上海材料研究所 金相培訓資料-第九章零件表面處理的金相檢驗2009

零件表面處理的金相檢驗上海材料研究所檢測中心上海市金屬材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗站上海時效分析與安全評估中心巴發(fā)海bafahai@163.com概述1、表面處理的目的零件既能耐磨,又不易脆斷。即要求其表面具有較高的硬度，能夠耐磨、耐疲勞、抗咬合和抗腐蝕；又要求心部在保證足夠的強度的前提下仍具有良好的韌性和塑性。2、表面處理技術的方法熱加工方法：熔融或擴散，熱浸鍍、化學熱處理電化學方法：電鍍、陽極氧化化學方法：化學鍍、磷化高真空方法：噴鍍、離子鍍、氣相沉積其他物理方法：激光表面強化bafahai@163.com表面處理的方法1、化學熱處理：將零件與化學物質(zhì)接觸，在高溫下使有關元素進入零件表面的過程。主要方法：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬等；2、表面淬火：零件表面火焰加熱、感應加熱的淬火工藝；3、熱噴涂工藝（例如，電廠風機葉片）bafahai@163.com一、鋼的滲碳層檢驗1、滲碳與滲氮：鋼的碳氮共滲是指同時向鋼件表面滲入碳和氮。碳氮共滲處理范圍很寬從550～950℃。隨著溫度上升；碳的滲入大于氮的滲入，因此日常生產(chǎn)中按溫度的不同分成三種情況，即低溫(500～600℃)、中溫(760～860℃)和高溫(900～950℃)。低溫條件下實際上以氮為主，碳的滲入極少，因此稱為低溫氮碳共滲，又稱軟氮化。高溫條件下以滲碳為主而氮的滲入量極微，故稱為滲碳。只有在中溫條件下碳和氮的滲入量均適當，故稱為碳氮共滲。2、滲碳用鋼：通常為低碳鋼（0.10~0.25%）3、滲碳工藝：氣體滲碳和固體滲碳4、滲碳表面硬度：HRC58~63bafahai@163.com鋼的滲碳層檢驗4、滲碳層的平衡組織第一層：過共析滲碳層，碳濃度0.85~1.10%，組織：片狀珠光體+網(wǎng)狀、半網(wǎng)狀、粒狀碳化物第二層：共析滲碳層，碳濃度約為0.8%左右，組織：片狀珠光體第三層：亞共析過渡層，碳濃度從共析含碳量到心部含碳量，組織：珠光體+鐵素體第四層：心部組織，含碳量0.2%左右，組織：鐵素體+珠光體bafahai@163.com鋼的滲碳層檢驗5、滲碳后淬火、回火組織直接淬火：粗針狀馬氏體+殘余奧氏體，應力大，易開裂一次淬火和低溫回火：滲碳后緩冷零件，再次加熱淬火表層：細針狀馬氏體+少量殘余奧氏體+少量粒狀碳化物心部：低碳馬氏體二次淬火和低溫回火：先一次→二次表層：較細針狀馬氏體+少量殘余奧氏體+少量粒狀碳化物心部：低碳馬氏體bafahai@163.com工藝表層組織目的工藝說明滲碳后直接淬火粗針狀馬氏體及較多的殘余奧氏體可抑制二次網(wǎng)狀滲碳體的析出淬火溫度偏高。降溫淬火法可減少淬火應力，但馬氏體針葉還是比較粗大從滲碳溫度下降到860'C后出爐淬火。有時會有二次滲碳體沿晶界析出一次淬火及低溫回火較細或中等針狀馬氏體及少量殘余奧氏體。有時有少量顆粒狀碳化物存在于表層組織中淬火后不出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體為宜。心部組織以低碳馬氏體為主將滲碳緩冷的零件，再加熱到淬火溫度(一般為840～860℃，保溫后淬火冷卻，最后進行低溫回火處理。應控制在使部分二次滲碳體溶解于奧氏體二次淬火、低溫回火細小針狀馬氏體、少量殘余奧氏體和少量顆粒狀碳化滲碳表層含碳濃度偏高，一次淬火難以消除網(wǎng)狀滲碳體缺陷；細化馬氏體第一次淬火加熱溫度為860～880℃，使網(wǎng)狀碳化物能充分溶解于奧氏體使碳化物不形成網(wǎng)狀；二次加熱溫度一般為780～80℃，心部基體組織一般以低碳馬氏體為主，有時會伴有少量鐵素體、托氏體和貝氏體等bafahai@163.com鋼的滲碳層檢驗6、滲碳層深度的測定剝層化學法——分析碳濃度斷口法金相法顯微硬度法（有效硬化層）bafahai@163.com金相法與硬度法測量過共析層＋共析層＋亞共析層總深度梯度硬度法：從表面到550HVGB/T9450-2005GB/T9451-2005零件是熱處理后最終硬度基體硬度＜450HV時約定仲裁方法注意間距大于壓痕對角線的2.5倍，交叉打滲碳零件的應用（略）bafahai@163.comGB/T9450-2005

鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核——仲裁方法ISO2693:2002,MOD適用于滲碳和碳氮共滲；最終熱處理后距表面3倍于淬火硬化層深度處硬度小于450HV（否則需協(xié)議確定）最終熱處理后據(jù)距表面3倍于淬火硬化層深度處硬度大于450HV本標準仍然有效，以大于550HV的某一特定值為基準試驗力：9.807N（其他試驗力也可需注明）標示例：CHD=0.8mmbafahai@163.com金相法全滲層：測定過共析層、共析層及亞共析過渡層深度之和。過共析層加共析層之和不得小于總深度的40％～70％過共析層、共析層及1/2亞共析過渡層之和作為滲碳層深度。碳鋼、合金鋼滲碳后采用。與斷口法和有效硬化層測定的結(jié)果較接近從表面過共析層一直測量到50％珠光體處為止作為滲碳層深度50％珠光體往往有一個區(qū)域范圍，因此判定界線的誤差較大，還是采用1／2過渡層的方法比較方便正確金相法要求試樣必須為退火態(tài)如為淬火態(tài)必須根據(jù)鋼種按退火工藝進行退火再制備成金相試樣，腐蝕后觀察。方便，準確顯微硬度法也稱有效硬化層深度測定法。在顯微硬度計上采用9．807N(1kgf)載荷，從試樣邊緣起測量顯微硬度值的分布梯度，并根據(jù)GB／T9450—2005(鋼件滲碳淬火有效硬化層深度的測定和校核)規(guī)定計算出有效硬化層深度從滲碳淬火和低溫回火的成品零件上取樣(橫向截面)，并制備成金相試樣。①滲碳和碳氮共滲(有效硬化層為從零件表面到550HV1處的垂直距離)；不能滿足上述條件的鋼件，經(jīng)各方協(xié)商確定有效硬化層深度。②經(jīng)熱處理后，離表面3倍于有效硬化層處硬度<450HV的零件。對于離表面3倍于有效硬化層處硬度>450HV時，可采用比550HV大的界限硬度值(以25HV為一級)來測定bafahai@163.comGB/T9451-2005

鋼件薄表面總硬化層深度或有效硬化層深度的測定ISO4970:1979(E),MOD總硬化層深度或有效硬化層深度＜0.3mm不適用于硬化層和基體層金屬之間無過渡層的零件（例電鍍層）總硬化層深度：表面到顯微硬度或顯微組織沒有明顯變化的距離有效硬化層深度：表面到規(guī)定的某種顯微組織邊界或規(guī)定的顯微硬度值方法：協(xié)商確定，顯微組織法或顯微硬度法（按GB/T9450）試驗力：1.96N~2.94N(0.2~0.3kgf)bafahai@163.com例1滲碳層檢驗實例滲碳層的低倍組織照片，滲碳層厚度約1.1mm。滲碳層的高倍組織照片，其組織為細針狀回火馬氏體+極少量的殘余奧氏體及彌散分布的點粒狀碳化物。1/2R處的低碳馬氏體+少量鐵素體。心部低碳馬氏體+較多鐵素體。bafahai@163.combafahai@163.com例2來樣斷裂螺栓強度級別為10.9級，材料為35CrMo，執(zhí)行標準為ASTMA490M，規(guī)格為M30×150。螺栓表面最終采用涂達克羅和涂漆進行防銹。該螺栓同批生產(chǎn)的有2000多個，成品出廠時抽檢20個做拉力試驗，所檢測指標全部合格，用戶入廠時又抽檢8個做拉力試驗，結(jié)果也全部合格。該螺栓在安裝時預緊力不詳，服役一個多月時發(fā)現(xiàn)有20個螺栓發(fā)生掉頭失效。bafahai@163.com

