5 SCM435钢贝氏体中碳原子的扩散行为_徐东

第13卷第1期 过 程 工 程 学 报 V ol.13 No.1 2013 年 2月 The Chinese Journal of Process Engineering Feb . 2013

SCM435钢贝氏体中碳原子的扩散行为

徐 东， 祭 程， 唐正友， 朱苗勇

(东北大学材料与冶金学院, 辽宁 沈阳 110819)

摘 要：为描述贝氏体中碳原子的扩散行为，建立了SCM435钢二维扩散数学模型，并根据实测结果计算出SCM435钢的扩散系数及扩散激活能，在此基础上，依次获得不同边界条件下的碳扩散. 结果表明，在贝氏体区，从750℃下降到650℃时，SCM435钢中碳原子扩散行为急剧减少，激活能为407 kJ/mol；750℃冷却时，冷速从0.2℃/s升到1℃/s，其脱碳层厚度由29降到12.5 μm ；对于已有100 μm 的脱碳层，渗碳气氛碳含量由0.35%升到1%，消除金相下的脱碳层的时间由21.5降到8.5 min，但随着时间延长，其与SCM435钢基体标准碳含量的差值逐步变大. 关键词：SCM435钢；扩散行为；数学模型；脱碳层；激活能

中图分类号：TG142.1 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2013)01−0017−06

1 前 言

钢在加热或冷却的过程中，因气氛不同，前沿常出现贫碳区或富碳区，这种碳的扩散现象称为碳迁移，钢基体中的碳迁移，将引起材料性能的变化，这种现象引起有关学者注意和研究，并取得了一些成果[1,2]. TapasaMasuyama 等[4]研究了渗等[3]模拟了碳与铁之间的扩散，

碳齿轮钢的弯曲强度与表面质量之间的关系，崔娟等

[5]

考数据.

2 实验及模拟假设

2.1 实验材料

试样采用工业生产的SCM435钢热轧线材，室温组织主要以贝氏体为主，其化学成分如表1所示.

表1 SCM435钢的化学成分(%, ω)

Table 1 Chemical composition of SCM435 steel (%, ω)

Element C Si Mn Cr Mo S P Content 0.350.17 0.75 1.02 0.19 0.0020.008

研究了中碳弹簧钢加热过程脱碳特性，欧俭平等[6]对钢坯氧化烧损进行了数值模拟，王从曾等[7]研究了钢在离子渗金属过程中碳迁移，郭婷婷等进行了碳原子扩散行为的模拟研究. 以上工作主要研究等温条件下的扩散或脱碳实验，或使用碳扩散系数的经验公式来模拟扩散过程，或研究纯金属的扩散行为，很少研究中碳合金钢的扩散系数，并用求出的扩散系数来模拟不同状态下的脱碳行为. 少有该领域与有限元结合，并通过非稳态的变温实验验证模拟结果的相关文献. 国内汽车用12.9级高强、超高强级别的螺栓基本以SCM435冷镦钢钢种系列为主，这种钢对脱碳、折叠等表面质量要求非常严格，国内轿车发动机用钢一直依赖日本进口，属于有特殊要求的高级冷镦钢[9].

本工作以SCM435钢为研究对象，建立了SCM435钢二维碳扩散数学模型，并根据实测结果计算出SCM435钢的扩散系数及扩散激活能，并带入有限元模拟不同状态下的碳原子扩散导致的脱碳行为，得出不同加热温度下的脱碳行为以及连续冷却过程中的脱碳行为，最后通过等温实验与变温实验验证模拟结果. 在此基础上，对于已存在的脱碳层，讨论了不同碳势对渗碳过程的影响，为在线冷却工艺及热处理工艺优化提供参

[8]

2.2 假设条件

钢中扩散的微观机制主要有空位机制和间隙机制两种，而温度、成分、晶体结构、缺陷种类和数量等因素都对扩散过程产生巨大的影响. 固溶体的类型也影响扩散系数的大小，与间隙固溶体C 等相比，置换固溶体(Fe, Cr, Mn等) 的扩散激活能大得多[10]，本工作忽略Fe 的自扩散的影响.

不同的原子在Fe 中的扩散系数也存在巨大差异，如750℃时，C 在体心立方结构α-Fe 中的扩散系数为1.03×10−10 m 2/s，O 在α-Fe 中的扩散系数为5.51×10−27 m 2/s，相比相差了17个数量级，因此，750℃以下可忽略O 的扩散的影响. C, O, Fe在α-Fe 中的扩散常数D 0及扩散激活能Q 如表2所示[11,12].

