零件表面處理后的金相檢驗

1、零件表面處理后的金相檢驗表面處理技術(shù)是在利用現(xiàn)代物理、化學、金屬學等方面的新技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成的一個重要的現(xiàn)代科學體系。表面處理工藝幾乎涉及大部分工業(yè)產(chǎn)品，可獲得許多特殊功能，一般不但使零件的使用壽命延長，而且提高零件的耐磨性、導電性、耐熱性、焊接性、潤滑性等，有的工藝還可以達到裝飾性的目的。表面處理技術(shù)種類繁多，根據(jù)使用方法不同大致可分為五大類：熱加工方法。利用高溫條件下的材料熔融或熱擴散，使零件表面形成鍍覆層。如化學熱處理、熱浸鍍、熱噴鍍、熱燙印等。電化學方法。利用電化學反應，在零件表面上形成鍍湲層。如電鍍、陽極氧化等?；瘜W方法。利用化學物質(zhì)的作用，在不通電的情況下使零件表面形成鍍搜層，主

2、要工藝有化學鍍、化學轉(zhuǎn)化膜處理，如鈍化膜、鋼鐵零件的磷化等。高真空方法。利用材料在高真空下的氣化或受激離了化，而在零件表面形成鍍覆層。如真空蒸發(fā)鍍、濺射鍍、離子鍍、化學氣相鍍、離子注入等。其他物理方法。利用機械的或化學的方法將有關(guān)金屬和非金屬鍍覆于零件表面上。如沖擊鍍、涂裝、激光表面加工等。將零件與化學物質(zhì)接觸，在高溫下使有關(guān)元素進入零件表面的過程稱為化學熱處理，它包括滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬等；將零件表面進行火焰加熱、感應加熱的淬火工藝；以及將熔融狀態(tài)的金屬霧化并連續(xù)地噴射到零件表面的熱噴涂工藝。這些工藝都是使零件的表面一定深度內(nèi)的組織與結(jié)構(gòu)有所改變，金相檢驗就是要對改變了的表層組

3、織進行檢查，以便按照相關(guān)的技術(shù)條件進行評定，以保證表面處理后的零件質(zhì)量。表面處理金相試樣的制備與其他金相試樣制備大致相似。由于檢驗的最重要項目是表層顯微組織觀察和深度測定，試樣邊緣不能有倒角現(xiàn)象，必要時要用鑲嵌法和夾持法來保證樣品邊緣的平整。一般取橫向試樣，并截取零件上最有代表性區(qū)域。檢査零件報壞原因或失效分析時，取樣部位必須在損壞的斷口、裂紋等缺陷附近。一、鋼的滲碳層檢驗1. 滲碳后緩冷狀態(tài)組織低碳鋼滲碳后，表層含碳量的質(zhì)量分數(shù)一般可達0.8%1%，相當于過共析鋼，由高溫緩冷則得到片狀珠光體及呈網(wǎng)狀、半網(wǎng)狀、粒狀碳化物。由表層向基體隨著碳濃度的下降，則為共析滲碳層和亞共析滲碳層，其組織形態(tài)是

4、碳化物、珠光體逐漸減少，而鐵素體逐漸增加。根據(jù)滲碳工藝要求，碳濃度梯度有嚴格要求，在總滲碳層中亞共析過渡層碳的質(zhì)量分數(shù)應占25%50%，以保證隨后進行的淬火工藝質(zhì)量。在判斷過渡區(qū)的組織時應注意二次滲碳體與晶界上少量鐵素體的區(qū)別，一般可用侵蝕試劑法，將滲碳體染色。低合金滲碳鋼與高合金滲碳鋼滲碳后緩冷組織得不到上述的平衡狀態(tài)，其主要區(qū)別是珠光體、滲碳體的粗細，而高合金滲碳鋼18Cr2Ni4WA，表層是高碳馬氏體，過渡層有時會出現(xiàn)針狀貝氏體。2. 滲碳后淬火、回火組織(1）滲碳后直接淬火的組織滲碳工藝是在較高的溫度下進行碳元素的擴散，在這個溫度下得到的是粗針狀馬氏體和較多的殘留奧氏體，此時雖然沿晶界

5、析出的網(wǎng)狀碳化物較少，但淬火應力太大，容易產(chǎn)生裂紋，滲碳后的降溫淬火（如860）可以減少淬火應力，但碳化物析出明顯，馬氏體的針葉仍較為粗大。因此，滲碳后直接淬火工藝，一般選擇用本質(zhì)細晶粒鋼或者合金滲碳鋼，并注意滲碳時表面的碳濃度不要太高。（2）滲碳后一次淬火和低溫回火的組織一次淬火和低溫回火的工藝是：將滲碳后緩冷的零件，再次加熱到淬火溫度（一般840860），保溫后淬火，隨后進行低溫回火。這時在碳濃度最高的表層組織是：較細的針狀馬氏體、少量的殘留奧氏體和少量的顆粒狀碳化物。應注意：淬火后不應出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，馬氏體針葉也應是“中等”長度，心部組織是低碳馬氏體才是合格組織。因此，在一次淬火工藝中的