拉拔→下料→中頻加熱、鐓頭→車支承面凸臺→縮徑→滾螺紋→熱處理（880℃，網(wǎng)帶爐，甲醇氣氛保護，油冷；540℃硝鹽回火180min）→螺紋回絲→表面鍍達克羅→出廠檢驗。bafahai@163.com斷口裂源bafahai@163.com結(jié)論螺栓表面增碳是在熱處理奧氏體化保溫過程中產(chǎn)生的，據(jù)委托者提供的熱處理工藝，該螺栓奧氏體化溫度為880℃，已接近滲碳溫度的下限；另外，該螺栓在熱處理奧氏體化保溫過程中采用甲醇分解氣氛防氧化脫碳，甲醇在高溫厭氧情況下將發(fā)生分解反應生成活性碳原子[C]，分解產(chǎn)物[C]在接近滲碳溫度的高溫環(huán)境中可直接滲入零件表面形成表面增碳。四周受力不均，存在應力集中bafahai@163.com二、鋼碳氮共滲層檢驗1、碳氮共滲的后顯微組織碳氮共滲后緩冷組織第一層：白亮的ε相第二層：共析珠光體層第三層：亞共析過渡層，出現(xiàn)鐵素體。碳氮共滲并淬火回火組織表層：針狀馬氏體+殘余奧氏體+碳氮化合物心部：以低碳馬氏體為主2、碳氮共滲層深度測定：金相法：三層硬度之和硬度法：94509451bafahai@163.com注意經(jīng)氮碳共滲并在表面形成2～3μm化合物層的試樣，若在拋光時邊緣產(chǎn)生倒角，此時在顯微鏡下就觀察不到化合物層。這種制樣的失誤，對碳鋼零件來說，就會被誤判為工藝不良，需要返修處理。但如果是高速鋼氧化層被去掉，則會誤判為優(yōu)良產(chǎn)品。因此，制樣作為檢測的第一步，非常重要。滲碳過程表層也出現(xiàn)脫碳或貧碳缺陷。制備成金相檢驗在表面有幾十微米的白亮脫碳層，主要是由于滲碳工藝不當所致。可通過補滲處理予以挽救。二次滲碳體和鐵素體的區(qū)分：一般采用50～l00g·L-1氫氧化鈉水溶液，將拋光試樣放入后煮沸侵蝕約5～10min，沖洗吹干后觀察，如晶界呈黑色條網(wǎng)，則說明細網(wǎng)是二次滲碳體，如呈白色則為鐵素體。bafahai@163.com三、鋼的滲氮層檢驗滲氮：將氮原子滲入鋼的表面，提高表面硬度和機械性能。滲氮溫度：500~570℃滲氮表面硬度：HRC68~72滲氮用鋼：低碳鋼、合金鋼、鑄鐵等優(yōu)點是處理溫度較低，一般在500—570C之間，而且無需淬火就能硬化，故零件的變形很微小。但滲氮處理(氣體滲氮)周期較長(達30～70h)，且某些鋼(如含鋁鋼)在滲氮后表面脆性較大。滲氮處理按工藝分有氣體滲氮、離子滲氮和低溫氮碳共滲(軟氮化)等。bafahai@163.com相類型特征α氮在鐵中的固溶體γ氮在γ鐵中的間隙固溶體γ’以Fe4N(5.9％N)為基的可變成分的化合物相ε含氮成分變動較寬的鐵氮化合物相ζ以Fe2N為基的可變成分的化合物相鐵-氮二元合金平衡組織bafahai@163.com圖示為20CrMnTi滲氮后的組織。表面為白色ε氮化物，次表面為含氮回火索氏體。氮化層中存在脈狀氮化物（按B/T11354-1989標準，上述氮化層中的氮化物級別評為1級，氮化前的原始組織評為1級。

