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1、零件表面处理的金相检验上海材料研究所检测中心 上海市金属材料质量监督检验站 上海时效分析与安全评估中心 巴发海概述l1、表面处理的目的 零件既能耐磨,又不易脆断。即要求 其表面具有较 高的硬度，能够耐磨、耐疲劳、抗咬合和抗腐蚀 ；又要求心部在保证足够的强度的前提下仍具有 良好的韧性和塑性。l2、表面处理技术的方法热加工方法：熔融或扩散，热浸镀、化学热处理 电化学方法：电镀、阳极氧化 化学方法：化学镀、磷化 高真空方法：喷镀、离子镀、气相沉积 其他物理方法：激光表面强化表面处理的方法l1、化学热处理：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。主要方法：渗碳、渗氮、碳氮 共渗
2、、渗硼、渗金属等；l2、表面淬火：零件表面火焰加热、感 应加热的淬火工艺；l3、热喷涂工艺（例如，电厂风机叶片 ）一、钢的渗碳层检验l1、渗碳与渗氮：钢的碳氮共渗是指同时向钢件表面渗入碳和氮。 碳氮共渗处理范围很宽从550950。随着温度 上升；碳的渗入大于氮的渗入，因此日常生产中 按温度的不同分成三种情况，即低温(500 600)、中温(760860)和高温(900950)。 低温条件下实际上以氮为主，碳的渗入极少，因 此称为低温氮碳共渗，又称软氮化。高温条件下 以渗碳为主而氮的渗入量极微，故称为渗碳。只 有在中温条件下碳和氮的渗入量均适当，故称为 碳氮共渗。 l2、渗碳用钢：通常为低碳钢（
3、0.100.25%）l3、渗碳工艺：气体渗碳和固体渗碳l4、渗碳表面硬度 ：HRC钢的渗碳层检验l4、渗碳层的平衡组织第一层：过共析渗碳层，碳浓度0.851.10%，组 织：片状珠光体+网状、半网状、粒状碳化物第二层：共析渗碳层，碳浓度约为0. 8%左右，组 织：片状珠光体第三层：亚共析过渡层，碳浓度从共析含碳量到 心部含碳量，组织：珠光体+铁素体第四层：心部组织，含碳量0.2%左右，组织：铁 素体+珠光体钢的渗碳层检验l5、渗碳后淬火、回火组织直接淬火：粗针状马氏体+残余奥氏体，应力大， 易开裂一次淬火和低温回火：渗碳后缓冷零件，再次加 热淬火l表层：细针状马氏体+少量残余奥氏体+少量粒状碳
4、化物l心部：低碳马氏体 二次淬火和低温回火：先一次二次l表层：较细针状马氏体+少量残余奥氏体+少量粒状碳化 物l心部：低碳马氏体工艺表层组织目的工艺说明渗碳后直接 淬火粗针状马氏体及较 多的残余奥氏体可抑制二次网状渗 碳体的析出淬火温度偏高。降温淬火法可减少淬火应力， 但马氏体针叶还是 比较粗大从渗碳温度下降到860C后出 炉淬火。有时会有二次渗碳 体沿晶界析出 一次淬火及 低温回火较细或中等针状马 氏体及少量残余奥 氏体。有时有少量 颗粒状碳化物存在 于表层组织 中淬火后不出现网状 渗碳体为宜。心部 组织以低碳马氏体 为主将渗碳缓冷的零件，再加热 到淬火温度(一般为840 860，保温后淬火
5、冷却，最 后进行低温回火处理。应控 制在使部分二次渗碳体溶解 于奥氏体二次淬火、 低温回火细小针状马氏体、 少量残余奥氏体和 少量颗粒状碳化渗碳表层含碳浓度 偏高，一次淬火难 以消除网状渗碳体 缺陷；细化马氏体第一次淬火加热温度为860 880，使网状碳化物能充分 溶解于奥氏体使碳化物不形 成网状；二次加热温度一般 为 78080， 心部基体组织一般以低碳马氏体为主，有时会伴有少量铁素体、托氏体和贝氏体等钢的渗碳层检验l6、渗碳层深度的测定剥层化学法分析碳浓度断口法金相法显微硬度法（有效硬化层）金相法与硬度法l测量过共析层共析层亚共析层总深 度l梯度硬度法：从表面到550HVlGB/T9450