表2 不同原子在α-Fe 中的扩散常数D 0及扩散激活能Q Table 2 Diffusion constant and activation energy of different

atoms in α-Fe

Element C O Fe D 0 (m/s) 0.2×10 0.37×10 19×10 Q (kJ/mol) 84 97.6 239

收稿日期：2012−08−19，修回日期：2012−10−12 作者简介：徐东(1984−)，男，河南省信阳市人，博士研究生，主要研究方向为12.9级的发动机螺栓用钢；朱苗勇，通讯联系人，E-mail: [email protected].

18 过 程 工 程 学 报 第13卷

通过热膨胀实验，测得SCM435钢的奥氏体转变温度A c1为755℃，A c3为800℃，由于测试同一工艺下的同一钢种，且在750℃以下即低温区测试C 的扩散行为，因此，影响因素主要是温度. 而扩散与温度的关系一般服从Arrhenius 方程[13]：

D =D 0exp(−Q /RT ) (1)

视为半无限长的扩散体，假设远离表面一端始终保持不受扩散影响，对于表面，脱碳过程假设表面边缘碳含量为零，渗碳过程假设表面边缘碳含量为气氛中的碳含量，因此，温度较高且保温时间较长时，模拟精度也相应较高.

3 结果与讨论

3.1 实验结果

图1为SCM435钢以50℃/s升温到750℃，并保温不同时间时的脱碳实测结果. 从图可知，在保温10 min 时，SCM435钢的脱碳层大约54 μm ；保温40 min时，SCM435钢的脱碳层大约115 μm ；保温90 min时，SCM435钢的脱碳层大约173 μm.

图2为SCM435钢以50℃/s升温到650℃，并保温不同时间时的脱碳实测结果. 从图可知，在保温10~90 min 的过程中，SCM435钢未呈现明显的脱碳现象.

图3为SCM435钢以50℃/s升温到750℃，并保温5 s，以冷却速度0.2℃/s冷却到室温时的脱碳实测结果. 从图可知，SCM435钢的脱碳层大约31 μm.

通过图1~3可知，在贝氏体区，当750℃时，SCM435钢的碳原子扩散行为较为强烈，当温度下降到650℃时，SCM435钢的碳原子扩散行为减弱了很多，以致金相下检测不出脱碳现象.

式中，R 为气体常数[8.314 J/(mol⋅K)]，D 0为扩散常数， Q 代表每摩尔原子的激活能，T 为绝对温度. 2.3 实验过程

为了得到SCM435钢在贝氏体区的碳扩散系数及验证不同状态下的扩散行为，使用MMS-200热力模拟实验机(东北大学国家重点轧制实验室) ，将SCM435钢置于大气的气氛中，控制不同的保温及冷却状态，以测试其脱碳层的厚度，来验证模拟过程. 由于忽略了O, Fe扩散的影响，根据金相处理标准的规定[14,15]，本工作将脱碳层中碳浓度降至80%C 0处规定为脱碳层过渡层的起点. 对于SCM435钢而言，脱碳过渡层的起点就是含碳量减少到0.28处，含碳量处于该点以下的均属于脱碳. 使用3%的硝酸酒精溶液腐蚀样品，金相显微镜使用Axio Imager.M2m(德国蔡司公司) 正置全自动材料显微镜(北京普瑞赛司仪器有限公司). 2.4 模拟过程

模拟过程将原始碳质量浓度为0.35%的SCM435钢

图1 在750℃保温时脱碳结果[(a) 10 min, (b) 40 min, (c) 90 min]

Fig.1 Decarburization results in the heat preservation at 750℃

[(a) 10 min, (b) 40 min, (c) 90 min]

图2 在650℃时脱碳结果[(a) 10 min, (b) 40 min, (c) 90 min]

Fig.2 Decarburization results in the heat preservation at 650℃

[(a) 10 min, (b) 40 min, (c) 90 min]

第1期 徐东等：SCM435钢贝氏体中碳原子的扩散行为 19

T e m p e r a t u r e , T (℃)

Time, t (s)

(a) Set figure (b) Experimental result

图3 冷却速度0.2℃/s时脱碳结果

Fig.3 Decarburization result obtained at the cooling rate of 0.2℃/s

3.2 脱碳模拟结果

根据实测结果，以1 μm 为尺度，建立10 μm ×1000 μm 的模型，并将温度作为边界条件代入模型中，根据式(1)调试求解，得到在贝氏体中，SCM435钢碳原子的SCM435钢每摩尔碳扩散扩散常数D 0为1.04×109 m2/s，

原子的激活能Q 为407 kJ/mol. 对比C 在α-Fe 中的激活能，增加了3.8倍，这是由于SCM435钢存在较多的Cr, Mo 元素，易形成强碳化合物，与碳原子有较强的亲和力，能够强烈的阻碍碳的扩散，因此激活能增加了很多.