20CrMnTi脈狀氮化物

bafahai@163.com滲氮層深度測定和金相組織檢驗

GB/T11354-20051、原始組織檢驗按回火索氏體中游離鐵素體數(shù)量分5級放大倍數(shù)：500工件表面不允許有脫碳或粗大回火索氏體組織2、滲氮層深度的測定（硬度法）試驗力：2.94N（0.3Kgf），否則注明有效深度（DN）：表面測至比基體硬度高30～50HV（30－硬度變化平緩）表示：0.25DN300HV0.33、按照GB/T9450和9451進行測試bafahai@163.com滲氮層深度測定和金相組織檢驗

GB/T11354-20053、滲氮層脆性檢驗按維氏硬度壓痕邊角碎裂程度分5級試驗力：98.07N（10Kgf，可協(xié)商）放大倍數(shù)：1004、滲氮層疏松檢驗按表面化合物層內(nèi)微孔的形狀、數(shù)量、密集程度分5級。放大倍數(shù)：500bafahai@163.com滲氮層深度測定和金相組織檢驗

GB/T11354-20055、滲氮擴散層中氮化物檢驗按擴散層中氮化物形態(tài)、數(shù)量、分布情況分為5級放大倍數(shù)：500６、注意：對氣體硬氮化的零件，尤其是典型氮化鋼38CrMoAI，氮化前必須進行調(diào)質(zhì)處理。要求控制鐵素體含量，一般零件1～3級合格，重要者l～2級合格。滲氮工件的工作面不允許有脫碳層或粗大的回火索氏體組織。bafahai@163.com滲氮層檢驗方法方法使用范圍標準測試說明金相法中溫碳氮共滲從表層測至心部組織氣體滲氮、離子滲氮、碳氮共滲（軟氮化）測量方法同上對08、10、20和45鋼等碳素鋼滲氮后擴散層的顯示，試樣必須經(jīng)：300℃回火1h，使氮擴散層中析出Fe4N(γ’相)從而便于深度的測定硬度法中溫碳氮共滲GB/T9450-2005滲層厚度＞0.3mm：同滲碳測定GB/T9451-2005滲層厚度≤0.3mm：測定總硬化層或有效硬化層深度，采用繪制硬度剃度曲線的方法氣體滲氮、離子滲氮、碳氮共滲（軟氮化）GB／T11354—2005測定滲氮層深度，脆性、疏松及脈狀氮化物等規(guī)定采用維氏硬度。試驗力規(guī)定為2.94N(0.3kgf)，從試樣表面測至較基體維氏硬度值高50HV處的垂直距離為滲氮層深度。對于滲氮層硬度變化很平緩的鋼件，如碳鋼或低碳低合金鋼制件，其滲氮層深度可從試樣表面沿垂直方向測至較基體維氏體硬度值高30HV處。在滲氮層深度3倍左右的距離處所測得的硬度值(至少取3點平均)作為實測的基體硬度值測量步驟和結(jié)果表示按GB／T9451—2005和GB／T9451-—2005標準進行bafahai@163.com例３H13氮化參見模具鋼部分bafahai@163.com例4

