以尽可能减少热轧态盘卷的脱碳。