6、加熱溫度控制至關(guān)重要。（3）滲碳后二次淬火和低溫回火的組織采用二次淬火的目的是消除網(wǎng)狀碳化物及細化表層組織。滲碳后表層碳濃度偏高時，往往出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物組織，而一次淬火對消除這種網(wǎng)狀組織效果不大。同時由于一次淬火一般溫度偏高，馬氏體針較為粗大、殘留奧氏體量多。而第二次淬火選擇加熱溫度一般為780800左右，故在奧氏體充分溶解碳化物后，用油淬可得到較細小的針狀馬氏體、少量殘余奧氏體和少量顆粒狀碳化物的組織。3. 滲碳層深度的測定（1）剝層化學分析法取滲碳隨爐的棒狀試樣，按每次進入深度0.05mm車削分別用化學分析法測定碳含量。這種方法對滲碳中的碳濃度分析較準確，常用于調(diào)試工藝。（2）斷口法在圓試棒

7、上開一環(huán)形缺口，隨爐滲碳后出爐直接淬火，然后打斷。由于滲層碳濃度較高，肉眼觀察斷口呈白色瓷狀細晶粒，用讀數(shù)顯微鏡測量其深度。此法測量誤差較大。（3）金相法將過共析層、共析層及亞共析層之和作為全滲碳層，由于工藝不同碳濃度梯度在共析、過共析區(qū)域的斜率不同，按有關(guān)標準中規(guī)定：過共析層+共析層之和不得小于總滲碳層深度的40%70%，以保證過渡區(qū)不能太陡，在20MnTiBRE鋼的滲碳齒輪的檢驗中就采用這種測全滲層方法。在碳鋼、合金滲碳鋼中，把過共析層、共析層及1/2亞共析層之和作為滲碳層總深度。其結(jié)果與硬度法測定有效硬化層的結(jié)果相近。從滲層表面測量到體積分數(shù)為50%珠光體處作為滲碳層總深度。這種方法在實

8、際操作中，所觀察到的珠光體+鐵素體區(qū)域，往往是參差不齊的，對判定50%珠光體界限誤差較大。等溫淬火后測量滲碳層深度。18Cr2Ni4W鋼屬馬氏體型鋼，它沒有平衡組織，只能在等溫淬火后測其深度。這種鋼滲碳后隨爐冷卻，從表面至心部均為馬氏體，在基體與高碳區(qū)交界處有貝氏體析出，但在金相顯微鏡下觀察其界限不甚清晰。一般是將試樣再加熱到860后，放入280等溫槽，數(shù)分鐘后水淬，這時對含碳量的質(zhì)量分數(shù)大于0.3%的區(qū)域形成淬火馬氏體，而在含碳量近0.3%區(qū)域由于MS點較高則形成回火馬氏體，金相試樣侵蝕后則有明顯的白色（馬氏體）區(qū)和黑色（回火馬氏體）區(qū)的界線。這種方法在柴油機噴油嘴偶件、噴油泵柱塞偶件、噴油

9、泵出油閥偶件等零件中采用。其相關(guān)標準可見JB/T7710-2007薄層碳氮共滲或薄層滲碳鋼件顯微組織檢測等行業(yè)標準。（4）顯微硬度法（有效硬化層深度測定法）顯微硬度法從試樣邊緣起測量顯微硬度值的分布梯度，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的標準規(guī)定判斷滲層深度。對GB/T9450-2005標準的應用應注意：有效硬化層深度是指：從零件表面到維氏硬度值為550HV處的垂直距離。有效硬化層用DC表示，對象可以是滲碳和碳氮共滲，其有效硬化層深度大于0.3mm的零件。零件是經(jīng)過熱處理后的最終硬度。適用于基體硬度小于450HV的零件，標準規(guī)定的基體硬度位置應離表面硬化有效

10、區(qū)域的三倍，即某零件有效硬化層為1mm時，基體硬度應在3mm處?；w硬度大于450HV時，需經(jīng)各方協(xié)商確定有效硬化層深度，一般是釆用以25HV為一檔加到550HV界限硬度值上。在有爭議的情況下，該標準的測量方法是唯一可采用的仲裁方法。與上述標準相關(guān)的GB/T9451-2005鋼件薄表面總硬化層深度或有效硬化層深度的測定，對薄層有效硬化層深度的測定可采用努氏顯微硬度計，長形棱錐壓頭可使測量值精確度大大提高。二、鋼的滲氮層檢驗滲氮處理按工藝分類，有氣體滲氮、離子滲氮和低溫氮碳共滲（軟氮化）等，其中氣體滲氮和離子滲氮兩種工藝所得到的表層組織形態(tài)基本相同。1. 氣體滲氮層顯微組織（1）平衡組織按照鐵-

