零件表面处理后的金相检验

1、零件表面处理后的金相检验表面处理技术是在利用现代物理、化学、金属学等方面的新技术的基础上，形成的一个重要的现代科学体系。表面处理工艺几乎涉及大部分工业产品，可获得许多特殊功能，一般不但使零件的使用寿命延长，而且提高零件的耐磨性、导电性、耐热性、焊接性、润滑性等，有的工艺还可以达到装饰性的目的。表面处理技术种类繁多，根据使用方法不同大致可分为五大类：热加工方法。利用高温条件下的材料熔融或热扩散，使零件表面形成镀覆层。如化学热处理、热浸镀、热喷镀、热烫印等。电化学方法。利用电化学反应，在零件表面上形成镀湲层。如电镀、阳极氧化等。化学方法。利用化学物质的作用，在不通电的情况下使零件表面形成镀搜层，主

2、要工艺有化学镀、化学转化膜处理，如钝化膜、钢铁零件的磷化等。高真空方法。利用材料在高真空下的气化或受激离了化，而在零件表面形成镀覆层。如真空蒸发镀、溅射镀、离子镀、化学气相镀、离子注入等。其他物理方法。利用机械的或化学的方法将有关金属和非金属镀覆于零件表面上。如冲击镀、涂装、激光表面加工等。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，它包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等；将零件表面进行火焰加热、感应加热的淬火工艺；以及将熔融状态的金属雾化并连续地喷射到零件表面的热喷涂工艺。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，金相检验就是要对改变了的表层组

3、织进行检查，以便按照相关的技术条件进行评定，以保证表面处理后的零件质量。表面处理金相试样的制备与其他金相试样制备大致相似。由于检验的最重要项目是表层显微组织观察和深度测定，试样边缘不能有倒角现象，必要时要用镶嵌法和夹持法来保证样品边缘的平整。一般取横向试样，并截取零件上最有代表性区域。检査零件报坏原因或失效分析时，取样部位必须在损坏的断口、裂纹等缺陷附近。一、钢的渗碳层检验1. 渗碳后缓冷状态组织低碳钢渗碳后，表层含碳量的质量分数一般可达0.8%1%，相当于过共析钢，由高温缓冷则得到片状珠光体及呈网状、半网状、粒状碳化物。由表层向基体随着碳浓度的下降，则为共析渗碳层和亚共析渗碳层，其组织形态是

4、碳化物、珠光体逐渐减少，而铁素体逐渐增加。根据渗碳工艺要求，碳浓度梯度有严格要求，在总渗碳层中亚共析过渡层碳的质量分数应占25%50%，以保证随后进行的淬火工艺质量。在判断过渡区的组织时应注意二次渗碳体与晶界上少量铁素体的区别，一般可用侵蚀试剂法，将渗碳体染色。低合金渗碳钢与高合金渗碳钢渗碳后缓冷组织得不到上述的平衡状态，其主要区别是珠光体、渗碳体的粗细，而高合金渗碳钢18Cr2Ni4WA，表层是高碳马氏体，过渡层有时会出现针状贝氏体。2. 渗碳后淬火、回火组织(1）渗碳后直接淬火的组织渗碳工艺是在较高的温度下进行碳元素的扩散，在这个温度下得到的是粗针状马氏体和较多的残留奥氏体，此时虽然沿晶界

5、析出的网状碳化物较少，但淬火应力太大，容易产生裂纹，渗碳后的降温淬火（如860）可以减少淬火应力，但碳化物析出明显，马氏体的针叶仍较为粗大。因此，渗碳后直接淬火工艺，一般选择用本质细晶粒钢或者合金渗碳钢，并注意渗碳时表面的碳浓度不要太高。（2）渗碳后一次淬火和低温回火的组织一次淬火和低温回火的工艺是：将渗碳后缓冷的零件，再次加热到淬火温度（一般840860），保温后淬火，随后进行低温回火。这时在碳浓度最高的表层组织是：较细的针状马氏体、少量的残留奥氏体和少量的颗粒状碳化物。应注意：淬火后不应出现网状碳化物，马氏体针叶也应是“中等”长度，心部组织是低碳马氏体才是合格组织。因此，在一次淬火工艺中的

