熱處理的組織缺陷與預(yù)防對(duì)策
本站之前發(fā)表過(guò)文章：鋼管等鋼材的鋼的低倍組織缺陷識(shí)別及解決方法 鋼管熱處理的主要質(zhì)量缺陷 鋼管熱處理表面脫碳及其預(yù)防對(duì)策 等文章，今天我們?cè)賮?lái)學(xué)習(xí)一下熱處理的組織缺陷與預(yù)防對(duì)策。
一、組織與性能的關(guān)系
金屬零件通過(guò)熱處理獲得一定的組織，以期達(dá)到要求的使用性能。熱處理是手段，使用性能是目的，而組織則是機(jī)械性能的基礎(chǔ)和保證。
鋼鐵材料成分、組織與性能的關(guān)系可以用圖1 來(lái)示意。
▲圖1 鋼鐵材料成分、組織、性能關(guān)系示意圖
（Fe3C）Ⅰ-一次滲碳體 （Fe3C）Ⅱ-二次滲碳體
各種熱處理工藝處理過(guò)的工件，其使用狀態(tài)下的組織及性能要求如表1所示 。
▼表1 常用鋼種熱處理工藝、組織及性能
一般零件根據(jù)工作服役情況，確定主要性能要求，從而選擇合適的熱處理工藝和使用狀態(tài)下的組織。熱處理質(zhì)量除了通過(guò)對(duì)熱處理零件或隨爐試樣的性能進(jìn)行測(cè)試外，還有一些性能或熱處理缺陷如，耐蝕性、耐磨性、紅硬性以及脫碳、過(guò)熱、過(guò)燒等等，必須通過(guò)金相組織的檢驗(yàn)來(lái)檢查。為此，為了加強(qiáng)對(duì)熱處理質(zhì)量的控制與檢驗(yàn)，國(guó)家或行業(yè)制定了不少有關(guān)金相的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
熱處理產(chǎn)生的組織不合格是指通過(guò)宏觀(guān)觀(guān)察和顯微分析發(fā)現(xiàn)的組織不符合技術(shù)條件要求或者明顯熱處理組織缺陷。
二、氧化與脫碳
2.1 氧化
氧化是鋼在空氣等氧化性氣氛中加熱時(shí)，表面產(chǎn)生的氧化層。氧化層由Fe2O3、Fe3O4、FeO 三種氧化物組成，外表面有過(guò)剩的氧存在，因而形成含氧較高的氧化物Fe2O3，在靠近基體的內(nèi)部，由于氧少金屬多，因而形成含氧較低的氧化物FeO，氧化層中間部分為 Fe3O4 ，即由外層到內(nèi)層氧化過(guò)程逐漸減輕，如圖2 所示 。
圖2 鐵的氧化層組成示意圖
隨氣氛中氧含量增加以及加熱溫度升高，氧化程度增加，氧化層厚度增加如圖3 所示 。
圖3 溫度和氣氛對(duì)氧化速度的影響
氧化層達(dá)到一定厚度就形成氧化皮了，由于氧化皮與鋼的膨脹系數(shù)不同，是氧化皮產(chǎn)生機(jī)械分析，不僅影響表面質(zhì)量，而且加速了鋼材的氧化。
氧化是金屬表面失去金屬光澤，表面粗糙度增加，精度下降，這對(duì)精密零件是不允許的。
2.2 脫碳
脫碳是指鋼在加熱時(shí)表面碳含量降低的現(xiàn)象。脫碳的實(shí)質(zhì)是鋼中碳在高溫下與氧和氫等發(fā)生作用生成一氧化碳或甲烷的化學(xué)反應(yīng)。其化學(xué)反應(yīng)如下：
這些反應(yīng)是可逆的，氧、氫、二氧化碳、水使鋼脫碳，一氧化碳和甲烷可以使鋼增碳。一般情況下，鋼的氧化脫碳同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)鋼表面氧化速度小于碳從內(nèi)層向外層擴(kuò)散速度時(shí)，發(fā)生脫碳。反之，當(dāng)氧化速度大于碳從內(nèi)層向外層擴(kuò)散的速度時(shí)，則發(fā)生氧化。因此，氧化作用相對(duì)較弱的氧化氣氛中容易產(chǎn)生較深的脫碳層。
脫碳層由于被氧化，含碳量降低，金相組織中碳化物較少。脫碳層包括全脫碳和半脫碳兩部分，全脫碳層顯微組織為全部鐵素體，半脫碳層是指全脫碳層的內(nèi)邊界至鋼的正常含碳量的組織處。典型的脫碳組織如圖4 所示 。
圖4 鋼的脫碳層典型組織 100X
材料：30CrMoA
脫碳在鋼表面形成鐵素體晶粒的形狀有柱狀和粒狀兩種，如圖5 所示。
圖5 脫碳組織的兩種形態(tài)
a）粒狀晶脫碳 b）柱狀晶脫碳
鋼在A(yíng)1~Acm區(qū)域內(nèi)加熱時(shí)，強(qiáng)脫碳形成柱狀晶脫碳，在A(yíng)3以上加熱或A1以上加熱弱脫碳產(chǎn)生粒狀晶脫碳。