11、氮二元合金相圖，氮固溶于鐵中形成間隙式固溶體，隨著氮在鐵中固溶質(zhì)量分數(shù)的增加，形成了各種相。相。含氮的鐵素體，在室溫下鐵中能固溶氮的質(zhì)量分數(shù)0.004%，在590時為0.1%。相。含氮奧氏體，是氮在鐵中的間隙固溶體，最大固溶氮的質(zhì)量分數(shù)為2.8%，由于相存在于共析溫度以上，平衡狀態(tài)分解成+共析體，快冷則形成含氮馬氏體。相?；衔锵?，以FeN(=5.9%)為基的可變成分化合物，室溫時氮的質(zhì)量分數(shù)為5.7%6.1%。相。化合物相，是含氮成分變化較寬的鐵氮化合物，其中Fe23N的氮質(zhì)量分數(shù)在8.1%11.1%之間。Fe2N是含氮>11.1%，隨著溫度下降相中將析出相。相。化合物相，以Fe2N為

12、基的可變成分化合物相，含氮量更高可達11.1%11.35%（質(zhì)量分數(shù)）。相是相的變體，高于500時可發(fā)生分解轉(zhuǎn)變?yōu)橄?。由于它的晶格歪扭更加厲害，所以脆性更大，是氮化零件表面不允許出現(xiàn)的相。（2）滲氮層組織純鐵滲氮后緩冷組織，由表面向內(nèi)依次為：（+）（+）。顯微鏡下觀察，表層的薄層侵蝕后為白色的相，次層是針狀的相與基體上的共析體，由于相很“薄”，無法分辨（+）和單獨相。滲氮鋼一般是具有較高淬透性、高強度和韌性的材料，合金元素主要有C、Cr、Mo、Al等。以38CrMoAl鋼最具代表性。零件先進行調(diào)質(zhì)處理，得到回火索氏體組織，530滲氮。表層為白色氮化物層（相），次表層侵蝕后變黑，是氮化擴散層，主

13、要由緩冷相分解的+細小顆粒分布在回火索氏休的相上和AlN、CrN等合金索氏體組成。在相和擴散層之間常有白色的脈狀分布的氮化物組織，由于氮濃度的增加，脈狀組織可以變粗，甚至形成網(wǎng)狀。2. 低溫氮碳共滲顯微組織（1）鐵素體低溫氮碳共滲組織碳鋼在經(jīng)550570進行的氮碳共滲，由于溫度低于共析溫度沒有奧氏體轉(zhuǎn)變，所以表層是白色氮化物層，最表面可能有黑色小點，此為疏松孔洞，是區(qū)別氣體硬氮化與軟氮化的主要特征。適當?shù)氖杷煽锥纯善鸬絻τ妥饔?，提高零件的抗咬合性。?）奧氏體氮碳共滲組織在590共析溫度以上進行氮碳共滲。第一層白色是相化合物，有明顯的黑色疏松微孔；第二層含氮馬氏體，未回火時是白色，回火后呈明顯

14、的含氮馬氏體針；第三層是氮的擴散層。3. 滲氮層組織評定和深度測定檢測滲氮的試樣應是與零件材料、處理條件、表面加工精度相同的同爐試樣。試樣制備過程中不允許磨拋過熱、邊緣倒角和剝落。檢查滲氮層脆性的試樣，表面粗糙度Ra>0.250.63m，不能把化合物層磨掉，GB/T113542005鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗標準，主要用于測定滲氮層深度、脆性、疏松和脈狀氮化物等。（1）原始組織檢驗主要針對38CrMoAl氮化鋼的氣體硬氮化零件，用于滲氮的工件工作表面不允許有脫碳或粗大的回火索氏體組織，氮化前必須進行調(diào)質(zhì)處理，顯微組織為細針狀回火索氏體，要求控制鐵素體含量體積分數(shù)<15%，有些重要零件的鐵素體含量<5%。（2）滲氮層深度的測定硬度法。與前述滲碳層硬度法相似，基體硬度的確定是在滲氮層深度三倍距離處，對于滲氮層硬度變化比較平緩的材料，如碳鋼或低合金鋼零件，從試樣表面沿垂直方向測至較基體維氏硬度值高30HV處。金相法。經(jīng)侵蝕劑侵蝕試樣后，在顯微鏡下觀察主要要區(qū)別基體與氮的擴散層兩種組織的分界線，方能測其深度，對08、10、20鋼等碳素鋼，試樣必須經(jīng)過300回火1h，使擴散層中析出相，這樣觀察分