上海材料研究所 金相培訓(xùn)資料-第九章零件表面處理的金相檢驗(yàn)2009

零件表面處理的金相檢驗(yàn)上海材料研究所檢測(cè)中心上海市金屬材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站上海時(shí)效分析與安全評(píng)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(qiáng)度的前提下仍具有良好的韌性和塑性。2、表面處理技術(shù)的方法熱加工方法：熔融或擴(kuò)散，熱浸鍍、化學(xué)熱處理電化學(xué)方法：電鍍、陽(yáng)極氧化化學(xué)方法：化學(xué)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(qiáng)化bafahai@163.com表面處理的方法1、化學(xué)熱處理：將零件與化學(xué)物質(zhì)接觸，在高溫下使有關(guān)元素進(jìn)入零件表面的過(guò)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(yīng)加熱的淬火工藝；3、熱噴涂工藝（例如，電廠風(fēng)機(jī)葉片）bafahai@163.com一、鋼的滲碳層檢驗(yàn)1、滲碳與滲氮：鋼的碳氮共滲是指同時(shí)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(shí)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(dāng)，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(yàn)4、滲碳層的平衡組織第一層：過(guò)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(guò)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(yàn)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(yīng)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(xì)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(xì)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(shuō)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(yīng)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(shí)會(huì)有二次滲碳體沿晶界析出一次淬火及低溫回火較細(xì)或中等針狀馬氏體及少量殘余奧氏體。有時(shí)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(jìn)行低溫回火處理。應(yīng)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(xì)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(xì)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(shí)會(huì)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(yàn)6、滲碳層深度的測(cè)定剝層化學(xué)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(cè)量過(guò)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(shí)約定仲裁方法注意間距大于壓痕對(duì)角線的2.5倍，交叉打滲碳零件的應(yīng)用（略）bafahai@163.comGB/T9450-2005

鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)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(biāo)準(zhǔn)仍然有效，以大于550HV的某一特定值為基準(zhǔn)試驗(yàn)力：9.807N（其他試驗(yàn)力也可需注明）標(biāo)示例：CHD=0.8mmbafahai@163.com金相法全滲層：測(cè)定過(guò)共析層、共析層及亞共析過(guò)渡層深度之和。過(guò)共析層加共析層之和不得小于總深度的40％～70％過(guò)共析層、共析層及1/2亞共析過(guò)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(cè)定的結(jié)果較接近從表面過(guò)共析層一直測(cè)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(gè)區(qū)域范圍，因此判定界線的誤差較大，還是采用1／2過(guò)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(jìn)行退火再制備成金相試樣，腐蝕后觀察。方便，準(zhǔn)確顯微硬度法也稱有效硬化層深度測(cè)定法。在顯微硬度計(jì)上采用9．807N(1kgf)載荷，從試樣邊緣起測(cè)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(cè)定和校核)規(guī)定計(jì)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(duì)于離表面3倍于有效硬化層處硬度>450HV時(shí)，可采用比550HV大的界限硬度值(以25HV為一級(jí))來(lái)測(cè)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(cè)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(wú)過(guò)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(méi)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(yàn)力：1.96N~2.94N(0.2~0.3kgf)bafahai@163.com例1滲碳層檢驗(yàn)實(shí)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(xì)針狀回火馬氏體+極少量的殘余奧氏體及彌散分布的點(diǎn)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(lái)樣斷裂螺栓強(qiáng)度級(jí)別為10.9級(jí)，材料為35CrMo，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTMA490M，規(guī)格為M30×150。螺栓表面最終采用涂達(dá)克羅和涂漆進(jìn)行防銹。該螺栓同批生產(chǎn)的有2000多個(gè)，成品出廠時(shí)抽檢20個(gè)做拉力試驗(yàn)，所檢測(cè)指標(biāo)全部合格，用戶入廠時(shí)又抽檢8個(gè)做拉力試驗(yàn)，結(jié)果也全部合格。該螺栓在安裝時(shí)預(yù)緊力不詳，服役一個(gè)多月時(shí)發(fā)現(xiàn)有20個(gè)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(tái)→縮徑→滾螺紋→熱處理（880℃，網(wǎng)帶爐，甲醇?xì)夥毡Ｗo(hù)，油冷；540℃硝鹽回火180min）→螺紋回絲→表面鍍達(dá)克羅→出廠檢驗(yàn)。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(guò)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(guò)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(yīng)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(yīng)力集中bafahai@163.com二、鋼碳氮共滲層檢驗(yàn)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(guò)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(cè)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(shí)邊緣產(chǎn)生倒角，此時(shí)在顯微鏡下就觀察不到化合物層。這種制樣的失誤，對(duì)碳鋼零件來(lái)說(shuō)，就會(huì)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(huì)誤判為優(yōu)良產(chǎn)品。因此，制樣作為檢測(cè)的第一步，非常重要。滲碳過(guò)程表層也出現(xiàn)脫碳或貧碳缺陷。制備成金相檢驗(yàn)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(dāng)所致?？赏ㄟ^(guò)補(bǔ)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(shuō)明細(xì)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(yàn)滲氮：將氮原子滲入鋼的表面，提高表面硬度和機(jī)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(diǎn)是處理溫度較低，一般在500—570C之間，而且無(wú)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(zhǎng)(達(dá)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)，上述氮化層中的氮化物級(jí)別評(píng)為1級(jí)，氮化前的原始組織評(píng)為1級(jí)。

20CrMnTi脈狀氮化物

bafahai@163.com滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)

