1、表面改性技術實驗指導書劉 勇 田保紅 編工程材料實驗教學中心2006年3月實驗一 鋼滲碳后的組織觀察滲碳層標定及熱處理后組織評定一、 實驗目的1、 掌握滲碳層的深度的測定方法2、 了解工件滲碳層中碳化物、殘余奧氏體和馬氏體及心部鐵素體的評級標準及缺陷組織。二、 概述滲碳是目前機械制造工業中應用最廣泛的一種化學熱處理方法，其工藝特點是將低碳鋼或低碳合金鋼零件在增碳的活性介質（滲碳劑）中加熱到高溫（900-950），使碳原子滲入表面層，繼之以淬火并低溫回火，使零件表層與心部具有不同成分、組織與性能。低碳鋼經滲碳后，在緩慢冷卻的條件下，滲碳層的組織基本上與Fe-Fe3C 狀態圖上各相區相對應，即由表

2、面到中心依次為過共析區（滲碳體呈網狀、粒狀或塊狀），共析區，亞共析區（即過渡層），中心組織即為原始組織。如圖1所示心部 亞共析 F+P共析P過共析P+Fe3CII圖1 低碳鋼工件滲碳緩冷的滲碳層組織將滲碳后的鋼件進行淬火，其金相組織由表及里依次為：馬氏體+少量碳化物+殘余奧氏體®馬氏體+殘余奧氏體®低碳馬氏體（心部）。若工件尺寸較大未能淬透，心部將得到屈氏體或索氏體組織。合金鋼滲碳淬火后在滲碳層中還可能出現貝氏體組織。滲碳件的質量檢查1、滲碳層深度工件滲碳后并在淬火前需要檢查滲碳層的深度，檢查方法有以下幾種：（1） 宏觀斷口法將滲碳層試樣從滲碳爐中取出，自滲碳溫度立即淬火，

3、然后打斷，斷口上滲碳層部分呈銀白色瓷狀，未滲碳部分則為灰色纖維狀，交界處的含碳量約為0.4%，這樣就能粗略地估計出滲碳層的深度。為了更好地顯現滲碳層深度，可將試樣斷口磨平，用4%硝酸酒精浸蝕，腐蝕后滲碳層呈暗黑色，中心部分呈灰色，亦可粗略地測出滲碳層的深度，這種方法適用于淬火狀態，也適用于退火狀態。但是此種方法只能粗略地估計滲碳層的深度。（2） 金相顯微組織法此法測量滲碳層深度，對低碳鋼淬火的試樣要進行正火，對低碳合金鋼淬火的試樣要進行等溫退火，常用的滲碳鋼種正火、退火工藝列于表1。目前對測量滲碳層深度的標準還不一致，現在常用的測量標準有：過共析+共析。這種測量方法采用較少，它適用于要求表面耐

4、磨而心部機械性能要求不高的產品。過共析+共析+亞共析。過共析+共析+亞共析的1/2。過共析+共析+亞共析的1/3。過共析+共析+亞共析的2/3。自表面測量至碳含量相當于40鋼，即鐵素體和珠光體各50%處。自表面測量至心部原始組織（合金滲碳鋼）。滲碳淬火后直接測量法。這種方法只適用于低碳馬氏體鋼，如18Cr2Ni4WA屬于此類鋼，對于珠光體類型鋼很少采用。表1 不同材料滲碳試樣處理工藝內容材料熱處理工藝加熱等溫溫度時間/分溫度/時間/分冷卻條件10、15、20鋼850-86020分空冷15Cr、20Cr850-86015-20分65010-30分空冷20CrMnTi20CrMnMo850-860

5、15-20分640空冷20MnTiB850-86015-20分640-650空冷22CrMnMo30CrMnTi850-86015-20分640-650空冷12Cr2Ni4A850-86015-20分620空冷182Cr2Ni4WA850-86015-20分270-280空冷22Cr2Ni4A850-86015-20分270-280空冷對于碳素滲碳鋼來說，大多從表面測至過渡區1/2處為止，該處碳含量相當于40鋼（平均0.4%C左右）,即方法(6)對于拖拉機零件滲碳層可分為兩部分：共析層深度：系指自樣品表面量至最初發現鐵素體的厚度。總層深度：系指自樣品表面量至心部原始組織的整個厚度。一般規定：滲