6、-2005 GB/T9451-2005l l零件是热处理后最终硬度零件是热处理后最终硬度l基体硬度450HV时约定l仲裁方法l注意间距大于压痕对角线的2.5倍，交叉打l渗碳零件的应用（略）GB/T9450-2005 钢件渗碳淬火硬化层深度的测定 和校核仲裁方法 lISO2693:2002,MODl适用于渗碳和碳氮共渗；最终热处理后距表 面3倍于淬火硬化层深度处硬度小于450HV（ 否则需协议确定）l最终热处理后据距表面3倍于淬火硬化层深度 处硬度大于450HV本标准仍然有效，以大于 550HV的某一特定值为基准l试验力：9.807N（其他试验力也可需注明）l标示例：CHD=0. 金相法全渗层：
7、测定过共析层、共析层及亚 共析过渡层深度之和。过共析层加共析层之和不得小于总 深度的4070 过共析层、共析层及1/2亚共析过渡层 之和作为渗碳层深度。碳钢、合金钢渗碳后采用。与断口 法和有效硬化层测定的结果较接近 从表面过共析层一直测量到50珠光体 处为止作为渗碳层深度50珠光体往往有一个区域范围， 因此判定界线的误差较大，还是采 用12过渡层的方法比较方便正确 金相法要求试样必须为退火态如为淬火态必须根据钢种按退火工艺进行退 火再制备成金相试样，腐蚀后观察。方便，准确显微硬 度法也称有效硬化层深度测定法。 在显微硬度计上采用9807N(1kgf)载 荷，从试样边缘 起测量显微硬度值的 分布
8、梯度，并根据GBT 94502005( 钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和 校核)规定计算出有效硬化层深度从渗碳淬火和低温回火的成品零件 上取样(横向截面)，并制备成金相 试样。 渗碳和碳氮共渗 (有效硬化层为 从零件表面到550HV1处的垂直距离 )；不能满足上述条件的钢件，经 各方协商确定有效硬化层深度。 经热处 理后，离表面3倍于有效硬 化层处硬度 450HV时，可采用比550HV大的界 限硬度值(以25HV为一级)来测定GB/T9451-2005 钢件薄表面总硬化层深度或有效 硬化层深度的测定lISO4970:1979(E),MODl总硬化层深度或有效硬化层深度0.3mml不适用于硬化
9、层和基体层金属之间无过渡层的零件 （例电镀层）l总硬化层深度：表面到显微硬度或显微组织没有明 显变化的距离l有效硬化层深度：表面到规定的某种显微组织边界 或规定的显微硬度值l方法：协商确定，显微组织法或显微硬度法（按 GB/T9450）l试验力：1.96N2.94N(0.20.3kgf)例1 渗碳层检验实例l渗碳层的低倍组织照片，渗碳层厚度约 1.1mm。渗碳层的高倍组织照片，其组 织为细针状回火马氏体+极少量的残余 奥氏体及弥散分布的点粒状碳化物。 1/2R处的低碳马氏体+少量铁素体。心 部低碳马氏体+较多铁素体。 例2l来样断裂螺栓强度级别为10.9级，材料为 35CrMo，执行标准为AS
10、TM A490M，规格为 M30150。螺栓表面最终采用涂达克罗和涂 漆进行防锈。该螺栓同批生产的有2000多个 ，成品出厂时抽检20个做拉力试验，所检测 指标全部合格，用户入厂时又抽检8个做拉力 试验，结果也全部合格。该螺栓在安装时预 紧力不详，服役一个多月时发现有20个螺栓 发生掉头失效。 拉拔下料中频加热、镦头 车支承面凸台缩径滚螺纹 热处理（880，网带炉，甲醇气氛保护， 油冷；540硝盐回火180min）螺纹回丝 表面镀达克罗出厂检验。 断口裂源结论l螺栓表面增碳是在热处理奥氏体化保温过程 中产生的，据委托者提供的热处理工艺，该 螺栓奥氏体化温度为880，已接近渗碳温度 的下限；另外
