合工鋼S2M脫碳特性與加熱溫度的關(guān)系

朱平 趙亮

摘 要：文章研究了不同加熱溫度對合工鋼S2M脫碳層深度和脫碳組織的影響。結(jié)果表明，700℃以下，S2M鋼表面不會產(chǎn)生脫碳層，超過700℃以后，其脫碳層深度隨著加熱溫度的升高逐漸增大，在700-900℃加熱時，脫碳組織以全脫碳層為主，而且全脫碳層深度在800℃達到最大值；在950-1050℃加熱時，脫碳組織以部分脫碳層為主，總脫碳層增加十分緩慢；但是超過1050℃加熱時，總脫碳層深度又開始明顯增加。綜合各方因素考慮，S2M鋼線材軋制時的加熱溫度應為950-1050℃。

關(guān)鍵詞：合金工具鋼；脫碳；線材；組織

合金工具鋼S2M線材主要用于制造六角扳手、螺絲批頭、氣動起子等小型五金工具器件，在生產(chǎn)過程中，最常見的問題是線材脫碳較為嚴重，造成這些工具器件的表面硬度達不到要求，使用時易磨損失效、壽命低等現(xiàn)象，為此，用戶對原材料S2M鋼線材的表面脫碳提出嚴格的要求，以保證材料熱處理后的表面硬度。

根據(jù)脫碳的基本原理及Fick擴散定律，影響鋼脫碳的因素有化學成分、加熱溫度、加熱時間和爐氣氣氛等。該合工鋼的碳含量雖不是很高，但由于含有較高硅、鉬合金元素，提高了碳在奧氏體中的活度，增大擴散系數(shù)[1-2]，所以S2M鋼的脫碳傾向仍較大。但鋼的化學成分和實際生產(chǎn)條件如加熱時間和爐氣氣氛的調(diào)整范圍有限，文章主要對該合工鋼的脫碳層深度與加熱溫度的關(guān)系進行了試驗，研究分析其脫碳特性，以指導線材的生產(chǎn)實踐。

1 試驗方法

本試驗選用的材料為表面經(jīng)盤剝后的無脫碳S2M鋼試樣若干個，規(guī)格尺寸為Φ8mm×60mm，其化學成分見表1。

表1 試驗S2M鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

試驗采用空氣電阻爐加熱，將試樣分別加熱到650-1100℃范圍內(nèi)、以50℃為間隔的不同溫度下，進行保溫4小時，然后取出試樣空冷至室溫，采用金相法在光學顯微鏡下檢測脫碳層深度。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 加熱溫度對合工鋼S2M脫碳的影響

圖1和圖2分別為S2M鋼試樣經(jīng)不同加熱溫度下保溫240分鐘的脫碳組織形貌和脫碳層深度變化曲線。

圖2 S2M鋼不同加熱溫度下的脫碳層深度變化曲線

由此可看出，在650℃下加熱保溫4小時，S2M鋼試樣邊緣處組織形貌仍與基體組織基本一致，未見明顯的脫碳組織，如圖1a。在700-800℃加熱時，隨著溫度的升高，其總脫碳層深度逐步增加，試樣邊緣的原奧氏體等軸晶，逐步被垂直于表面的柱狀鐵素體晶粒替代，且與基體界限明顯，脫碳組織以全脫碳層為主，過渡區(qū)域的部分脫碳層非常狹小，且全脫碳深度在800℃最深，約為300μm，如圖1b、c、d。在加熱溫度達到為850-900℃，在完全脫碳層鐵素體區(qū)域里面，出現(xiàn)十分明顯的珠光體含量減少的部分脫碳層區(qū)域，總脫碳層深度急劇增加，如圖1e、f。當加熱溫度950-1000℃時，總脫碳層增加十分緩慢，且脫碳組織以部分脫碳層為主，完全脫碳層很薄且變化很小，如圖1g。而溫度達到1050℃，總脫碳層深度又明顯增加，達到約720μm，脫碳組織為完全脫碳層和部分脫碳層組成，且網(wǎng)絡(luò)狀鐵素體由表及里逐步減少，如圖1h。