隨加熱溫度升高、加熱介質(zhì)氧化性增強(qiáng)，鋼的氧化托他不能增加，如表3 和圖6 所示。脫碳會(huì)明顯降低鋼的淬火硬度、耐磨性及疲勞性能，高速鋼會(huì)降低紅硬性。
▲圖6 40鋼在氮基氣氛中加熱時(shí)的脫碳情況
（加熱溫度850℃，H2=8%~12%+其余N2）
1-H2O/H2=0.065 2-H2O/H2=0.045
3-H1O/H2=0.033 4-H2O/H2=0.025
▼表3 50鋼在空氣電路中加熱3h的氧化情況
2.3 防止和減輕氧化脫碳的措施
防止氧化脫碳的措施圖表4 所示。防止氧化脫碳的有效措施是采用鹽浴爐、保護(hù)氣氛爐或真空加熱爐，如采用空氣爐或燃料爐加熱時(shí)，必須采取適當(dāng)保護(hù)措施，如涂料、包套、裝箱、控制爐氣還原性等。
▼表4 防止氧化脫碳的措施
三、過(guò)熱與過(guò)燒
金屬或合金在熱處理加熱時(shí)，由于溫度過(guò)高，晶粒長(zhǎng)得很大，以致性能顯著降低的現(xiàn)象，稱(chēng)之為過(guò)熱；加熱溫度接近其固相線(xiàn)時(shí)，晶界氧化和開(kāi)始部分熔化的現(xiàn)象，稱(chēng)之為過(guò)燒。
3.1 過(guò)熱
過(guò)熱組織包括結(jié)構(gòu)鋼的晶粒粗大，馬氏體粗大、殘余奧氏體過(guò)多、魏氏組織，高速鋼的網(wǎng)狀碳化物、共晶組織（萊氏體組織）、萘狀斷口、馬氏體不銹鋼的鐵素體過(guò)多、黃銅合金脫鋅使表面出現(xiàn)白灰，酸洗后呈麻面等。
典型的過(guò)熱組織如圖7 所示 。過(guò)熱組織按正常熱處理工藝消除的難易程度，可分為穩(wěn)定過(guò)熱和不穩(wěn)定過(guò)熱兩類(lèi)，一般過(guò)熱組織可通過(guò)正常熱處理消除，稱(chēng)之為不穩(wěn)定過(guò)熱組織。穩(wěn)定過(guò)熱組織是指經(jīng)一般正火、退火和淬火不能完全消除的過(guò)熱組織。
▲圖7 典型過(guò)熱組織形貌
過(guò)熱的重要特征是晶粒粗大，它將降低鋼的屈服強(qiáng)度、塑性、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度，提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。參見(jiàn)圖8、圖9 ，表5、表6 。
▲圖8 晶粒大小對(duì)鋼的屈服強(qiáng)度的影響
▲圖9 晶粒大小對(duì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響
1-C0.02% Ni0.03% 2-C0.02% Ni3.64%
▼表5 晶粒度對(duì)工業(yè)純鐵力學(xué)性能的影響
▼表5 晶粒度對(duì)2135合金疲勞性能的影響
過(guò)熱的另一個(gè)重要特征是淬火馬氏體粗大，它將降低沖擊韌度和耐磨性，增加淬火變形傾向和淬火開(kāi)裂傾向，如圖10、圖11、和表7、表8 所示 。中碳鋼馬上按其形態(tài)和尺寸分為8級(jí)，7、8級(jí)即為過(guò)熱組織。
▲圖10 馬氏體等級(jí)對(duì)沖擊韌度的影響
▲圖11 馬氏體等級(jí)對(duì)耐磨性的影響
▼表7 45鋼及40Cr鋼淬火變形的尺寸變化（0.01mm）
▼表8 45鋼淬裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果
鋼的過(guò)熱缺陷還有魏氏組織、萘狀斷口、石狀斷口等，不僅能大大降低鋼的力學(xué)性能而且很容易產(chǎn)生淬火開(kāi)裂。
各種過(guò)熱組織的特征和預(yù)防措施建表9 。為了防止產(chǎn)生過(guò)熱，應(yīng)正確的制定并實(shí)施合理的熱處理工藝，嚴(yán)格控制爐溫和保溫時(shí)間一般過(guò)熱組織可以通過(guò)多次退火或正火消除，對(duì)于較嚴(yán)重的過(guò)熱組織，如石狀斷口，不能用熱處理消除，必須采用高溫形變和退火聯(lián)合作用才能消除。
▼表8 國(guó)組織特征及預(yù)防挽救措施
3.2 過(guò)燒
過(guò)燒組織包括晶界局部熔化、纖維空洞，鋁合金表面發(fā)黑、起泡、斷口灰色無(wú)光澤，鎂合金表面氧化瘤等。
