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1、实验十三实验十三 渗层的组织观察与检验渗层的组织观察与检验(验证性)一、实验目的及要求一、实验目的及要求1掌握渗碳层、碳氮共渗层、氮化层、渗硼层组织的检验和评级方法。 2正确使用金相标准进行评级。二、实验原理二、实验原理为了提高某些机械零件表面的耐磨性、抗蚀性以及抗疲劳性能，而心部仍具有良好的 强度和韧性，工业上一般采用化学热处理来实现。将零件与化学物质接触，在高温下使有 关元素进入零件表面的过程称为化学热处理。包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属 等。 因为这些工艺都是使零件的表面一定深度内的组织与结构有所改变。 金相检验就是对改变了的表层组织进行检查，以便按照相关的技术条件进行评定，以保
2、证 表面处理后的零件质量。 （一）钢的渗碳层的组织检验（一）钢的渗碳层的组织检验1 1、渗碳后缓冷状态的组织、渗碳后缓冷状态的组织低碳钢渗碳后表层含碳量一般在 0.8-1.0%相当于过共析钢。所以渗碳缓冷的组织由三 部分组成。第一层：过共析层，组织为片状珠光体及网状渗碳体。第二层：共析层，组织 为片状珠光体。第三层：亚共析层，组织为片状珠光体及铁素体，铁素体数量愈来愈多至 心部。缓冷条件下，最外层出现网状渗碳体属正常现象，但淬火后应被消除掉，若存在将 使零件表面增加脆性，对应用不利，淬火后不希望存在。2 2、渗碳层深度的测定、渗碳层深度的测定方法有:剥层化学分析法、断口法、金相法、显微硬度法。
3、任讲其中两种方法： （1）金相法：试样在缓冷状态下进行。从试样表面测到过渡层之后为渗层深度，即过共析层+共析层+过渡层。标准规 定过共析层+共析层之和不得小于总渗碳层深度的 40-70%，保证过渡不能太陡，有一定的 坡度。 过共析层+共析层+过渡层之和为渗层深度。优点和断口法有效硬化层相近。等温淬火法，如 18Cr2Ni4W 属马氏体钢，850加热后在 280等温，数分钟后水 冷，含碳量0.3%的区域形成 M，而近于 0.3%的区域 MS 点高形成回火马氏体，试样浸蚀形 成白色区域和黑区的界线。 （2）显微硬度法（淬火、回火件）：显微硬度法，用 9.8N 负荷，以试样边缘起测量 显微硬度值的分
4、布梯度。有效硬化层深度：由表面向里测到 550HV 处的垂直距离。有效硬化层用 DC 表示 （适合于有效硬化层0.3mm 的工件；基体硬度450HV 的工件；基体硬度为有效硬化层 3 倍处，如硬化层为 1mm，基体硬度位置 3mm；基体硬度450HV 时，需协商后，加一级，即 575HV 界限硬度值上。有争议时显微硬度法为仲裁法。3 3渗碳层零件的应用渗碳层零件的应用以汽车渗碳齿轮为例 材料：20CrMnTi 表层渗碳量 0.8-1.0%,取样检验部位齿顶、工作面。 硬度：表面淬火回火后，为 58-62HRC，心部硬度 35-45HRC。 组织：碳化物检验：400，齿角； M 及 A的检验：4
5、00，截圆处，根部；心部 F 的检验。 （二）钢的碳氮共渗层的检验（二）钢的碳氮共渗层的检验 碳和氮两种元素同时渗入金属零件表面的工艺称为碳氮共渗。 碳氮共渗处理的温度范围很宽，从 500950之间均可共渗。根据温度可分为低温、 中温、高温三种碳氮共渗方法。 500600之间为低温碳氮共渗。以渗氮为主，碳的渗入极微，即软氮化。 760860之间为中温碳氮共渗。碳和氮的渗入量均适当，能得到较高的硬度，高 的耐蚀性和良好的抗咬合性等优点。此温度低，工件变形小。 900950之间为高温碳氮共渗。以渗碳为主，氮的渗入量极微小，称为渗碳处理。1 1、碳氮共渗层缓冷后的组织、碳氮共渗层缓冷后的组织零件在碳