6、加热温度控制至关重要。（3）渗碳后二次淬火和低温回火的组织采用二次淬火的目的是消除网状碳化物及细化表层组织。渗碳后表层碳浓度偏高时，往往出现网状碳化物组织，而一次淬火对消除这种网状组织效果不大。同时由于一次淬火一般温度偏高，马氏体针较为粗大、残留奥氏体量多。而第二次淬火选择加热温度一般为780800左右，故在奥氏体充分溶解碳化物后，用油淬可得到较细小的针状马氏体、少量残余奥氏体和少量颗粒状碳化物的组织。3. 渗碳层深度的测定（1）剥层化学分析法取渗碳随炉的棒状试样，按每次进入深度0.05mm车削分别用化学分析法测定碳含量。这种方法对渗碳中的碳浓度分析较准确，常用于调试工艺。（2）断口法在圆试棒

7、上开一环形缺口，随炉渗碳后出炉直接淬火，然后打断。由于渗层碳浓度较高，肉眼观察断口呈白色瓷状细晶粒，用读数显微镜测量其深度。此法测量误差较大。（3）金相法将过共析层、共析层及亚共析层之和作为全渗碳层，由于工艺不同碳浓度梯度在共析、过共析区域的斜率不同，按有关标准中规定：过共析层+共析层之和不得小于总渗碳层深度的40%70%，以保证过渡区不能太陡，在20MnTiBRE钢的渗碳齿轮的检验中就采用这种测全渗层方法。在碳钢、合金渗碳钢中，把过共析层、共析层及1/2亚共析层之和作为渗碳层总深度。其结果与硬度法测定有效硬化层的结果相近。从渗层表面测量到体积分数为50%珠光体处作为渗碳层总深度。这种方法在实

8、际操作中，所观察到的珠光体+铁素体区域，往往是参差不齐的，对判定50%珠光体界限误差较大。等温淬火后测量渗碳层深度。18Cr2Ni4W钢属马氏体型钢，它没有平衡组织，只能在等温淬火后测其深度。这种钢渗碳后随炉冷却，从表面至心部均为马氏体，在基体与高碳区交界处有贝氏体析出，但在金相显微镜下观察其界限不甚清晰。一般是将试样再加热到860后，放入280等温槽，数分钟后水淬，这时对含碳量的质量分数大于0.3%的区域形成淬火马氏体，而在含碳量近0.3%区域由于MS点较高则形成回火马氏体，金相试样侵蚀后则有明显的白色（马氏体）区和黑色（回火马氏体）区的界线。这种方法在柴油机喷油嘴偶件、喷油泵柱塞偶件、喷油

9、泵出油阀偶件等零件中采用。其相关标准可见JB/T7710-2007薄层碳氮共渗或薄层渗碳钢件显微组织检测等行业标准。（4）显微硬度法（有效硬化层深度测定法）显微硬度法从试样边缘起测量显微硬度值的分布梯度，根据GB/T9450-2005钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和校核的标准规定判断渗层深度。对GB/T9450-2005标准的应用应注意：有效硬化层深度是指：从零件表面到维氏硬度值为550HV处的垂直距离。有效硬化层用DC表示，对象可以是渗碳和碳氮共渗，其有效硬化层深度大于0.3mm的零件。零件是经过热处理后的最终硬度。适用于基体硬度小于450HV的零件，标准规定的基体硬度位置应离表面硬化有效

10、区域的三倍，即某零件有效硬化层为1mm时，基体硬度应在3mm处。基体硬度大于450HV时，需经各方协商确定有效硬化层深度，一般是釆用以25HV为一档加到550HV界限硬度值上。在有争议的情况下，该标准的测量方法是唯一可采用的仲裁方法。与上述标准相关的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，对薄层有效硬化层深度的测定可采用努氏显微硬度计，长形棱锥压头可使测量值精确度大大提高。二、钢的渗氮层检验渗氮处理按工艺分类，有气体渗氮、离子渗氮和低温氮碳共渗（软氮化）等，其中气体渗氮和离子渗氮两种工艺所得到的表层组织形态基本相同。1. 气体渗氮层显微组织（1）平衡组织按照铁-