典型的過(guò)燒組織見(jiàn)圖12 。
圖12 典型的過(guò)燒組織（50A鋼） 150X
過(guò)燒組織使性能?chē)?yán)重惡化，極易產(chǎn)生熱處理裂紋，所以過(guò)燒是不允許產(chǎn)生的熱處理缺陷，一旦出現(xiàn)過(guò)燒，珍貴零件只能報(bào)廢，因此熱處理生產(chǎn)中要嚴(yán)格防止出現(xiàn)過(guò)燒。
四、球化級(jí)別不合格
汽車(chē)、拖拉機(jī)及其他各種機(jī)器都大量使用標(biāo)準(zhǔn)件和緊固件，軸、銷(xiāo)、桿等標(biāo)準(zhǔn)件大多數(shù)使用自動(dòng)車(chē)床車(chē)削加工，而螺栓、螺母、鉚釘?shù)染o固件大多數(shù)采用冷鐓加工，為了提高生產(chǎn)率，適應(yīng)自動(dòng)切削和冷鐓加工，其鋼料的預(yù)備熱處理是退火或球化退火，應(yīng)該對(duì)球化程度予以控制。
自動(dòng)車(chē)削加工要求鋼材具有良好的車(chē)削性能，塑性不能太高， 否則容易“粘刀” 車(chē)屑不斷，希望鋼材組織為片狀珠光體；而冷鐓加工要求鋼材具有良好的冷鐓性能，塑性要好，以保證冷鐓時(shí)不開(kāi)裂，希望鋼材金相組織為球狀珠光體。為此有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5074-91《低、中碳鋼球化率級(jí)別 》來(lái)評(píng)定球化級(jí)別。 以碳化物球化程度評(píng)級(jí)，1級(jí)球化率為0，即珠光體完全是片狀，6級(jí)球化率為100%，即碳化物為完全球化狀態(tài)。冷鐓用中碳鋼一般要求4~6級(jí)，自動(dòng)機(jī)床加工用低、中碳鋼一般要求1~3級(jí)。
低、中碳鋼預(yù)備熱處理的球化不合格將嚴(yán)重影響其冷鐓和自動(dòng)切削性能，球化級(jí)別對(duì)冷鐓性能影響如表10 所示 ，由此可以看出，球化1~3級(jí)冷鐓量大時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂，而在4~6級(jí)則冷鐓時(shí)無(wú)開(kāi)裂，所以冷鐓用鋼球化率控制在4~6級(jí)為合格。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，自動(dòng)化車(chē)削加工用鋼球化率控制在1~3級(jí)時(shí)，零件表面粗糙度合適，帶鋸磨損正常，生產(chǎn)率高；如果球化率超過(guò)3級(jí)，很難進(jìn)行自動(dòng)化機(jī)床加工。
表10 不同級(jí)別金相組織對(duì)預(yù)頂鍛結(jié)果的影響
五、滲碳與碳氮共滲組織
滲碳與碳氮共滲組織缺陷主要有以下幾種：
1）表層碳化物過(guò)多，呈大塊狀或網(wǎng)狀分布；
2）殘余奧氏體量過(guò)多；
3）馬氏體粗大；
4）內(nèi)氧化；
5）黑色組織。
5.1 表層碳化物過(guò)多，呈大塊狀或網(wǎng)狀分布
滲碳件出現(xiàn)大塊狀和粗大網(wǎng)狀碳化物，主要是表層含碳量過(guò)高引起的，如采用滴注法滲碳時(shí)，滴量過(guò)大；可控氣氛滲碳時(shí)，富化劑的量過(guò)多，或者延時(shí)控制系統(tǒng)失靈，采用滲碳后直接淬火時(shí)，預(yù)冷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，淬火溫度過(guò)低，在預(yù)冷時(shí)間里使碳化物沿奧氏體晶界析出。采用一次淬火時(shí)，淬火溫度太低，滲碳預(yù)冷后形成的網(wǎng)狀、塊狀氧化物，在重新加熱時(shí)沒(méi)有消除。此外，滲碳后冷卻太慢也會(huì)形成網(wǎng)狀碳化物。
由于表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高引起上述缺陷時(shí)，可重新在碳勢(shì)較低的氣氛中擴(kuò)散一段時(shí)間來(lái)消除。由于直接加熱淬火和一次淬火溫度過(guò)低而造成上述缺陷時(shí)，可重新加熱到較高的溫度正火，使網(wǎng)狀碳化物溶解，而后在稍高的溫度下淬火來(lái)消除。
