Обезуглероживание — это уменьшение содержания углерода поверхностных слоев сталей и чугунов, может происходить при нагреве для отжига, закалки, горячей пластической деформации. Это приводит, в частности, к снижению твердости поверхностных слоев.

На рассмотрение попала деталь «управляющий клапан насоса» (рис. 1а), которая показала в работе пониженную износостойкость на внутренних (рабочих) частях клапан. На свободной поверхности был обнаружен значительный слой окалины (рис.1б). Информации о какой-либо термической обработке не поступало.

а	б

Рисунок 1. Фрагмент детали (а) и окалина на поверхности (б)

По регламенту структура такой детали – графит, феррит и перлит не более 15%. На нетравленном шлифе (участки 1-4 по рис.1) видно, что графит чугуна может быть классифицирован как шаровидный. Форма – шаровидная правильная и шаровидная неправильная (рис.2,а). В некоторых участках выявляются отдельные включения, которые по своей морфологии могут быть отнесены к разорванной форме. Структура «эталонного» образца после травления представлена на рис. 2,б. Структурные составляющие – феррит, графит и перлит (до 5%) и одинакова по всему объему и на поверхности.

а	б

Рисунок 2. Структура чугуна; а - без травления, б - после травления

На рис.3. представлена структура образца, показавшего пониженную износостойкость. В приповерхностной зоне включения графита отсутствуют. Это видно на шлифе без травления (рис. 3,а). Ширина зоны без графита составляет в разных местах от 100 до 500 мкм. Травление выявляет на поверхности ферритную структуру (рис. 3, б). В объеме структура состоит из феррита и графита, перлит отсутствует (рис. 3,в). Средняя площадь включений графита составляет: в объеме – 480 мкм², под зоной обезуглероживания – 283 мкм².

а	б
в

Рисунок 3. Структура образца №2: а, б- кромка; в – в объеме (участок 2 по рис.1).

Еще один образец из той же партии показал удовлетворительные свойства; его структура в объеме и на кромке образца представлены на рис.4. Структура в объеме примерно соответствует «эталонной» по рис. 2. На поверхности в структуре отсутствует перлит.

а	б

Рисунок 4. Структура образца, не показавшего существенного изменения свойств: а – в объеме, б – на поверхности

Предположение следующее. Судя по отсутствию графита, а также присутствию окисной корки на поверхности, детали подвергались нагреву, причем наиболее значительно для первого образца, имеющего обезуглероженную зону. Температура, предположительно, была 1000-1100 градусов, время было приличное, и прошла диффузия углерода. В поверхностном слое его нет, в объеме его содержание существенно снизилось, что и повлекло за собой снижение свойств. Второй образец, вероятно, подвергался нагреву в меньшей степени и «отделался» только потерей перлита.
Процесс обезуглероживания поверхности стали и чугуна с появлением видимого слоя обезуглероживания обусловлен более высокой скоростью диффузии углерода из стали и превышением скорости процесса обезуглероживания над скоростью окисления железа. Из прилегающего к окалине слоя неокисленного металла углерод диффундирует на межфазную границу металл – оксид с более высокой скоростью, чем ионы металла. При этом происходит обеднение углеродом прилегающего к окалине металла на глубину, зависящую от условий окисления (время, температура и т.д.). Обезуглероживание происходит, когда скорость диффузии углерода из стали в окалину превысит скорость окисления железа и его скорость диффузии в окалину, поскольку обезуглероженный слой не успевает окислиться. В начальный период с высокой скоростью окисления остаточного обезуглероживания не происходит. При замедлении скорости окалинообразования появляется обезуглероженный слой, который увеличивается по толщине. Истинный обезуглероженный слой состоит из видимого обезуглероженного слоя и окислившегося слоя металла, превратившегося в окалину. В верхней части рис.3,а видна окалина.