12Cr1MoV管子失效bafahai@163.com管子使用過程中內(nèi)壁的溫度范圍基本在滲氮的溫度范圍內(nèi)（520～550℃）在此溫度長期使用氮原子就會沿晶界逐漸滲入基體導致內(nèi)壁附近的組織氮化，形成的氮化物使晶界強度大大下降基體變脆。值得說明的是在分解爐運行過程中外壁并沒有滲氮，這是因為外壁溫度較高而且通過的主要是完全分解的N2/H2。此時，氮原子活性極差，不易滲氮。bafahai@163.com四、滲硼檢驗最表面會出現(xiàn)一層呈亮白色鋸齒形硼化物楔入基體中。高碳和高合金鋼滲硼時其硼化物和過渡層的界面較平整，中低碳鋼件滲硼后界面鋸齒形最明顯。隨著合金元素含量的增加，鋸齒形會趨于平緩因此滲硼層的顯微組織從表面至心部依次為FeB→Fe2B→α（γ）→基體組織，即它們由亮白色化合層、過渡層和基體組織三部分組成。硼化物層和過渡層的顯微組織和特征取決于滲硼工藝和基材合金元素及其含量。bafahai@163.com

圖7.13-645#鋼滲硼層組織

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圖7.13-7T8#鋼滲硼層組織

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bafahai@163.com按照下式計算平均深度－平均滲硼層深度另一方法是采取滲硼實際使用的平均有效深度，即分別測到硼化物鋸齒根部處作為有效滲硼層深度。一般滲硼層的深度很淺，以0.1～0.2mm之間為宜。對低、中碳鋼可取上限，高碳、高碳合金和模具鋼等應取下限值，否則容易發(fā)生崩落。bafahai@163.com五、滲金屬層組織檢查用光學金相顯微鏡放大200～800倍檢查組織。滲金屬層厚度測量在制備好的金相試樣上，用帶有測微目鏡的光學顯微鏡測量。一般如滲層厚度>20μm時用200倍，5～20μm時用200～600倍，對<5μm時用600～800倍。對<5μm的極薄層按GB／T945l－2005標準進行。滲層硬度的測量一般在橫截面上進行，參照

GB/T979-2005標準。當滲層厚度<10μm時，可在零件表面上測定，但要求零件表面的粗糙度Rａ≤0.63。每個試樣取3～5個壓痕計算平均值。滲鉻、鋁、釩、鈦、鈮的橫截面，其試驗力選擇0.98N，零件表面選擇0.245N。滲鋅層橫截面選擇試驗力0.496N。bafahai@163.com六、感應加熱表面淬火感應方法加熱速度快、時間短、加熱層淺，通常從加熱到淬火只須幾秒到幾十秒時間。加熱時的相變過程與整體加熱相似，都是經(jīng)過在母相中生核和長大的過程來完成的。由于是快速加熱，因此影響到臨界點和奧氏體的均勻化過程．根據(jù)其頻率，一般可分為高頻、中頻、工頻和超音頻等幾種加熱方式。一般經(jīng)感應加熱并淬火后，其組織可分為三個區(qū)域，即完全淬硬層、過渡層和原始組織。bafahai@163.com圖7.13-9針狀馬氏體、未溶鐵素體和環(huán)繞鐵素體周圍的托氏體

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圖7.13-10亞共析鋼感應加熱淬火后過渡層顯微組織

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bafahai@163.com感應加熱表面淬火層的金相檢驗標準使用范圍檢驗說明JB/T9204-2008鋼件感應淬火金相金相檢驗中碳碳素結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼高、中頻感應淬火后金相組織及有效硬化層深度的檢驗零件經(jīng)淬火、低溫回火后(≤200℃)，放大400倍按其顯微組織從粗馬氏體到微細馬氏體直到出現(xiàn)大塊鐵素體分為10級。硬度下限≥55HRC，3～7級為合格。QC/T502-1999《汽車感應淬火零件金相檢驗》40，45，50，40Cr，40MnB和45Mn2高、中頻感應加熱表面淬火并經(jīng)低溫回火顯微組織分為10級。一般3～7級為合格。JB/T9205-2008<<球墨鑄鐵零件感應淬火金相檢驗》。珠光體的體積分數(shù)不低于65％的球墨鑄鐵零件經(jīng)高、中頻感應淬火并經(jīng)低溫回火(回火溫度≤200~C)硬化層顯微組織及層深進行檢驗顯微組織的特征分為8級，3～6級為合格，1～2級為加熱溫度太高，7～8級為加熱不足

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