為了防止網(wǎng)狀碳化物呈出現(xiàn)，可按下式適當(dāng)?shù)剡x擇強(qiáng)滲期和擴(kuò)散期的比例：
為了預(yù)防網(wǎng)狀或塊狀碳化物，其關(guān)鍵是合理地控制爐內(nèi)碳勢(shì)，并有足夠的擴(kuò)散時(shí)間和適當(dāng)淬火溫度。
5.2 殘余奧氏體量過(guò)多
適量的的殘余奧氏體，能夠提高滲層的韌度，接觸疲勞強(qiáng)度，以及改善嚙合條件，擴(kuò)大接觸面積。但殘余奧氏體量過(guò)多，，常會(huì)伴隨著馬氏體針粗大，導(dǎo)致表面硬度下降，降低耐磨性，對(duì)不同承載能力的滲碳件，殘余奧氏體應(yīng)有一個(gè)最佳范圍，通常認(rèn)為殘余奧氏體量在20%（體積分?jǐn)?shù)）以下是允許的 。
引起殘余奧氏體過(guò)量的原因有以下幾個(gè)方面：
1）鋼種合金元素多。如Cr、Mn、Ti、Mo、W、Ni、等元素融入奧氏體中，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，促使淬火后殘余奧氏體量增多。
2）深層中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高。滲碳?xì)夥仗紕?shì)過(guò)高和滲碳溫度偏高，使溶入奧氏體中的碳含量增加，造成淬火后殘余奧氏體量增多。
3）淬火溫度偏高。加熱溫度越高，溶入奧氏體中的碳和合金元素量越越多，奧氏體穩(wěn)定性提高，殘余奧氏體量增多。
4）淬火溫度偏高，淬火劑溫度愈高馬氏體轉(zhuǎn)變愈不充分，殘余奧氏體量愈多。
為了使殘余奧氏體量適當(dāng)，而又不使馬氏體粗大，應(yīng)合理選擇滲碳鋼，恰當(dāng)調(diào)整爐內(nèi)碳勢(shì)，降低滲碳、淬火和冷卻介質(zhì)的溫度。對(duì)滲層中過(guò)量的殘余奧氏體可采用重新加熱二次淬火和淬火后深冷處理等方法來(lái)消除。
5.3 馬氏體粗大
在正常情況下，滲碳層應(yīng)為回火馬氏體、均勻分布的顆粒狀碳化物和少量的殘余奧氏體。馬氏體的的主要作用是提高表面硬度和強(qiáng)度，它的針葉粗細(xì)和均勻度對(duì)使用性能影響很大。其針愈小，力學(xué)性能，特別是韌度好。相反，馬氏體針愈粗大，性能愈差，工程上將馬氏體針狀組織分為8個(gè)級(jí)別。1級(jí)馬氏體最小，8級(jí)最大，不同零件服役條件不同，對(duì)馬氏體級(jí)別要求也不同，齒輪類(lèi)零件6級(jí)以下為合格，7、8級(jí)為粗大組織，不合格。
馬氏體粗大同滲碳用鋼、滲碳溫度和淬火溫度過(guò)高有關(guān)。鋼中不含細(xì)化晶粒的合金元素如Ti、V、Al、Nb、Zr、 N等元素，或不屬于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼時(shí)，經(jīng)滲碳淬火，則容易出現(xiàn)粗大馬氏體。對(duì)于粗大馬氏體，一般可采用降低一次淬火溫度方法來(lái)解決。
5.4 內(nèi)氧化 在滲碳?xì)夥罩校傆幸欢ê康腛2、H2O、CO2氣體，當(dāng)爐子氣氛中上述分子含量較高，或爐子密封不好，有空氣侵入，或者零件表面有嚴(yán)重氧化皮時(shí)，在滲碳過(guò)程中將發(fā)生內(nèi)氧化。內(nèi)氧化的實(shí)質(zhì)是：在高溫下，吸附在零件表面的氧可沿奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，并與氧有較大親和力的元素（如Ti、Si、Al、Cr）發(fā)生氧化反應(yīng)，形成金屬氧化物，造成氧化物附近基體的合金元素貧化，淬透性變差，淬火組織中出現(xiàn)非馬氏體組織。
典型的非馬氏體組織圖片
零件表面顯微硬度明顯下降。當(dāng)內(nèi)氧化深度小于13μm時(shí)，對(duì)疲勞強(qiáng)度沒(méi)有明顯的影響；當(dāng)大于13μm深度時(shí)，疲勞強(qiáng)度隨內(nèi)氧化層的深度增加而明顯下降。對(duì)20CrMnTi鋼，在2675MPa接觸應(yīng)力條件下，表面30μm左右的非馬氏體層使疲勞壽命下降20% 左右，100μm的非馬氏體層使疲勞壽命下降63%。內(nèi)氧化的存在也影響表面殘余應(yīng)力分布，內(nèi)氧化層愈深，表面張力愈大。
