金相检验最终第八章 钢的化学热处理及表面热处理的金相检1

序 号
名称
组成
1
2%~4%硝酸酒精溶液
硝酸 2ml 酒精 98ml
氯化高铁 5g 2 氯化高铁+盐酸水溶液 盐酸 10ml
水 100ml
硒酸 3ml
3
硒酸盐酸酒精溶液 盐酸 20ml
酒精 100ml
盐酸 20ml
4
Байду номын сангаас
盐酸硫酸铜水溶液 硫酸铜 4g
水 20ml
盐酸 10ml 5 盐酸硫酸铜酒精溶液 硫酸铜 2g
模块七 钢的渗碳层深度测定案例
【案例】 某工厂接到一批要求渗碳处理的零件，材料为 20CrMnTi钢，渗层深度要求不小于0.70mm，确定工艺为 910℃渗碳后淬火及低温回火处理。在渗碳保温阶段结束时， 提取随炉渗碳的20CrMnTi试棒，及时淬火，打断试棒，在断 口处目测观察渗层达到了要求，则将渗碳的零件炉冷至 860~880℃后出炉坑冷，然后再加热淬火。在交付零件时， 对方单位将随炉缓冷的试样用金相法测渗碳层深度，认为未 达到技术要求。因此需要用显微硬度法仲裁。
图27 渗碳层的组织及显微硬度压痕情况 100×
图28 硬度梯度曲线
【真相揭晓】 从曲线上测得有效硬化层DC9.802/550=0.72mm 因此，该批零件渗碳层深度合格。
【想一想】 测定渗碳层深度时金相显微镜测量标尺和表面应保持什么角度？
模块三 钢的渗氮层金相检验
钢的渗氮处理
钢的渗氮处理又称之为氮化。能使工件获得比渗碳更高的表面硬度， 硬度值表面洛氏93~95HR15N约为68~72HRC,维氏硬度可达900~1200HV；氮 化层具有更高的耐磨性、疲劳强度、红硬性和较好的抗腐蚀性。
碳氮共渗的缺陷组织实例
图8-14 严重内氧化现象 400× 图8-15 碳氮共渗层黑色组织 400×
图8-16 壳状碳氮化合物 400×
钢的氮碳共渗层金相检验
氮碳共渗后的组织和气体渗氮相似，为表面白色化合 物层+扩散层，但表面多相化合物层中无高脆性相，故共 渗层韧性较好，也因此称为软氮化。
软氮化深度测定和疏松程度评定，依照GB/T 11354— 2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相检验》。
30 34.8~38.0 50
42.8~46.0
70 50.8~54.0
35 36.8~40.0 55
44.8~48.0
75 52.8~56.0
40 38.8~42.0 60
46.8~50.0
80 54.8~58.0
45 40.8~44.0 65
48.8~52.0
85 56.8~60.0
表3 合金钢的半马氏体硬度表
渗氮常用的气体介质主要是氨气，按照工艺可分为普通渗氮、离子 渗氮、防蚀渗氮和软氮化。普通气体渗氮又俗称硬氮化，低温氮碳共渗 俗称软氮化。一般气体渗氮的速度较慢，生产周期在30~50小时之间。
渗氮层的组织
图8-10 38CrMoAlA钢渗氮组织 100× 图8-11 图8-10另一种侵蚀剂的效果 100×
铁氰化钾 10g
7
三钾试剂
亚铁氰化钾1g 氢氧化钾 30g
蒸馏水 100ml
铁氰化钾 10g 8 铁氰化钾氢氧化钾水溶液 氢氧化钾 10g
蒸馏水1000ml
9
硝酸醋酸溶液
硝酸 50ml 醋酸 50ml
10
硝酸盐酸溶液
硝酸 20ml 盐酸 60ml
使用方法
用途
煮沸浸蚀 5~10min
浸蚀
先经4%硝酸 酒精预侵 蚀、然后 再浸蚀
有效硬化层深度测定
• 1 金相法 从表面测到20%铁素体的垂直距离 • 2 硬度法 有效硬化层深 极限硬度 概念
①维氏硬度法 从表面测至极限硬度的地方，为有效硬化层深
②洛氏硬度 从表面测至半马氏体处的距离为有效硬化层深度
表2 碳素钢的半马氏体硬度表
钢 号
半马氏体硬度
钢 号
半马氏体硬度
钢 号
半马氏体硬度
0.35~0.5 ≤10 ≤30
＞0.5 ≤30 60
【渗氮层的脆性评定】
Ⅰ级 不脆， Ⅱ级 略脆， III级 脆， Ⅳ级 很脆， Ⅴ级 极脆，
压痕边缘完整无缺； 压痕一边略有崩碎； 压痕二边碎裂； 压痕三边碎裂； 压痕三边碎裂；轮廓不清。
一般规定I~III级合格，对留有磨量的零件， 允许磨加工后再测定脆性。
酒精 100ml