图4为SCM435钢碳原子在贝氏体中的扩散系数. 当650℃时，碳的扩散系数为1.033×10−14 m2/s，随着温度的升高，碳的扩散系数也急剧升高，750℃时碳的扩增加了177倍；对比C 在α-Fe 散系数为1.84×10−12 m2/s，

中的扩散系数，从650℃升高到750℃时，增加了4.9倍，同时SCM435钢的激活能较高，这是导致扩散常数急剧增加的原因.

图5为SCM435钢在750℃保温，不同时间时的脱碳模拟结果，随着保温时间的延长，碳的扩散区域逐步由表层向内延伸.

图6为不同温度脱碳模拟结果，在750℃时，保温

10, 40, 90 min，其脱碳层厚度60, 120, 181 μm ，碳含量到达0.349%时，到表面的距离分别为143, 284, 424 μm ，在700℃时，保温10, 40, 90 min，其脱碳层厚度17.5, 35, 53 μm ，碳含量到达0.349%时，到表面的距离分别为42, 83, 124 μm ；在650℃时，保温10, 40, 90 min，其脱碳层厚度4.5, 9, 13.5 μm ，碳含量到达0.349%时，到表面的距离分别为11, 21.5, 32 μm.

C d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t , D (×10m /s )

2.01.51.00.50.0

[***********]700800

Temperature, T (℃)

-122

图4 SCM435钢碳原子在贝氏体中的扩散系数

Fig.4 Diffusion coefficient of carbon atoms in bainite

of SCM435 steel

图5 在750℃时脱碳模拟结果[(a) 10 min, (b) 40 min, (c) 90 min]

Fig.5 Decarburization simulation results in different heat preservation time at 750℃ [(a) 10 min, (b) 40 min, (c) 90 min]

20 过 程 工 程 学 报 第13卷

0.4

0.3

C c o n t e n t (%)

C c o n t e n t (%)

0.20.10.0

0.00.10.20.30.40.50.60.7Distances from the surface, s (mm)

0.4

0.3

0.40.3

C c o n t e n t (%)

0.20.10.0

0.20.10.0

0.00

0.05

0.10

0.150.200.000.010.020.030.040.05Distances from the surface, s (mm)

Distances from the surface, s (mm)

图6 不同温度下脱碳模拟结果

Fig.6 Decarburization simulation results at different temperatures

图7为在750℃时以不同的冷速冷却时脱碳模拟结果. 从图可知，冷却速度分别为0.2, 0.5, 1℃/s，其脱碳层厚度分别为29, 18, 12.5 μm ，碳含量到达0.349 %时，到表面的距离分别为69, 43, 30 μm.

图8为不同状态下模拟与实测的脱碳层厚度. 从图可知，750℃保温10, 40, 90 min时，其模拟与实测差值

0.4

0.3C c o n t e n t (%)

0.20.10.0

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

分别为6, 5, 8 μm ，误差分别为10%, 4.1%, 4.4%；650℃保温及0.2℃/s的冷却速度下，其误差值在5~10 μm 左右. 这是由于模拟开始时，假设表面存在没有厚度的、脱碳层为零的一维薄层，且忽略了气体与表面的复杂化学物理反应过程，碳仅通过这层薄层进行扩散，导致当没有脱碳层出现时，或脱碳层较少时，误差较大.

0.2

Cooling rate (℃/s)

0.5

1

D e p t h o f d e c a r b u r i z e d l a y e r (

μm )

[1**********]0

10

Distances from the surface, s (mm)

40

Holding time, t (min)

90

图7 不同冷速时的脱碳模拟结果 图8 不同边界条件下的脱碳层厚度 Fig.7 Decarburization simulation results at Fig.8 Simulation and experimental results of decarburization

different cooling rates at different boundary conditions

在实际生产中应快速冷却到650℃左右，可避免脱碳产生的边部硬度、强度下降导致的产品性能降低. 3.3 渗碳模拟结果

实际工业生产中，不可避免的产生脱碳问题，对于已存在100 μm 的脱碳层的试样，其边缘碳质量分布如图9所示，距表面30, 80, 100, 150 μm 时，碳含量分别为0.105%, 0.243%, 0.28%, 0.33%，为了降低脱碳的影响，将其分别置于碳质量分数为0.35%, 0.5%, 1%的渗碳

气氛中，求出不同加热制度下的渗碳行为.

图10为不同气氛下的渗碳模拟结果，当置于碳质量分数为0.35%的渗碳气氛中时，随着时间延长，距表面30 μm 处的碳质量分数一直升高，到11.5, 66 min时，

C c o n t e n t (%)

0.40.30.20.10.0

0.0

0.1

0.2

0.3

Distances from the surface, s (mm)

图9 初始碳质量分布图

Fig.9 Initial carbon mass distribution

第1期 徐东等：SCM435钢贝氏体中碳原子的扩散行为 21

其碳质量分数分别达到0.28%, 0.34%，但距表面80, 100, 150 μm 处的碳质量分数先降低后升高，拐点分别在4, 8, 24 min，最低碳含量分别为0.234%, 0.266%, 0.308%，距表面80, 100 μm 分别在21.5, 20 min达到碳质量分数为0.28%.