為了減少內(nèi)氧化，應(yīng)選擇不易發(fā)生內(nèi)氧化的鋼。內(nèi)氧化與有些合金元素的存在以及在奧氏體中的含量有關(guān)。圖13 是常用滲碳鋼合金元素氧化趨勢(shì)，從圖中可以看出：Ti、Si、Mn 和 Cr 易被氧化，而W、Mo、Ni、Cu則不被氧化。在含鎳的鋼中，可有效防止鋼的內(nèi)氧化。在Cr-Mo類(lèi)鋼中，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低時(shí)，總是發(fā)現(xiàn)內(nèi)氧化。采用0.5%或更高的鉬，對(duì)防止內(nèi)氧化和提高淬透性非常有益。 當(dāng)Mo/Cr的比值在0.4以下時(shí)，可觀(guān)察到內(nèi)氧化層是深度達(dá)14~20μm；Mo/Cr的比值為1時(shí)，鋼中則觀(guān)察不到內(nèi)氧化現(xiàn)象。對(duì)Cr-Ni-Mo類(lèi)鋼，其中Mo/Cr 比值為0.4，而鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%時(shí)，也不易出現(xiàn)內(nèi)氧化現(xiàn)象。國(guó)外已相繼出現(xiàn)能夠抑制內(nèi)氧化的新型滲碳鋼。
為防止內(nèi)氧化，除了考慮選材外，還可以從工藝上采用以下措施：
1）在滲碳時(shí)，要控制爐氣中O2、CO2、H2O等氣體的含量；減少滲劑中的雜質(zhì)，如硫的含量。
2）滲碳前要將零件表面氧化皮，銹斑清除干凈。
3）在滲碳操作時(shí)，要保證爐子良好的密封性，要保護(hù)爐內(nèi)正壓并穩(wěn)定，防止空氣進(jìn)入爐內(nèi)。
4）排氣期，加大富化氣量或采取其它措施，盡在恢復(fù)爐氣碳勢(shì)。
5）為了減少或者消除內(nèi)氧化不良后果，可在滲碳結(jié)束前向爐內(nèi)通入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~10%的氨氣，只要共滲10分鐘，深入少量的氮，即可恢復(fù)內(nèi)氧化損失的淬透性。
6）可通過(guò)珩磨、磨削加工、點(diǎn)解拋光、噴砂和拋丸處理去除表面氧化物和減小氧化物厚度，這些措施均可減輕或者克服內(nèi)氧化的有害影響。
5.5 黑色組織
工件C、N共滲后，在幾十微米的表層內(nèi)出現(xiàn)許多小黑點(diǎn)或小黑塊，呈不連續(xù)分布，或相連成網(wǎng)狀直通表面，形成黑色網(wǎng)狀組織；或者出現(xiàn)托氏體黑色網(wǎng)帶，這三類(lèi)組織統(tǒng)稱(chēng)“黑色組織”。
黑色組織一般出現(xiàn)在0.1mm的表層內(nèi)，在拋光后未經(jīng)浸蝕的試樣中即可觀(guān)察到，呈斑點(diǎn)狀分布，有時(shí)呈網(wǎng)狀。經(jīng)浸蝕后可見(jiàn)其分布在白色化合物基底上，經(jīng)觀(guān)察證明，黑色色斑點(diǎn)主要由大小不等的孔洞組成。
黑色網(wǎng)狀組織是由合金元素氧化物、托氏體、貝氏體等組成的混合組織，一般為黑色網(wǎng)狀分布在表層的一定深度以?xún)?nèi)。式樣經(jīng)過(guò)拋光不腐蝕就可以看到黑色網(wǎng)狀組織，經(jīng)腐蝕后更加明顯切在最外層出現(xiàn)黑色帶。這主要是由于內(nèi)氧化引起的。
黑色網(wǎng)帶組織與內(nèi)氧化引起的黑色網(wǎng)狀組織不同，它在拋光未經(jīng)浸蝕表面看不見(jiàn)，只有在腐蝕后才能在金相顯微鏡下看到，其特征是在整個(gè)滲層內(nèi)沿奧氏體晶界析出托氏體網(wǎng)；當(dāng)表面有粒狀碳化物時(shí)，在其周?chē)袝r(shí)也可以看到托氏體、貝氏體組織。