使用方法 浸蚀法 浸蚀法 浸蚀法 浸蚀法 浸蚀法
用途
渗碳层、碳氮 共渗层、氮碳 共渗层组织的 显示
渗氮扩散层组 织的显示
渗氮、软氮化 层组织的显示
渗氮层、扩散 层组织的显示
渗氮层、扩散 层组织的显示
序 号
名称
组成
苦味酸 2g 6 苛性钠苦味酸水溶液 苛性钠 25g
蒸馏水 100ml
渗碳层深度测定——金相法
• 1）过共析层+共析层+亚共析过渡层之和作为渗碳层总深度。使用这 种方法时应注意过共析层与共析层之和不小于总渗碳深度的 50%~75%。这就是说亚共析层要求有一定厚度，不能过渡太陡，表 层的高碳区域要足够深，以保证淬火后表层有高强度、高的耐磨性。
• 2）过共析层+共析层+1/2亚共析过渡层之和作为渗碳层总深度。这种 方法与断口法和显微硬度法比较一致，因此这种测量方法应用也最广。
2.对于未淬硬的零件，可用手工锯、车床、刨床等手段取样；
3.对于已经淬硬的零件，可用砂轮切割机或线切割切取，切取过程注意 用冷却液充分冷却，防止切割过程发热而引起显微组织的变化。
磨制试样时特别应注意表面处理一侧的边缘不能产生倒角，必要时 采用夹持法和镶嵌法来防止倒角。
表1 表面热处理后金相检验试样的侵蚀剂
渗氮层的缺陷组织实例
图12 网络状氮化物 500×
图13 针状氮化物 500×
【想一想】
渗氮层脆性检验和渗氮层深度测定在试样上的测 定位置有何不同？
模块四 钢的碳氮共渗层金相检验
钢的碳氮共渗就是在钢件表层同时渗入碳、氮的热处 理过程。根据共渗的温度不同，可分为低温（500~600℃）、 中温（700~860℃）、高温(900~950℃)。
渗碳后的缺陷组织实例
图8-4 渗碳过渡区太陡 100×
图5 渗碳后表层反常组织 500×
图6 粗大的网状渗碳体 400×
图7 渗碳后磨削加工产生龟裂 100× 图8 图7放大后的情况 500×
图9 渗碳后表层半脱碳层 100×
渗碳层的金相检验
1. 组织检验标准
渗碳层的组织检验较常用标准：
图1 渗碳后常用热处理方法
渗碳冷却后的组织
图2 20CrMnTi钢渗碳缓冷组织 100×
图3 图8-2表层过共析层 250×
【想一想】
渗碳缓冷后的组织有没有可能表层组织没有 过共析层，一开始就是共析层或亚共析层？
渗碳淬火回火工艺
1. 渗碳后直接淬火可以抑制网状碳化物的析出，对于本质细晶粒钢 如20CrMnTi、20MnB等常采用这种工艺淬火强化。 渗碳后一次淬火适用于本质粗晶粒钢和不适宜直接淬火的零件， 比如必须在压床上淬火的齿轮等。 二次淬火后低温回火工艺复杂，能源消耗大，应用较少。
小贴士
1.表层碳浓度在0.8%~1.0%时，钢的扭转强度、疲劳强度和耐磨性等综合 性能达到最大。 2.碳浓度低于0.8%，耐磨性和强度不足； 3.碳浓度高于1.0%，则因表层碳化物容易形成大块或网状，使硬化层脆 性增大，使用中发生剥落，同时残余奥氏体量大为增加，降低了工件的 疲劳寿命。 4.渗碳只能改变零件表面的化学成分 5.零件的最终强化必须经过适当的热处理
模块一 表面热处理的方法和金相检验制样特点
【案例1】 某企业的一批变速齿轮，在安装试车阶段 发生咬合面掉渣，呈现无序的斑点或凹坑，造成批量报废。 该批齿轮选材38CrMoAl，经氮化处理提高表面耐磨性。检验 材质，表面硬度等项目，均符合设计要求。那么，问题到底 出在哪里呢？
【原因分析】
经解剖后发现是基体出现问题，心部组织不符 合要求，基体硬度太软，受力后出现掉渣，先期形 成的小金属屑，作用在齿轮咬合面之间，更加剧了 齿轮的破坏。
渗氮层深度测定
• 1 断口法 （快速法） • 2金相法 （常用方法） • 3显微硬度法 （仲裁法） 采用0.3kg负荷，维氏硬度从表
面测到高于心部硬度50HV单位的地方。
渗氮后表面硬度的检验
表1 测定氮化层表面硬度负荷的选择
氮化层深度 （mm）
维氏硬度负荷 （kg）
表面洛氏硬度 负荷（kg）
＜0.35 ≤10 ≤15
表面热处理可以干什么？
提高表面承受应力 增强表面的耐磨性 提高表面的抗蚀性 延长表面的疲劳极限
常见的表面热处理方法
表
表面淬火
面
热
处
理
方
法
表面化学热处理
感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 激光和电子束加热表面淬火