11、，该螺栓在热处理奥氏体化保 温过程中采用甲醇分解气氛防氧化脱碳，甲 醇在高温厌氧情况下将发生分解反应生成活 性碳原子C，分解产物C在接近渗碳温度 的高温环境中可直接渗入零件表面形成表面 增碳。 l四周受力不均，存在应力集中 二、钢碳氮共渗层检验l1、碳氮共渗的后显微组织碳氮共渗后缓冷组织l第一层：白亮的相l第二层：共析珠光体层l第三层：亚共析过渡层，出现铁素体。 碳氮共渗并淬火回火组织l表层：针状马氏体+残余奥氏体+碳氮化合物l心部：以低碳马氏体为主l2、碳氮共渗层深度测定：金相法：三层硬度之和 硬度法：9450 注意l经氮碳共渗并在表面形成23m化合物层的试样， 若在抛光时边缘产生倒角，此时
12、在显微镜下就观察 不到化合物层。这种制样的失误，对碳钢零件来说 ，就会被误判为工艺不良，需要返修处理。但如果 是高速钢氧化层被去掉，则会误判为优良产品。因 此，制样作为检测的第一步，非常重要。l渗碳过程表层也出现脱碳或贫碳缺陷。制备成金相 检验在表面有几十微米的白亮脱碳层，主要是由于 渗碳工艺不当所致。可通过补渗处理予以挽救。 l二次渗碳体和铁素体的区分 ：一般采用50l00gL-1 氢氧化钠水溶液，将抛光试样放入后煮沸侵蚀约5 10min，冲洗吹干后观察，如晶界呈黑色条网，则说 明细网是二次渗碳体，如呈白色则为铁素体。 三、钢的渗氮层检验l渗氮：将氮原子渗入钢的表面，提高表面硬度和机 械性能
13、。l渗氮温度：500570l渗氮表面硬度：HRC6872l渗氮用钢：低碳钢、合金钢、铸铁等l优点是处理温度较低，一般在500570C之间，而且 无需淬火就能硬化，故零件的变形很微小。但渗氮 处理(气体渗氮)周期较长(达3070h)，且某些钢(如 含铝钢)在渗氮后表面脆性较大。l渗氮处理按工艺分有气体渗氮、离子渗氮和低温氮 碳共渗(软氮化)等。 相 类 型特征氮在铁中 的固溶体 氮在铁中 的间隙固 溶体 以Fe4N (5.9N) 为基的可 变成分的 化合物相 含氮成分 变动较宽 的铁氮化 合物相 以Fe2N为 基的可变 成分的化 合物相铁-氮二元合金平衡组织 图示为20CrMnTi渗氮后的组织。
14、 表面为白色氮化物，次表面为含氮回火索氏体。氮 化层中存在脉状氮化物（按B/T11354-1989标准， 上述氮化层中的氮化物级别评为1级， 氮化前的原始组织评为1级。20CrMnTi脉状氮化物 渗氮层深度测定和金相组织检验 GB/T11354-2005l1、原始组织检验 按回火索氏体中游离铁素体数量分5级 放大倍数：500 工件表面不允许有脱碳或粗大回火索氏体组织 l2、渗氮层深度的测定（硬度法） 试验力：2.94N（0.3Kgf），否则注明 有效深度（DN）：表面测至比基体硬度高30 50HV（30硬度变化平缓） 表示：0.25DN300HV0.3 l3、按照GB/T9450和9451进行测试渗氮层深度测定和金相组织检验GB/T11354-2005l3、渗氮层脆性检验l按维氏硬度压痕边角碎裂程度分5级试验力：98.07N（10Kgf，可协商） 放大倍数：100l4、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5级。 放大倍数：渗氮层深度测定和金相组织检验GB/T11354-2005l5、渗氮扩散层中氮化物检验按扩散层中氮化物形态、数量、分布情况分为5级放大倍数：500l、注意：对气体硬氮化的零件，尤其是典 型氮化钢38CrMoAI，氮化前必须进行调质处 理。要求控制铁素体含量，一般零件13级 合格，重要者 l2级合格。渗氮工件的工作 面不允许有脱碳