滲層中出現(xiàn)黑色組織將大大降低零件的表面硬度、耐腐蝕性、抗彎疲勞強(qiáng)度，從而顯著降低零件的使用壽命。黑色組織對(duì)零件性能的影響程度與黑色組織的嚴(yán)重程度有關(guān)。20CrMnMo、20Cr2Ni4A鋼碳氮共滲的內(nèi)氧化深度大于0.013mm時(shí)，會(huì)使鋼的疲勞極限下降20%~25%。40Cr鋼經(jīng)碳氮共滲后，在0.3-0.4mm的共滲層中存在0.05~0.06mm的淺黑網(wǎng)時(shí)，多次沖擊壽命下降30%~60%，存在黑色帶狀托氏體時(shí)，多次沖擊壽命下降60%~80%。
綜上所述，黑色組織是三種不同組織的統(tǒng)稱(chēng)，由于種類(lèi)不同其形成機(jī)理和產(chǎn)生原因也不同。
5.5.1 黑色點(diǎn)狀組織
通過(guò)掃描電鏡觀(guān)察表明，黑色點(diǎn)狀組織顯示為孔洞，孔洞表面光滑，總的形態(tài)猶如溶洞。這顯然是氣體作用的結(jié)果。孔洞內(nèi)比較干凈，只有曬書(shū)孔洞存在少量孤立的夾雜物，小塊狀的粒子為硅酸鹽夾雜。孔洞中無(wú)任何殘留的氧化物夾雜或碎片。所以孔洞不可能是晶界上形成的氧化物脫落后的殘孔。在孔洞中找不到黑色石墨片或石墨塊殘存痕跡。孔洞表面露出來(lái)的顆粒，是同基體組織結(jié)合在一起的晶界上的碳氮化合物，他們也沒(méi)有分解。
對(duì)深冷脆性斷口的觀(guān)察表明，黑色組織孔洞與氣體析出有關(guān)，不是晶界氧化物或析出的石墨脫落后留下的孔隙。所以造成孔洞的原因，應(yīng)從氮和氫的作用來(lái)考慮。
在800~900℃的共滲溫度下，只會(huì)有碳氮化物的生成，不會(huì)碳氮化合物的分解。在共滲后溫度降低時(shí)，由于這類(lèi)化合物穩(wěn)定性增強(qiáng)，更不能析出氣體氮。所以孔洞的形成不一定與碳氮化合物的生成和分解有必然聯(lián)系。
在共滲溫度下，滲層的基體處于穩(wěn)定的含氮奧氏體狀態(tài)。一般情況下，氮的氣體分子是不易析出的。在某些情況下，如果有氣體析出，不是化合物分解的結(jié)果，而可能是在約600℃~700℃以下過(guò)飽和固溶體的分解。 計(jì)算表明，在600℃時(shí)，平衡氣體氮的壓力為25000MPa，這說(shuō)明在600℃以下的溫度時(shí)，溶解于共滲層中的氮充分析出時(shí)，是有可能造成孔洞的。
在氣體碳氮共滲處理中， 碳原子主要來(lái)源于碳?xì)浠衔铮又饕獊?lái)于氨，二者熱分解后均含有大量的氫。因此鋼不可避免地產(chǎn)生強(qiáng)烈的滲氫過(guò)程。氫的滲入有兩種作用 ，一種作用的直接造成孔洞另一種是間接促成孔洞。后者有兩種可能，第一，滲入鋼中過(guò)量的氫在鋼的內(nèi)部與滲碳體生產(chǎn)甲烷，甲烷在鋼中溶解度極小，不易排除，也往往聚集在晶界上或缺陷處，在這些地方造成孔洞或裂紋。第二，共滲層中溶解的氮的摩爾分?jǐn)?shù)很高，在冷卻過(guò)程中存在析出的趨勢(shì)。氣體氮的析出，必然有氮原子向晶界、缺陷內(nèi)表面擴(kuò)散并和氫結(jié)合呈氧分子的過(guò)程。在低于700℃的溫度下，固溶氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，可以主要依靠氫的作用以形成NH3的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，依靠氨的聚集和壓力增長(zhǎng)，也能在鋼的內(nèi)部形成孔洞。生產(chǎn)實(shí)踐表明，黑色點(diǎn)狀組織在下述條件下容易出現(xiàn)：共滲介質(zhì)中氨氣量過(guò)多，共滲層表面氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%；共滲溫度低，共滲時(shí)間長(zhǎng)等。降低氨的通入量和提高共滲溫度，可以減輕黑色點(diǎn)狀組織的產(chǎn)生。
5.5.2 黑色網(wǎng)狀組織
黑色網(wǎng)狀組織的產(chǎn)生，是由于合金鋼在碳氮共滲氣氛中加熱時(shí)，零件的表面與氣氛中的二氧化碳、氧氣、水蒸氣相互作用而被氧化，形成合金氧化物，使奧氏體中的合金元素貧化，降低了奧氏體的穩(wěn)定性，同時(shí)氧化物又促使擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變的非自發(fā)成核，隨后淬火冷卻時(shí)，這部分合金元素貧化了奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w、貝氏體等飛馬氏體組織。