11、氮二元合金相图，氮固溶于铁中形成间隙式固溶体，随着氮在铁中固溶质量分数的增加，形成了各种相。相。含氮的铁素体，在室温下铁中能固溶氮的质量分数0.004%，在590时为0.1%。相。含氮奥氏体，是氮在铁中的间隙固溶体，最大固溶氮的质量分数为2.8%，由于相存在于共析温度以上，平衡状态分解成+共析体，快冷则形成含氮马氏体。相。化合物相，以FeN(=5.9%)为基的可变成分化合物，室温时氮的质量分数为5.7%6.1%。相。化合物相，是含氮成分变化较宽的铁氮化合物，其中Fe23N的氮质量分数在8.1%11.1%之间。Fe2N是含氮>11.1%，随着温度下降相中将析出相。相。化合物相，以Fe2N为

12、基的可变成分化合物相，含氮量更高可达11.1%11.35%（质量分数）。相是相的变体，高于500时可发生分解转变为相。由于它的晶格歪扭更加厉害，所以脆性更大，是氮化零件表面不允许出现的相。（2）渗氮层组织纯铁渗氮后缓冷组织，由表面向内依次为：（+）（+）。显微镜下观察，表层的薄层侵蚀后为白色的相，次层是针状的相与基体上的共析体，由于相很“薄”，无法分辨（+）和单独相。渗氮钢一般是具有较高淬透性、高强度和韧性的材料，合金元素主要有C、Cr、Mo、Al等。以38CrMoAl钢最具代表性。零件先进行调质处理，得到回火索氏体组织，530渗氮。表层为白色氮化物层（相），次表层侵蚀后变黑，是氮化扩散层，主

13、要由缓冷相分解的+细小颗粒分布在回火索氏休的相上和AlN、CrN等合金索氏体组成。在相和扩散层之间常有白色的脉状分布的氮化物组织，由于氮浓度的增加，脉状组织可以变粗，甚至形成网状。2. 低温氮碳共渗显微组织（1）铁素体低温氮碳共渗组织碳钢在经550570进行的氮碳共渗，由于温度低于共析温度没有奥氏体转变，所以表层是白色氮化物层，最表面可能有黑色小点，此为疏松孔洞，是区别气体硬氮化与软氮化的主要特征。适当的疏松孔洞可起到储油作用，提高零件的抗咬合性。（2）奥氏体氮碳共渗组织在590共析温度以上进行氮碳共渗。第一层白色是相化合物，有明显的黑色疏松微孔；第二层含氮马氏体，未回火时是白色，回火后呈明显

14、的含氮马氏体针；第三层是氮的扩散层。3. 渗氮层组织评定和深度测定检测渗氮的试样应是与零件材料、处理条件、表面加工精度相同的同炉试样。试样制备过程中不允许磨抛过热、边缘倒角和剥落。检查渗氮层脆性的试样，表面粗糙度Ra>0.250.63m，不能把化合物层磨掉，GB/T113542005钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验标准，主要用于测定渗氮层深度、脆性、疏松和脉状氮化物等。（1）原始组织检验主要针对38CrMoAl氮化钢的气体硬氮化零件，用于渗氮的工件工作表面不允许有脱碳或粗大的回火索氏体组织，氮化前必须进行调质处理，显微组织为细针状回火索氏体，要求控制铁素体含量体积分数<15%，有些重要零件的铁素体含量<5%。（2）渗氮层深度的测定硬度法。与前述渗碳层硬度法相似，基体硬度的确定是在渗氮层深度三倍距离处，对于渗氮层硬度变化比较平缓的材料，如碳钢或低合金钢零件，从试样表面沿垂直方向测至较基体维氏硬度值高30HV处。金相法。经侵蚀剂侵蚀试样后，在显微镜下观察主要要区别基体与氮的扩散层两种组织的分界线，方能测其深度，对08、10、20钢等碳素钢，试样必须经过300回火1h，使扩散层中析出相，这样观察分