6、碳后不經磨削加工的零件，共析層深度應大于總滲層深度40%。滲碳后經磨削加工的零件，共析層深度應大于總滲層深度50%。（3） 等溫淬火法高合金滲碳鋼自滲碳溫度緩冷后，在滲碳層內仍有部分馬氏體轉變，妨礙精確測定碳層深度。為此，可采用等溫淬火法來測量滲碳層深度。這種方法是利用表面與中心奧氏體含碳量不同所具有不同的Ms點的特點，來選擇等級溫淬火的等溫溫度先確定滲碳層深度應測至何種含碳量（如0.3%C）。然后以此含碳量的Ms作為等級溫溫度，試樣在此溫度停留一段時間后再冷卻至室溫。由于試樣心部Ms點高于等溫溫度，等溫時使心部已發生馬氏體轉變的部分被回火，浸蝕后心部呈黑色，而滲碳層的Ms點低于等溫溫度因此在

7、隨后的冷卻時才得到淬火馬氏體組織，浸蝕后呈白亮色，故可測定白亮層深度即為滲碳層深度。（4） 化學分析法化學分析法：化學分析法的精度最高，但取試樣復雜，分析時間較長，在平常不采用，只有在試驗新的滲碳工藝和調整工藝時才應用。剝層化學分析法是取一根（f25mm´150mm）圓鋼作為滲碳試樣，滲碳后在車床上由表面向里分層車削取樣（每層）。稱樣并在定碳儀上分析，最后繪出碳濃度及深度的分布曲線。在進行車削試樣時，必須將車床清洗干凈，手要洗干凈，所用的一切用具均要清洗，否則有油污或其它有機物質等，都會影響分析結果的精確度。（5） 為了與國際標準統一，我國已頒發了相應的標準，即以“有效滲碳層深”作為

8、評定依據，有效滲碳層深指滲碳、淬火。再于150-170回火處理的工件由表面到HV=550處的距離。該層深是以工件表面強化作用的有效深度。2、硬度應根據技術規定檢查硬度，一般要求檢查淬火并低溫回火后的表面與心部硬度，有的還規定硬度檢查部位，例如：汽車、拖拉機的滲碳齒輪規定表面硬度，以齒頂表面為準，硬度值為HRC52-63，心部硬度檢查部位為距齒頂2/3齒高處（見圖2所示），硬度值為33-42HRC。3、金相組織滲碳標準評定：低碳鋼適用于一般零件，經滲碳淬火后只測其層深不作組織評定，而低價合金鋼滲碳淬火后均作全面的評定。現在已經對齒輪滲碳鋼和內燃機系統的精密偶件油嘴滲碳鋼已擬定了標準，僅以拖拉機滲

9、碳齒輪（材料為：20CrMnTi、20CrMnMo）為例，作一介紹。（1）原材料（鍛造正火）評級標準：在正火狀態下評定，試樣應沿壓延方向切樣，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，在100倍的視場下用比較的方法參看標準金相照片評定。共分12級，1-6級合格，7-12級不合格。該標準等級說明如下：1級均勻分布珠光體細晶粒。2級稍有不均勻分布的珠光體晶粒。3級珠光體細晶粒及個別粗大的珠光體晶粒。4級帶有魏氏組織痕跡的珠光體晶粒。5級稍有帶狀不均勻的珠光體晶粒。6級略呈帶狀的組織。7級中等的及粗大的不均勻的珠光體晶粒。8級粗大的珠光體晶粒（鍛造狀態）。9級細小明顯帶狀的珠光體晶粒。10級帶狀組織及過熱痕跡。11級

10、粗的帶狀組織。12級帶狀組織中鐵素體偏析。（2）滲碳層碳化物評級標準在淬火回火狀態下評定試樣應在橫斷面切取（垂直于齒輪的工作面包括齒輪頂到齒根政企部分），用4%硝酸酒精溶液浸蝕，使其顯露組織，評級部位均在齒輪齒頂角處進行，在400倍下觀察，根據碳化物的形狀、大小、數量及其頒布狀況。用與標準金相照片進行比較的方法評級。該標準共分8級（見拖拉機滲碳零件金相檢查標準）。對常嚙合齒輪1-6級合格，7級返修，8級廢品，對非常嚙合齒輪（如換檔齒輪）：1-5級合格，6-7級返修，8級廢品，該標準等級說明如下：1級碳化物基本沒有或呈細小粒狀分布。2級碳化物表面處呈小塊狀，分布較淺。3級碳化物呈小塊狀，分布較深

11、。4級碳化物呈中等塊狀，分布較深。5級碳化物呈中等塊狀，分布較深，個別處呈斷續網絡狀。6級碳化物呈粗大塊狀，分布較深，個別處呈斷續網絡狀。7級碳化物呈斷續網狀，分布較淺。8級碳化物呈連續網狀，分布較深。（3）殘余奧氏體和馬氏體評級標準：在滲碳淬火或淬火 回火狀態下評定。試樣應在齒的整個橫斷面切取，采用4%硝酸酒精溶液使其顯露組織。評級部位均在齒輪齒部最嚴重處進行（多以齒面的節園附近處為準）。放大400倍下觀察，根據殘余奧氏體量的多少和馬氏體針的大小，對照標準金相照片，進行比較評定。標準共分8級（見拖拉機滲碳零件金相檢查標準），1-6級合格，7-8級返修。（4）心部鐵體評級標準：以滲碳淬火或淬火