渗碳 渗氮 碳氮共渗 低温碳氮共渗 渗金属
【小窍门】 金相检验取样
1.对于表面化学热处理的检验，采用随炉试样比较多。金相试样应垂直 于处理表面切取，取横向截面为磨面。
直距离即为深层深度。 • 如果没有恰好是550HV的压痕，应该用作图的方法，推导出
550HV的地方距表面的距离。
小贴士
⑴ 断口法方法简单、快速，但误差较大。 ⑵ 金相法应用最广的是过共析层+共析层+1/2亚共析过渡层之和作为渗 碳层总深度 ⑶ 显微硬度法是仲裁方法。 ⑷ 剥层化学分析法结果准确，但比较费时，常用于调试工艺。
碳的质量分数 半马氏体硬度 碳的质量分数 半马氏体硬度
0.18~0.22
30
0.33~0.42
45
0.23~0.27
35
0.43~0.52
50
0.28~0.32
40
0.53~0.60
55
模块六 钢的其它表面处理方法金相检验
1.火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是将工件置于强烈的火焰中进行加热， 使其表面温度迅速达到淬火温度后，急速用水或水溶液进行 冷却，从而获得硬度的方法。
将低碳或低碳合金钢零件在增碳的活性介质（渗碳剂）中加热到高 温（900~950℃）使碳原子渗入表面层，然后进行淬火并低温回火，使零 件表层与心部具有不同的成分、组织和性能。
渗碳热处理工艺有固体渗碳、气体渗碳、液体渗碳三种形式，生产 中最常用的是气体渗碳。无论何种渗碳介质进行渗碳，都具有分解、吸 收、扩散三个基本过程。
小贴士
低温碳氮共渗即目前广为应用的软氮化，其表层主要 以渗氮为主，属于渗氮处理，用以提高碳钢、合金钢、铸 铁等零件及工模具的表面耐磨性和抗咬合性。
中温碳氮共渗，也是通常所说的碳氮共渗，其目的与 渗碳相似，主要是提高结构钢零件的表面硬度，它与渗碳 相比，将使零件具有更好的耐磨性和抗疲劳性能。
高温碳氮共渗是渗碳为主，属于渗碳处理。
渗碳体呈棕黑 色、铁素体不 变色 显示渗硼层组 织， FeB显深 灰色、Fe2B显 浅灰色
渗铬、渗矾
浸蚀
镀镍
浸蚀
镀铬
序 号
名称
组成
使用方法
用途
11
高氯酸酒精溶液
高氯酸 5ml 酒精 100ml
放入双喷 减薄仪中 作薄膜减
薄用
制作透射电镜 （TEM）的金 属薄膜试样
模块二 钢的渗碳层金相检验
钢的渗碳
《金相检验》
第八单元 钢的化学热处理及表面热处理的金相检验
内容导入：
通过化学热处理和表面热处理的方法，可 以有效提高钢的表面硬度、耐磨性和耐蚀性等 性能，因此广泛应用于工业生产中。对其硬度 测试、组织分析评定、层深测量等金相检验项 目，可以评价钢的表面处理质量……
内容提要
• 模块一 表面热处理的方法和金相检验制样特点 • 模块二 钢的渗碳层金相检验 • 模块三 钢的渗氮层金相检验 • 模块四 钢的碳氮共渗金相检验 • 模块五 钢的感应淬火金相检验 • 模块六 钢的其它表面处理方法金相检验
氮碳共渗的缺陷组织实例
图17 表面严重疏松空隙 500×
模块五 钢的感应淬火金相检验
一、感应淬火层的组织
图8-18 高频淬火正常组织分布 50×
图8-19 高频淬硬层组织 400× 400×
图8-20 心部原始组织
感应淬火缺陷组织
图21 45钢表面感应淬火组织分布 63× 图22 图21表层欠热组织 500×
汽车行业标准QC/T 262—1999《汽车渗碳齿轮金相检验》 重机行业标准JB/T 6141.3—1992《重载齿轮渗碳金相检验》 航空行业标准HB5492—1991《航空钢制件渗碳 碳氮共渗金相组织检验标准。
2. 渗层深度的测定
渗碳后对渗层深度的测定方法，常用的有四种：
1） 断口法 2） 金相法 3 ）显微硬度法 4 ）剥层化学分析法。
• 3) 从表面测至50%珠光体处作为渗碳层总深度。这种方法比较快， 但有时候50%珠光体有一定的区域范围，找测量的界线往往误差较大。
渗碳冷却后的组织
图2 20CrMnTi钢渗碳缓冷组织 100×
图3 图8-2表层过共析层 250×
渗碳层深度测定——显微硬度法
• 在淬火状态 • 显微硬度计，采用1kg的负荷，从表面测定硬度梯度，到550HV的垂