6、氮共渗后缓冷的组织由表及里分为三层。 第一层为几微米厚的富氮层，即白亮的 相，较厚时易剥落。 第二层为共析层，组织为 P，并固溶一定的氮。 第三层为过渡层，组织为片状 P+F。2 2、淬火后的组织、淬火后的组织组织为含 N 的 M(N)。有时表层存在一定量的碳氮化合物，呈块状、小条状属正常组织。 若碳氮浓度太高，会出现大块状碳氮化合物，将影响使用。 心部组织为板条 M 或 M+少量 F。3 3、碳氮共渗层深度的测定、碳氮共渗层深度的测定金相法：三层之和，由表面一直测到与心部组织明显交界处。 硬度法：当深度大于 0.3mm 时，与渗碳件相同；当深度小于 0.3mm 时，采用 300g 载荷。 （
7、三）钢的渗氮层的组织检验（三）钢的渗氮层的组织检验按工艺分类，分为气体渗氮、离子渗氮、低温碳氮共渗（软氮化）等。1 1、气体渗氮层显微组织、气体渗氮层显微组织（1）平衡组织按铁氮二元相图，氮固溶于铁中形成间隙式固溶体，随着铁中含氮量的增加形成了各 种相。相：含氮的 F，室温下溶氮 0.004%，590 时为 0.1%。相：含氮 A，是间隙固溶体，最大溶氮为 2.8%，平衡状态为+共析体，快冷为含氮马氏体。相：化合物相。以 Fe4N(WN=5.9%)为基的可变成分化合物，室温时 N 的质量分数为5.76.1%相化合物相：成分变化较宽的 Fe-N 化合物，其中 Fe2-3N 的质量分数为 8.1-
8、13.1%之间； Fe2N11.1%。随温度下降析出相。相化合物：是相的变体。由于晶格畸变更加厉害，脆性大，使零件表面不允许出现的相。 （2）渗氮层组织 氮化层由化合物层（白亮层）和氮扩散层组成，两者之和为氮化层深度。按照铁氮相 图，由表及里氮化组织为、+ 、 、+和五层。、+ 、不易侵蚀，呈白色，称为白亮层。+和侵蚀后呈黑色，称为扩散层。第一层为相（Fe2N） ； 第二层为过共析层， （Fe4N）和高弥散的氮化物质点（AlN、CrN、MoN 等） ； 第三层为共析层和亚共析层，氮化物质点逐渐减少； 心部组织为回火 S。2 2、低温碳氮共渗层组织、低温碳氮共渗层组织碳氮共渗是 Fe-C-N 三
9、元共析温度以下对工件进行碳氮共渗的一种热处理工艺。它以 渗氮为主，碳的渗入极微。显著提高工件的耐磨性、抗咬合性和耐蚀性。 碳氮共渗后的组织为：表层为白色氮化物层和黑色扩散层组成。在白亮化合物层的最 表层存在一层黑色点状微孔疏松区。 这是碳氮共渗的主要组织特征，少量微孔有利于储存润滑油、提高零件的 耐磨性，但大量的疏松孔洞存在将严重影响到零件的性能。3 3、渗氮层组织评定和深度测定、渗氮层组织评定和深度测定 （1）试样要求：和工件同条件，不允许出现过热、倒角和剥落现象。测脆性的 试样表面粗糙度为 Ra0.250.63m(1200#砂纸)。不允许把化合物层磨掉。 （2）主要检验内容有：渗氮层深度，
10、脆性、疏松和脉状氮化物。 （3）原始组织：工件工作表面不允许出现脱碳和粗大回火 S，调质后组织为细针 S回。控 制 F 数量体积分数15%,重要工件 F 含量5%。 （4）渗氮层深度的测定方法：断口法、金相法、显微硬度法、热处理法和热染法。 硬度法（GB/T 11354-89）：采用 2.94N（0.3kgf）载荷，从试样表面测至 50HV 处 的垂直距离为渗氮层深度。基体硬度要在渗氮层深度距离三倍左右处所测得的硬度值（取 三点平均） 。对渗氮层硬度变化很平缓的工件（碳钢或者低碳低合金钢） ，其渗氮层可以沿 试样表面垂直方向测至比基体硬度值高 30HV 处。渗氮层深度用 DN 表示，单位 mm