在碳氮共滲溫度下，鋼中的合金元素與氧的親和力從大到小一次為Al、Ti、V、Mn、Fe、Mo、W、Co、Ni。愈靠前的元素愈易被氧化。。
碳氮共滲層內(nèi)氧化傾向較大與共滲介質(zhì)的氧勢(shì)較大有關(guān)。這是因?yàn)橐喊敝薪?jīng)常含有一定的水分，當(dāng)氨氣干燥不充分時(shí)，水分被帶入爐內(nèi)。碳氮共滲溫度較低，滲劑裂解不完全，產(chǎn)氣量少，排氣速度較慢爐內(nèi)氧化性氣體停留時(shí)間較長(zhǎng)，特別是爐內(nèi)中的CO2、CO、O2與氨氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水蒸氣，進(jìn)一步提高了爐內(nèi)氧勢(shì)。隨著氨氣含量增加，內(nèi)氧化增加。
在實(shí)際碳氮共滲條件下，內(nèi)氧化主要發(fā)生在排氣階段。為了防止內(nèi)氧化，可以采取以下措施：
充分干燥氨氣。定期更換或再生干燥裝置。如果使用滴注式碳氮共滲，應(yīng)嚴(yán)格控制滲劑中的水分含量。
在排氣階段，要采取加速排氣措施。可用氮?dú)狻⑽鼰崾綒夥者M(jìn)行大氣量排氣，或者用大滴量甲醇加速排氣。在排氣初期，要適當(dāng)減少氨氣的供給量。
5.5.3 托氏體黑色網(wǎng)帶組織
托氏體黑色網(wǎng)帶組織產(chǎn)生的原因，也可能是碳氮共滲時(shí)，Cr、Mn等合金元素大量溶入表層的碳氮化合物中，使得奧氏體的合金元素以及碳氮含量降低，使奧氏體穩(wěn)定性降低，同時(shí)這些碳氮化合物起非自發(fā)形核作用，進(jìn)一步加速奧氏體的分解，導(dǎo)致網(wǎng)狀托氏體形成。也有可能是共滲溫度偏低，爐氣活性差，表面含氮量不足，奧氏體不夠穩(wěn)定，或者脫碳而引起的。這類(lèi)托氏體黑網(wǎng)帶經(jīng)重新加熱，快速冷卻淬火，可得到消除。
六、滲氮組織缺陷
6.1 滲氮前原始組織中鐵素體過(guò)多、回火索氏體組織粗大
滲氮前預(yù)備熱處理目的是消除殘余應(yīng)力，減小滲氮件變形；改善組織，使零件心部獲得合適的組織性能，為滲氮做好組織準(zhǔn)備。
滲氮前原始組織對(duì)滲氮后零件質(zhì)量有很大影響，滲氮前原始組織中托氏體量增加，使氮化層脆性增加，用聲發(fā)射彎曲試驗(yàn)方法測(cè)定38CrMoAl鋼滲氮層表面脆性結(jié)果如表11 所示 。
▼表11 原始組織對(duì)滲氮層脆性的影響
此外，原始組織中鐵素體過(guò)多，使預(yù)備熱處理硬度降低，影響滲氮件心部和表面硬度，如表12 所示 。
▼表12 40CrNiMoA鋼預(yù)備熱處理硬度對(duì)滲氮層硬度的影響
滲氮前組織應(yīng)為細(xì)小索氏體和少量游離鐵素體，特別要控制鐵素體的量，在《鋼鐵零件滲氮層原始組織測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》GB/t11354-2005標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)原始組織中游離鐵素體量和索氏體形態(tài)分為5級(jí)，一般1~3級(jí)為合格，原始組織中鐵素體含量不得超過(guò)15%，不允許有粗大索氏體和脫碳層。
防止原始組織中鐵素體量過(guò)多和粗大索氏體組織的措施是嚴(yán)格控制滲氮前的預(yù)備熱處理，一般應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，采用合適的淬火冷卻，并防止溫度過(guò)高，回火溫度一般比滲氮溫度高10℃~50℃。對(duì)于形狀復(fù)雜、尺寸穩(wěn)定性和變形要求嚴(yán)的零件，還應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化處理，其溫度一般等于或高于滲氮溫度。
6.2 化合物層疏松