图10(b)为置于碳质量分数为0.5%的渗碳气氛中时的模拟结果. 从图可知，随着时间延长，距表面30 μm 处的碳质量分数一直升高，到5.5 min时，达到0.28%，其距表面80, 100, 150 μm 处的碳质量分数先降低后升高，拐点分别在3, 7, 17 min，最低碳含量分别为0.236%, 0.267%, 0.312%，距表面80, 100 μm 分别在13, 13.5 min达到碳质量分数为0.28%，但随着时间的增加，距表面

0.36

越近，其碳质量分数越大，60 min时，4处的碳质量分数分别达到0.46%, 0.401%, 0.383%, 0.353%.

图10(c)为当置于碳质量分数为1%的渗碳气氛中时的模拟结果，同样距表面30 μm 处的碳质量分数一直升高，而距表面80, 100, 150 μm 处的碳质量分数存在拐点.

对比3种渗碳气氛中的渗碳行为，随着气氛中碳质量分数的升高，分别在21.5, 13.5, 8.5 min消除金相下的脱碳层，距表面越近且渗碳气氛中碳质量分数越高，其渗碳越快，但随着时间延长，其与SCM435钢基体标准碳含量的差值也越大，因此，实际生产中需要根据实际的脱碳情况及企业的具体要求来合理的控制渗碳气氛及保温时间，来达到理想的渗碳目标值.

0.9

0.50.4

C c o n t e n t (%)

C c o n t e n t (%)

0.30.20.1

0.18

0.09

15

C c o n t e n t (%)

0.27

0.6

0.3

0.0

75

15

3045Time, t (min)

6075015

3045Time, t (min)

60

3045Time, t (min)

6075

图10 不同气氛下距表面不同位置处的渗碳行为

Fig.10 Carburization behavior under different atmospheres at different positions from the surface

4 结 论

以SCM435钢为研究对象，根据实测结果，得出不同温度下的扩散系数，通过等温及非稳态的变温实验验证了模拟结果，研究了不同温度及冷速对脱碳的影响，并模拟了渗碳气氛和时间对钢材表面的影响，实际生产中根据不同的生产状态，不但能节约成本，且能快速模拟优化出工艺流程，研究得出结论如下：

(1)实测了不同状态下的脱碳层厚度，表明在贝氏体区，从750℃下降到650℃时，SCM435钢的碳原子扩散行为发生了急剧变化.

(2)根据不同的保温温度及连续冷却脱碳层厚度，调试求解，得到从650℃升高到750℃时，碳的扩散系数1.033×10−14 m2/s升高到1.84×10−12 m2/s，增加177倍，求得SCM435钢贝氏体中碳原子的激活能为407 kJ/mol.

(3)模拟结果描述了不同保温状态下，不同位置、不同时间时的脱碳行为，并预测了连续冷却过程中的脱碳，冷速分别从0.2℃/s升到1℃/s，其脱碳层厚度从29 μm 降到12.5 μm.

(4)对于已有100 μm 的脱碳层，模拟了不同渗碳气氛(0.35%~1%)对碳扩散的影响，消除金相下的脱碳层由21.5 min降到8.5 min，但随着时间延长，其与SCM435钢基体标准碳含量的差值也越大.

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Diffusion Behavior of Carbon Atoms in Bainite of SCM435 Steel

XU Dong, JI Cheng, TANG Zheng-you, ZHU Miao-yong

(School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang, Liaoning 110819, China)

Abstract: In order to describe carbon atoms of diffusion behavior of bainite, two-dimensional diffusion mathematical model of SCM435 steel was established, and diffusion coefficient and activation energy of SCM435 steel were calculated based on the measured results. On this basis, the carbon diffusion behavior under different boundary conditions was sequentially obtained. The results showed that when temperature fell from 750 to 650℃ in bainite, diffusion behavior of carbon atoms of SCM435 steel was sharply reduced, and activation energy was about 407 kJ/mol. When cooling rate rised from 0.2 to 1℃/s from 750℃, the thickness of decarburization layer fell from 29 to 12.5 μm. When carbon content of carburizing atmosphere rised from 0.35% to 1 % as it had 100 μm decarburized layer, time fell from 21.5 to 8.5 min in order to eliminate the decarburization layer of metallographic sample, but its differential with the base of the carbon content of SCM435 steel gradually became higher along with more time.

Key words: SCM435 steel; diffusion behavior; mathematical model; decarburized layer; activation energy