12、回火狀態下進行評定。試樣采用4%硝酸酒精溶液使其顯露組織。評級部位應與齒心硬度測定部位相吻合（即距齒頂2/3齒高處，見圖2所示）。在放大400倍下觀察。根據鐵素體的形狀、數量及其大小，以照標準金相照片，進行比較評定，標準共分6級（見拖拉機滲碳零件金相檢查標準），1-3級合格，4-6級返修，該標準等級說明如下：1級無游離鐵素體。2級微量游離鐵素體。3級少量細條狀鐵素體及小塊游離鐵素體。4級條狀及塊狀游離鐵素體。5級較多量塊狀及條狀游離鐵素體。6級多量較大塊狀鐵素體。拖拉機滲碳齒輪滲碳淬火或回火后，各項金相檢查部位如圖2所示，金相檢驗后的表示方法如圖3所示。檢查K部位 （齒頂）檢查A、M部位（節圓

13、） （節園）檢查心部F 部位 （節園）檢查心部硬度部位 （節園）1/3HH圖2 滲碳齒輪淬火或淬火回火金相檢驗部位K4F2M針+A3K4M針表面組織為針狀馬氏體。K4碳化物為4級。F2碳化物為2級。A3殘余奧氏體為3級。圖3 滲碳齒輪金相檢驗后表示方法4、觀察滲碳件缺陷組織（1）反常組織：其組織特征是沿原奧氏體晶界存在的網狀滲碳體周圍分布有一較寬的鐵素體區。產生原因：目前多數人認為是由于內氧化所造成的。（2）過滲：其組織征是表層有粗大塊狀及網狀碳化物。產生原因：主要是滲碳介質碳勢過度或滲碳保溫時間過長。（3）表面脫碳：其組織特征是滲碳件表面有一個貧碳層。產生原因：a、滲碳后期滲碳劑濃度過稀。b

14、、氣體滲碳爐漏氣。c、液體滲碳鹽浴中碳酸鹽含量過度。d、滲碳后冷卻或淬火加熱時保護不當造成表面氧化脫碳。三、 實驗方法本實驗僅根據已經制備的20、20Cr鋼的滲碳層深度檢查棒及20CrMnTi鋼的實物齒輪試塊，在金相顯微鏡下，使用刻度目鏡，按照拖拉機滲碳零件金相檢查標準，測量滲碳層深度（包括共析層深度及總深度）、并對滲碳齒輪試塊進行滲碳層的碳化物，殘余奧氏體和馬氏體，心部鐵素體的評級。四、 實驗設備金相顯微鏡五、 實驗步驟1、 繪出滲碳后已經退火的滲碳層深度檢驗試棒和滲碳層中各區域的金相顯微組織。試棒所用鋼材：2、 使用金相顯微鏡中的刻度目鏡，按照拖拉機滲碳零件金相檢查標準，測定滲碳層深度檢驗

15、試棒的滲碳層深度。過共析+共析層深度：總滲層深度：3、 繪出20CrMnTi滲碳齒輪塊淬火或淬火回火后的齒頂角處、齒面節園附近及齒心部的金相顯微組織。鋼號處理過程觀察部位顯微組織浸蝕劑放大倍數鋼號處理過程觀察部位顯微組織浸蝕劑放大倍數鋼號處理過程觀察部位顯微組織浸蝕劑放大倍數4、 對上面觀察到的金相顯微組織。根據實驗室所提供的拖拉機滲碳零件金相檢查標準中金相照片，來評定20CrMnTi滲碳齒輪淬火或淬火回火后的滲碳層碳化物級別、滲碳層馬氏體和殘余奧氏體級別、齒心部鐵素體級別。5做出實驗報告。（根據上面測出的滲碳層深度及評度的滲碳層碳化物 級別、滲碳層馬氏體和殘余奧氏體級別及心部鐵素體級別，來判

16、定說明該工件的滲碳質量）六、 思考題：1、 金相顯微組織法測量滲碳層深度時，為何要用退火試樣，而不用一般淬火試樣？2、 齒輪滲碳層碳化物評級時，為什么評級部位要選在齒頂角處？3、 齒輪滲碳層馬氏體和殘余奧氏體評級時，為什么要評級部位要選在齒面節園附近處？4、 假若齒輪滲碳層碳化物，馬氏體和殘余奧氏體及齒心部鐵素體評級不合格時，而不經返修就使用，在機器運行中此零件會產生何種失效情況？實驗二 不同表面處理工藝后的顯微組織觀察一 實驗目的1 觀察幾種表面改性工藝后的組織特征，并了解其產生的原因。2 掌握相應工藝下材料表面具有的性能及其原因。二 概述1、 鋼的滲氮及滲硼1） 鋼的滲氮鋼的滲氮是一種在一

