艾立群等：H,HO气氛下Fe-C合金薄带气固脱碳反应动力学 821… 越好.当脱碳时间为30min时，1mm薄带的脱碳 由图8可以看出，薄带可以分成明显的3层， 后平均碳质量分数为0.12%，1.5mm薄带的脱碳后 由表面到内部依次是完全脱碳层、部分脱碳层和 平均碳质量分数为1.28%，2mm薄带的脱碳后平 未脱碳层.完全脱碳层的组织为铁素体，此部分碳 均碳质量分数为2.13%.当脱碳温度一定时，薄带 含量最低；部分脱碳层由铁素体、渗碳体和少量石 厚度越薄，薄带内部碳原子扩散到反应界面的距 墨相组成，部分脱碳层的碳含量比完全脱碳层的 离就越短，扩散到反应界面所需时间就越短，相同 碳含量高，但低于未脱碳层的碳含量；未脱碳层由 脱碳时间下，脱碳效果越好 珠光体和大量石墨相组成，此部分碳含量最高.在 2.4脱碳层微观组织的演变规律 脱碳过程中薄带厚度方向上碳含量的分布呈现出 为探索脱碳层微观组织随脱碳时间的变化规 中心区域碳含量最高，由中心向两侧碳含量不断 律，对碳质量分数为4.2%，厚度为2mmFe-C合 降低的趋势，并且中心区域碳含量随着脱碳时间 金薄带进行脱碳处理，气体总流量为300 mL'min, 的增加而减少.这是由于脱碳初期薄带表面的碳 Ar的流量为240 mL'min,H2的流量为60 mL'min, 原子与气氛中的水蒸气反应被脱除，从而在薄带 水浴温度为333K.脱碳温度为1353K,脱碳时间 表面附近产生碳浓度梯度，使得靠近表面区域的 分别为10,30,50,60,70和90min,其微观组织照 碳原子向反界面开始扩散，从而降低此区域的碳 片如图8所示，箭头方向表示薄带表面到薄带内部 含量，而中心区域的碳原子并没有发生扩散，所以 中心区域的碳含量保持不变，而且随着脱碳反应 Compl Complete decarburization zone 的进行，中心区域的碳原子开始向反应界面扩散， Partial decarburization zone 导致中心区域的碳含量降低.随着脱碳时间的延 长，完全脱碳层与部分脱碳层的厚度之和增加，将 完全脱碳层和部分脱碳层统称为脱碳层，当脱碳 时间为10min,脱碳层的厚度为323um:当脱碳时 间为30min时，脱碳层的厚度为470m;当脱碳时 间为50min时，脱碳层的厚度为558m;当脱碳时 500 um 500 间为60min时，脱碳层的厚度为586um;当脱碳时 间为70min时，脱碳层的厚度为794m;当脱碳时 Complete decarburization zone Complete decarburization zone 间为90min时，脱碳层的厚度为823m.当脱碳 时间由10延长至30min时，脱碳层和未脱碳层的 Partial decarburization zor 组织没有发生变化，当脱碳时间延长至50min时， 部分脱碳层存在少量石墨相，未脱碳层中的石墨 相明显减少；当脱碳时间延长至70min时，层与层 之间的界限变得模糊，部分脱碳层中渗碳体相减 500um 少，石墨相减少，未脱碳层中的石墨相减少；当脱 d 碳时间延长至90min时，完全脱碳层和部分脱碳 层的界面仍不清晰，未脱碳层组织主要为渗碳体， Complete decarbunzation zone Complete decarburization zone 石墨消失.随着脱碳反应的进行，部分脱碳层中的 渗碳体不断溶解转变为铁素体，未脱碳层中的石 Partial decarburization zone Partial decarburization zone 墨相溶解，为脱碳反应提供间隙碳原子，直至未脱 碳层中碳的浓度梯度为零 2.5Fe-C合金薄带的扩散动力学分析 ter line enter l 分别测量出1293,1353和1413K下，不同脱 '(e) 500m ( 500μm 碳时间下对应的脱碳层的厚度，以脱碳时间的平 图8FeC合金薄带脱碳后的微观组织.(a)10min:(b)30min:(c)50mim: 方根为x轴，以脱碳层的厚度为y轴，拟合结果如 (d)60 min:(e)70 min:(f)90 min 图9所示. Fig.8 Microstructure of Fe-C alloy strip decarburized for different 根据图9拟合的结果可知，薄带厚度与脱碳时 time:(a)10 min;(b)30 min;(c)50 min;(d)60 min;(e)70 min;(f)90 min 间的平方根呈线性关系，这与陈银莉等2研究结越好. 当脱碳时间为 30 min 时，1 mm 薄带的脱碳 后平均碳质量分数为 0.12%，1.5 mm 薄带的脱碳后 平均碳质量分数为 1.28%，2 mm 薄带的脱碳后平 均碳质量分数为 2.13%. 当脱碳温度一定时，薄带 厚度越薄，薄带内部碳原子扩散到反应界面的距 离就越短，扩散到反应界面所需时间就越短，相同 脱碳时间下，脱碳效果越好. 