GB/T11354-20051、原始組織檢驗(yàn)按回火索氏體中游離鐵素體數(shù)量分5級(jí)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(cè)定（硬度法）試驗(yàn)力：2.94N（0.3Kgf），否則注明有效深度（DN）：表面測(cè)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(jìn)行測(cè)試bafahai@163.com滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)

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

GB/T11354-20055、滲氮擴(kuò)散層中氮化物檢驗(yàn)按擴(kuò)散層中氮化物形態(tài)、數(shù)量、分布情況分為5級(jí)放大倍數(shù)：500６、注意：對(duì)氣體硬氮化的零件，尤其是典型氮化鋼38CrMoAI，氮化前必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。要求控制鐵素體含量，一般零件1～3級(jí)合格，重要者l～2級(jí)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(yàn)方法方法使用范圍標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試說(shuō)明金相法中溫碳氮共滲從表層測(cè)至心部組織氣體滲氮、離子滲氮、碳氮共滲（軟氮化）測(cè)量方法同上對(duì)08、10、20和45鋼等碳素鋼滲氮后擴(kuò)散層的顯示，試樣必須經(jīng)：300℃回火1h，使氮擴(kuò)散層中析出Fe4N(γ’相)從而便于深度的測(cè)定硬度法中溫碳氮共滲GB/T9450-2005滲層厚度＞0.3mm：同滲碳測(cè)定GB/T9451-2005滲層厚度≤0.3mm：測(cè)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(cè)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(yàn)力規(guī)定為2.94N(0.3kgf)，從試樣表面測(cè)至較基體維氏硬度值高50HV處的垂直距離為滲氮層深度。對(duì)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(cè)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(cè)得的硬度值(至少取3點(diǎn)平均)作為實(shí)測(cè)的基體硬度值測(cè)量步驟和結(jié)果表示按GB／T9451—2005和GB／T9451-—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(guò)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(zhǎng)期使用氮原子就會(huì)沿晶界逐漸滲入基體導(dǎo)致內(nèi)壁附近的組織氮化，形成的氮化物使晶界強(qiáng)度大大下降基體變脆。值得說(shuō)明的是在分解爐運(yùn)行過(guò)程中外壁并沒(méi)有滲氮，這是因?yàn)橥獗跍囟容^高而且通過(guò)的主要是完全分解的N2/H2。此時(shí)，氮原子活性極差，不易滲氮。bafahai@163.com四、滲硼檢驗(yàn)最表面會(huì)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(shí)其硼化物和過(guò)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(huì)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(guò)渡層和基體組織三部分組成。硼化物層和過(guò)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(jì)算平均深度－平均滲硼層深度另一方法是采取滲硼實(shí)際使用的平均有效深度，即分別測(cè)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(duì)低、中碳鋼可取上限，高碳、高碳合金和模具鋼等應(yīng)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(xué)金相顯微鏡放大200～800倍檢查組織。滲金屬層厚度測(cè)量在制備好的金相試樣上，用帶有測(cè)微目鏡的光學(xué)顯微鏡測(cè)量。一般如滲層厚度>20μm時(shí)用200倍，5～20μm時(shí)用200～600倍，對(duì)<5μm時(shí)用600～800倍。對(duì)<5μm的極薄層按GB／T945l－2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。滲層硬度的測(cè)量一般在橫截面上進(jìn)行，參照

GB/T979-2005標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)滲層厚度<10μm時(shí)，可在零件表面上測(cè)定，但要求零件表面的粗糙度Rａ≤0.63。每個(gè)試樣取3～5個(gè)壓痕計(jì)算平均值。滲鉻、鋁、釩、鈦、鈮的橫截面，其試驗(yàn)力選擇0.98N，零件表面選擇0.245N。滲鋅層橫截面選擇試驗(yàn)力0.496N。bafahai@163.com六、感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)方法加熱速度快、時(shí)間短、加熱層淺，通常從加熱到淬火只須幾秒到幾十秒時(shí)間。加熱時(shí)的相變過(guò)程與整體加熱相似，都是經(jīng)過(guò)在母相中生核和長(zhǎng)大的過(guò)程來(lái)完成的。由于是快速加熱，因此影響到臨界點(diǎn)和奧氏體的均勻化過(guò)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(yīng)加熱并淬火后，其組織可分為三個(gè)區(qū)域，即完全淬硬層、過(guò)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(yīng)加熱淬火后過(guò)渡層顯微組織

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bafahai@163.com感應(yīng)加熱表面淬火層的金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)使用范圍檢驗(yàn)說(shuō)明JB/T9204-2008鋼件感應(yīng)淬火金相金相檢驗(yàn)中碳碳素結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼高、中頻感應(yīng)淬火后金相組織及有效硬化層深度的檢驗(yàn)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(xì)馬氏體直到出現(xiàn)大塊鐵素體分為10級(jí)。硬度下限≥55HRC，3～7級(jí)為合格。QC/T502-1999《汽車感應(yīng)淬火零件金相檢驗(yàn)》40，45，50，40Cr，40MnB和45Mn2高、中頻感應(yīng)加熱表面淬火并經(jīng)低溫回火顯微組織分為10級(jí)。一般3～7級(jí)為合格。JB/T9205-2008<<球墨鑄鐵零件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》。珠光體的體積分?jǐn)?shù)不低于65％的球墨鑄鐵零件經(jīng)高、中頻感應(yīng)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(jìn)行檢驗(yàn)顯微組織的特征分為8級(jí)，3～6級(jí)為合格，1～2級(jí)為加熱溫度太高，7～8級(jí)為加熱不足

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