17、定溫度下（一般在AC1以下）使活性氮原子滲入工件表面的一種化學處理工藝，經滲氮后工件表面可獲得高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲勞強度、紅硬性及高的耐蝕性，并且熱變形小。鋼的滲氮可分為普通滲氮和離子滲氮。根據滲氮件所用材料和技術要求，可采用不同的滲氮工藝，如表面要求高硬度且形狀易變形的零件可進行等溫滲氮。如為了提高鋼在自來水、潮濕空氣等介質中的抗蝕能力，可進行抗蝕氮化。鋼滲氮后表面呈銀灰色而無光澤，不應有局部亮點（區）存在（未被滲氮特征）。在滲氮層的質量檢驗中還要對滲層深度、硬度、脆性及金相組織檢查。滲氮溫度下及其緩冷后的組織隨滲氮溫度而異，如在530氮化時，由表至心部的組織依次為：相相相心部緩

18、冷至室溫組織為：+相相+相心部組織滲氮后的金相組織檢驗包括滲層組織及心部組織，表層滲后組織應當為：在含氮的基體上彌散分布著十分細小的氮化物，滲層中，白亮層厚度應盡可能小。氮化層中允許有很輕度的脈狀氮化物，但不允許有粗大的脈狀、網狀、針狀或魚骨狀氮化物。也不允許有游離鐵系體存在于滲層。心部組織應為均勻細小的回為索氏體組織，不允許有多量的，大塊游離鐵系體存在。對于工、模具鋼滲氮后心部組織視所用鋼材及氮化前的熱處理工藝而定。在滲氮后質量檢查中，尚需根據具體零件及氮化工藝進行表面疏松、表面氧化色等方面檢驗。2） 鋼的滲硼滲硼指將硼原子滲入工件表面的一種化學熱處理過程，滲硼后工件表面具有很高的硬度和耐磨

19、性、良好的抗蝕性、紅硬性及抗氧化性。從Fe-B系相圖可知，B在a-Fe及g-Fe中溶解度都很小，因此在滲硼溫度下（9001000）硼原子滲入工件后很快達到 固溶體的飽和溶解度并形成楔狀Fe2B，硼量進一步增加，滲硼層表面將形成FeB，這兩種硼化物均有較高的硬度，但FeB較脆易崩裂，而Fe2B脆性較小，故一般均希望得到Fe2B單相層。三甲試劑下：FeB呈深褐色，而Fe2B呈黃色，可見，從顏色上可把兩相區分開。鋼的成分對滲層深度和硼化物的形態影響很大，隨著鋼中碳含量增加，滲硼層深度減小，碳被擠向硼化物的內側，形成富碳區（擴散區）。鋼中Mo和W強烈減小滲硼層深度，Cr、Si及Al次之；由于Si是F形

20、成元素，滲硼淬火后被保留下來，使硼化層和基體間產生軟帶，從而使硼化物易剝落。由于滲層硼化物呈楔形伸向基體，彼此間有較大的接觸面，從而使其不易剝落，但隨著鋼中碳含量及合金元素的含量增加，硼化物楔入程度降低、滲硼層變薄、結合力減弱，增加了滲硼層的脆性。滲硼后還要對鋼的滲硼層的硼化物的類型、形態及連續性進行檢驗，一般希望得到連續的楔形Fe2B層。滲硼工藝常用于提高模具的耐磨性。2、 材料表面的熱噴涂熱噴涂是一種用專用設備把某種固體材料熔化并加速噴射到機件表面上，形成特制的薄層，以提高機件耐蝕、耐磨及耐高溫等性能的工藝過程。執噴涂分火焰噴涂、電弧噴涂、電爆噴涂等離子噴涂及爆炸噴涂等。熱噴涂用材呈粉末狀或絲狀。熱噴涂材質可以是金屬及其合金，也可以是高分子材料及陶瓷等材料。影響熱噴涂層與基體的結合強度的主要因素有：噴涂材料與基體材料的物理及化學相容性，基體表面清洗和粗化情況，熱噴涂用材及熱噴涂工藝等。熱噴涂材料和噴涂工藝不僅影響結合強度，而且對涂層金相組織，化學成分，涂層密度，孔隙大小、多少及分布，硬度、耐蝕性等方面都