2.4    脱碳层微观组织的演变规律 为探索脱碳层微观组织随脱碳时间的变化规 律，对碳质量分数为 4.2%，厚度为 2 mm Fe‒C 合 金薄带进行脱碳处理，气体总流量为 300 mL·min−1 ， Ar 的流量为 240 mL·min−1 ，H2 的流量为 60 mL·min−1 ， 水浴温度为 333 K. 脱碳温度为 1353 K，脱碳时间 分别为 10，30，50，60，70 和 90 min，其微观组织照 片如图 8 所示，箭头方向表示薄带表面到薄带内部. 由图 8 可以看出，薄带可以分成明显的 3 层， 由表面到内部依次是完全脱碳层、部分脱碳层和 未脱碳层. 完全脱碳层的组织为铁素体，此部分碳 含量最低；部分脱碳层由铁素体、渗碳体和少量石 墨相组成，部分脱碳层的碳含量比完全脱碳层的 碳含量高，但低于未脱碳层的碳含量；未脱碳层由 珠光体和大量石墨相组成，此部分碳含量最高. 在 脱碳过程中薄带厚度方向上碳含量的分布呈现出 中心区域碳含量最高，由中心向两侧碳含量不断 降低的趋势，并且中心区域碳含量随着脱碳时间 的增加而减少. 这是由于脱碳初期薄带表面的碳 原子与气氛中的水蒸气反应被脱除，从而在薄带 表面附近产生碳浓度梯度，使得靠近表面区域的 碳原子向反界面开始扩散，从而降低此区域的碳 含量，而中心区域的碳原子并没有发生扩散，所以 中心区域的碳含量保持不变，而且随着脱碳反应 的进行，中心区域的碳原子开始向反应界面扩散， 导致中心区域的碳含量降低. 随着脱碳时间的延 长，完全脱碳层与部分脱碳层的厚度之和增加，将 完全脱碳层和部分脱碳层统称为脱碳层，当脱碳 时间为 10 min，脱碳层的厚度为 323 μm；当脱碳时 间为 30 min 时，脱碳层的厚度为 470 μm；当脱碳时 间为 50 min 时，脱碳层的厚度为 558 μm；当脱碳时 间为 60 min 时，脱碳层的厚度为 586 μm；当脱碳时 间为 70 min 时，脱碳层的厚度为 794 μm；当脱碳时 间为 90 min 时，脱碳层的厚度为 823 μm. 当脱碳 时间由 10 延长至 30 min 时，脱碳层和未脱碳层的 组织没有发生变化，当脱碳时间延长至 50 min 时， 部分脱碳层存在少量石墨相，未脱碳层中的石墨 相明显减少；当脱碳时间延长至 70 min 时，层与层 之间的界限变得模糊，部分脱碳层中渗碳体相减 少，石墨相减少，未脱碳层中的石墨相减少；当脱 碳时间延长至 90 min 时，完全脱碳层和部分脱碳 层的界面仍不清晰，未脱碳层组织主要为渗碳体， 石墨消失. 随着脱碳反应的进行，部分脱碳层中的 渗碳体不断溶解转变为铁素体，未脱碳层中的石 墨相溶解，为脱碳反应提供间隙碳原子，直至未脱 碳层中碳的浓度梯度为零. 2.5    Fe‒C 合金薄带的扩散动力学分析 分别测量出 1293，1353 和 1413 K 下，不同脱 碳时间下对应的脱碳层的厚度，以脱碳时间的平 方根为 x 轴，以脱碳层的厚度为 y 轴，拟合结果如 图 9 所示. 根据图 9 拟合的结果可知，薄带厚度与脱碳时 间的平方根呈线性关系，这与陈银莉等[29] 研究结 500 μm Complete decarburization zone Partial decarburization zone Center line (a) 500 μm Complete decarburization zone Partial decarburization zone Center line (b) 500 μm Complete decarburization zone Partial decarburization zone Center line (c) 500 μm Complete decarburization zone Partial decarburization zone Center line (d) 500 μm Complete decarburization zone Partial decarburization zone Center line (e) 500 μm Complete decarburization zone Partial decarburization zone Center line (f) 图 8 Fe‒C 合金薄带脱碳后的微观组织.（a）10 min；（b）30 min；（c）50 min； （d）60 min；（e）70 min；（f）90 min Fig.8 Microstructure of Fe –C alloy strip decarburized for different time: (a) 10 min; (b) 30 min; (c) 50 min; (d) 60 min; (e) 70 min; (f) 90 min 艾立群等： H2 /H2O 气氛下 Fe‒C 合金薄带气固脱碳反应动力学 · 821 ·