11、，取小数 点后两位。 金相法：放大 100或 200。从试样表面沿垂直方向测至与基体组织有明显分界 处即为渗层深度。若有争议，硬度法为仲裁法。 （5）渗氮层脆性检验：根据压痕边角碎裂程度分为 5 级。用维氏硬度计，实验力 98.07N（10kgf） ，缓慢加载（98s 内完成） ，保荷 510s 后卸载。特殊情况用 49.03N（5kgf） 、294.21 N（30kgf）,但需要换算。见表实验力 N（kgf）压痕级别换算49.03(5)12344 98.07(10)12345 294.21(30)23455 压痕在 100下进行检验，每件至少测三点，其中两处以上处于相同级别时才能定级，否 则
12、重复测定。一般工件 13 级合格，重要工件 12 级合格。 （6）渗氮层疏松检验：按表面化合物层内微孔的形状、数量、密集程度分为 5 级。在 500下选严重部位，和标准比较，一般 13 级合格，重要件 12 级合格。 （7）渗氮扩散层中氮化物检验 根据氮化物的形状、数量、分布分 5 级，放大 500，取组织最差的部位。一般件 13 级合格，重要件 12 级合格，气体渗氮或离子渗氮，必须进行检验。 （四）钢的渗硼层的组织检验（四）钢的渗硼层的组织检验将硼元素渗入钢表面的化学热处理称为渗硼。工件渗硼后的组织由表及里依次分为FeB-Fe2B-过渡区-基体组织，即由硼化物层，过渡层和基体组织三部分组成
13、。表层 FeB 和 Fe2B 的显微组织呈锯齿或指状插入基体中。锯齿的明显程度取决于钢的 成分。一般低碳钢明显，随钢中碳和合金元素的增多，锯齿变得平坦，使硼化物与基体强 度变弱。 由于硼化物不溶碳，并将碳排入锯齿中间或过渡层面形成 Fe3(BC)化合物。1 1、渗层组织、渗层组织由 FeB 和 Fe2B 双相组成，也可以由 Fe2B 单相组成，呈指状或齿状插入金属基体，齿 间或指间为（Fe、M）XCY相。 用三钾试剂可以区分 FeB 和 Fe2B，FeB 呈棕褐色，Fe2B 被染成浅黄色，基体不变。2 2、渗硼层测定、渗硼层测定层深要求 0.10.2mm，由于硼化物呈锯齿形，JB/T7709-
14、95 标准在金相法中规定了 3 种测定方法。 用于含碳量小于 0.35%的材料。由于峰和谷相差大，视场中测 5 个谷的深度取平均值。 h=(谷 1+ 谷 2+谷 3+谷 4+谷 5)/5 用于含碳量 0.350.60%的材料。渗层为指状，渗层明显。测量时取 5 组峰谷，分别测 量峰和谷的深度，两者平均后再用 5 组平均值。 h=(峰 1+谷 1)/2+ + (峰 5+谷 5)/2 /5 用于含碳量大于 0.60%的材料。渗层略有齿状或波浪状，峰谷不明显。测量时取 5 出较 深层的平均值。h=(h1+h2+h3+h4+h5)/53 3、渗硼层硬度的测定、渗硼层硬度的测定按 GB9790，实验力
15、1.0N，在制备好的试样横截面上选择致密无疏松的位置进行测量。显微硬度范围：FeB 18002300HV；Fe2B 为 13001500HV。在不宜破坏的渗硼工件表面测硬度时，表面粗糙度保证 Ra0.32m,HV 范围为 1200-2000HV。三、实验仪器及材料三、实验仪器及材料1实验仪器 XJG-01 型立式金相显微镜， XJG-02 立式型金相显微镜，XJG-05 型卧式金 相显微镜，4XC 型金相显微镜 2试验材料 渗碳试样、碳氮共渗试样、渗氮试样、渗硼试样四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤1观察渗碳试样、碳氮共渗试样、渗氮试样、渗硼试样的各种状态的显微组织。 2根据每个试样的实验内容画出组织图，在图中注明各组织组成物。 3根据相应检验标准评定级别，标明放大倍数。五、思考题五、思考题1渗碳层平衡状态下共分为哪几层组织？过共析层出现网状 Fe3C 是否属合格？ 2氮化层有哪些相组成？ 3氮化层深度应包括哪些？其测量方法有哪几种？以何种方法为仲裁法？ 4高速钢表面低温碳氮共渗后是否允许有白亮层？为什么？ 5渗硼层中主要是什么相？如何区分？