2.2 合工鋼S2M脫碳特性的討論

在不同的加熱溫度下，S2M鋼試樣邊緣脫碳深度和組織形貌的發(fā)生著明顯的變化：在650℃下加熱，試樣表面不發(fā)生脫碳。在700℃-900℃范圍內(nèi)加熱，即為S2M鋼的α+γ兩相區(qū)內(nèi)，脫碳與相變同時發(fā)生、并相互促進。室溫下，該合工鋼的組織為P+少量F，當加熱溫度超過700℃，試樣表層開始產(chǎn)生脫碳，奧氏體中碳含量降低，平衡被打破，為了重新達到平衡時的碳含量，將析出鐵素體，析出的鐵素體將沿著原始組織中未轉(zhuǎn)變的先共析鐵素體繼續(xù)生長，隨著脫碳的進行，鐵素體量逐漸增多，并形成厚度均勻的全鐵素體組織[3]，即脫碳主要為完全脫碳層，而當加熱溫度超過了共析轉(zhuǎn)變點時，且碳原子的擴散系數(shù)進一步增加，脫碳繼續(xù)進行，在緊臨全鐵素體組織區(qū)域里面，形成珠光體含量減少的部分脫碳層。

而在950℃及以上溫度加熱時，S2M鋼為奧氏體的單相組織，脫碳只在該單相區(qū)中進行，試樣自表至里碳濃度呈連續(xù)性分布，直至與基體碳濃度一致，這種含碳量線形變化的奧氏體在室溫下呈現(xiàn)出“鐵素體+珠光體”的部分脫碳組織[4]，而碳含量趨近于零的最表層，即完全脫碳層很薄。

當加熱溫度超過1050℃，釩的碳化物幾乎全部溶解，其對晶界原子的釘扎作用越來越弱，增加了碳的活度[5]，碳的擴散速度進一步加快，表現(xiàn)為總脫碳層深度再次明顯增加。

鋼在加熱過程中產(chǎn)生脫碳的同時，也會產(chǎn)生由擴散控制的氧化，根據(jù)脫碳氧化基本原理[1]，當鋼加熱達到某高溫時，可能會出現(xiàn)脫碳層明顯降低。但對于該合工鋼來說，試驗中加熱溫度達到1100℃時，總脫碳層深度仍未出現(xiàn)下降，而隨著溫度繼續(xù)升高，鋼坯氧化燒損嚴重，晶粒粗大，對實際生產(chǎn)的成品組織性能、成材率等產(chǎn)生不利影響。

綜合以上各方因素考慮，S2M鋼線材軋制時，鋼坯的加熱溫度應選用950-1050℃，同時提高加熱速度，縮短在700℃-900℃范圍內(nèi)（α+γ兩相區(qū)）的時間，總的加熱時間在確保透燒的情況下盡量縮短，將有利于成品線材的脫碳層深度的控制。

3 結(jié)束語

（1）合工鋼S2M在700℃以下加熱，表面不會產(chǎn)生脫碳層，超過700℃以后，其脫碳層深度隨著加熱溫度的升高逐漸增大，在700-900℃加熱時，脫碳組織以全脫碳層為主，而且全脫碳層深度在800℃達到最大值；在950-1050℃加熱時，脫碳組織以部分脫碳層為主，總脫碳層增加十分緩慢；但是超過1050℃加熱時，總脫碳層深度又開始明顯增加。（2）綜合各方因素考慮，S2M鋼線材軋制時的加熱溫度應為950-1050℃。

參考文獻

[1]朱應波.鋼在加熱時的脫碳數(shù)學模型[J].特殊鋼，1989（3）：1-4.

[2]田俊，薛順，成國光，等.中低碳高強度彈簧鋼成分對表面脫碳的影響[J].金屬熱處理，2013，38（5）：60-63.

[3]王麗萍，柳洋波，張瑋，等.60Si2Mn彈簧鋼全脫碳的影響因素[J].金屬熱處理，2014，39（3）：7-12.

[4]肖金福，劉雅政，張朝磊，等.彈簧鋼55SiCrA脫碳規(guī)律的研究[J].金屬熱處理，2010，12（35）：94-98.

[5]崔娟，劉雅政，黃學啟.中碳彈簧鋼加熱過程脫碳特性的試驗研究[J].熱加工工藝，2007，36（20）：20-23.