在氮化特別是氮碳共滲后，滲層的化合物層出現(xiàn)細(xì)小分布的微孔或者孔洞，可在金相顯微鏡下可直接從未經(jīng)腐蝕的氮化層金相拋光面上觀(guān)察到。由于微孔尺寸的大小、數(shù)量和分布不同，對(duì)性能的影響也不同。在GB/T11354-2005標(biāo)準(zhǔn)中，主要根據(jù)表面化合物層內(nèi)微孔的形狀、數(shù)量和密集程度將疏松分為5個(gè)等級(jí)。一般1~3級(jí)合格，4、5級(jí)不合格，因其易起皮、剝落。
化合物層疏松多發(fā)生在氮碳共滲或高氮?jiǎng)蓍L(zhǎng)時(shí)間氣體滲氮的情況下。
氣體氮碳共滲的化合物層疏松，是由于亞穩(wěn)定的高氮相在氮化過(guò)程中發(fā)生分解，析出氮分子而留下氣孔。生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，疏松層的形成與不同爐氣成分的混合比和處理溫度有關(guān)。當(dāng)爐氣中NH3含量的繼續(xù)增加，疏松程度越嚴(yán)重。隨著處理溫度提高，NH3分解率變化，氮?jiǎng)萏岣撸砻媸杷沙潭仍黾印?/span>
氣體滲氮時(shí)，化合物層出現(xiàn)疏松與氨氣純度、滲層平均氮濃度有關(guān)。如氨氣中含有水分，滲層中氮濃度過(guò)高，均易產(chǎn)生疏松。
6.3 針狀組織
化合物層與過(guò)渡層之間出現(xiàn)氮化物這是高氮的 ε 相和 γ′ 相。這些針狀氮化物沿著原鐵素體晶界成一定角度平行生長(zhǎng)。這種缺陷組織與滲氮前的原始組織有關(guān)。如果原始組織中有大塊鐵素體存在，或者表面嚴(yán)重脫碳，則容易出現(xiàn)針狀組織。
針狀組織使化合物層變得很脆，容易剝落。因此，對(duì)滲氮零件應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行氮化前的調(diào)質(zhì)處理，正確進(jìn)行工藝過(guò)程的控制，防止調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中產(chǎn)生嚴(yán)重的脫碳和游離鐵素體過(guò)多的缺陷。在氮化過(guò)程中，要經(jīng)常檢查爐子的密封性，防止漏氣跑氣，保護(hù)爐內(nèi)壓力平穩(wěn)，分解率穩(wěn)定，嚴(yán)格控制氨氣含水量。
6.4 網(wǎng)狀和脈狀氮化物
合金鋼在氮化過(guò)程中，因淡化溫度過(guò)高，氨氣含水量過(guò)多，調(diào)質(zhì)淬火溫度過(guò)高造成的晶粒粗大，零件尖角等都可能形成網(wǎng)狀或脈狀氮化物。根據(jù)擴(kuò)散層中多少形狀、數(shù)量和分布情況，標(biāo)準(zhǔn)GBt11354-2005中將其分為5級(jí)，太長(zhǎng)1~3級(jí)為合格。
擴(kuò)散層中形成的脈狀級(jí)網(wǎng)狀組織，嚴(yán)重影響氮化質(zhì)量，使氮化層脆性增加，耐磨性和疲勞強(qiáng)度下降，極易剝落。為了防止這類(lèi)組織的出現(xiàn)，可以采用下列預(yù)防措施：
1）正確進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。氮化前，一定要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)時(shí)的淬火溫度必須嚴(yán)格控制，過(guò)高的淬火溫度將引起晶粒長(zhǎng)大。調(diào)質(zhì)后的組織應(yīng)該是均勻度晶粒細(xì)小的回火索氏體組織。
2）嚴(yán)格控制氨氣中的水分。采用一級(jí)液氨或采用高效的吸濕劑，降低其水分含量。
3）選擇適當(dāng)?shù)牡瘻囟取５瘻囟炔荒芴撸L(zhǎng)時(shí)間的高溫氮化會(huì)加速網(wǎng)狀或波紋狀氮化物的形成。
4）零件在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免尖角呈銳角，氮化前工件表面不能太粗糙。
當(dāng)?shù)臄U(kuò)散層中已經(jīng)產(chǎn)生網(wǎng)狀或波紋狀氮化物時(shí)，可在500℃~560℃溫度下進(jìn)行10~20h的擴(kuò)散處理，以改善組織，減輕不良影響。
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