渗层厚度的测定

金相法渗层厚度的测定

一、实验目的

1)了解渗碳、渗氮工艺及渗碳后热处理的组织特征。

2)掌握金相法测定渗层深度的方法。

二、原理概述

渗碳是将钢件置于渗碳介质中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间使碳原子渗入钢件表面层的热处理工艺。渗碳的目的是使钢件获得硬而耐磨的表面，同时又使心部保持一定的韧性和强度。对于进行渗碳的钢材是碳的质量分数一般都小于0．3％的低碳钢和低碳合金钢，渗碳后的工件主要用于受严重磨损和较大冲击载荷的零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等。渗碳温度一般取860～930℃，不仅使钢处于奥氏体状态，而又不使奥氏体晶粒显著长大。近年来，为了提高渗碳速度，也有将渗碳温度提高到1000℃左右的，渗碳层的深度根据钢件的性能要求决定，一般为l mm左右。按照渗碳介质的状态，可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种，常用固体和气体渗碳。

渗氮又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面层的硬度与耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子,不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内, 渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。与渗碳工艺相比，渗氮温度比较低，因而畸变小，但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，或有一定耐热、耐腐蚀要求的机器零件，以及各种切削刀具、冷作和热作模具等。渗氮有多种方法，常用的是气体渗氮和离子渗氮。目前生产中多采用气体渗氮法。

1．渗碳工艺

将渗碳件置入具有活性碳气氛中加热到860～930℃，保温一定时间，再将渗碳后的钢件按照性能要求不同，进行不同的热处理工艺有直接淬火、一次淬火和二次淬火三种。2．渗碳及渗碳淬火后的金相组织

钢在渗碳后因冷却方式不同，可得到平衡状态的组织或非平衡状态的组织。

(1)平衡状态的渗碳组织、

钢渗碳缓冷后的显微组织符合铁一碳平衡相图，表面到中心依次是过共析区、共析区、亚共析区和原始组织(图1是20钢渗碳后的平衡组织)。渗碳的过程是碳原子在γ-Fe中

的扩散过程。

图1 . 20钢渗碳后的平衡组织(100×)

1)过共析区。这是渗碳零件的最表面层，该区碳的质量分数一般为0．8％～1．1 2％，其组织为珠光体+网状二次渗碳体。’

2)共析区。由表面过共析区往心部就是共析区，该区碳的质量分数一般为0．77％，其组织为珠光体。

3)亚共析区。由共析区往心部紧接着是亚共析区，该区的碳含量由表及里逐渐降低，直至过渡到心部原始成分为止，组织为珠光体和铁素体的混合组织，越接近心部，铁素体量越多而珠光体量越少。

4)心部。该区是渗件的原始组织，对于低碳钢组织由铁素体和珠光体组成。

(2)非平衡状态的渗碳组织

渗碳改变了零件表面层的含碳量，但为了获得不同的组织和性能而满足渗碳件的使用要求，还必须进行适当的淬火与低温回火处理。零件渗碳淬火后，由于淬火工艺和材料等有差异而得到不同组织。但自零件表面至心部的基本组织为：马氏体+碳化物(少量)+残留奥氏体马氏体+残留奥氏体马氏体心部低碳马氏体(或托氏体、索氏体+铁素体)，图2为20钢经渗碳后1100℃高温淬火回火的组织：粗大针状马氏体+大量残留奥氏体，此类组织在工件中是不允许存在的。、

渗碳零件的性能主要取决于淬火后的组织，因此在渗碳件的质量检查中，规定了淬火马氏体针粗细、碳化物分布特征、残留奥氏体数量以及心部游离铁素体含量的金相组织检验标准。渗碳零件正常热处理工艺采用不完全淬火+低温回火，淬火后的组织通常应为：渗碳层中有适量的粒状碳化物均匀分布在隐针(或细针)状回火马氏体基体上(图3)，另有少量(<5％)残留奥氏体，心部为低碳马氏体或托氏体与索氏体，不允许有过多的大块状铁素体。

图2渗碳后高温淬火回火组织400×图3 渗碳件正常淬火组织400×

3．渗层深度的测定

测量渗层深度可用显微硬度法和金相法。

金相法是将渗碳件制备成金相样品，在显微镜下通过测微目镜测量。渗碳层的深度：对于合金渗碳钢是从表面测量至刚出现钢材的原始组织为止；对于碳钢和低碳合金钢，从表面测量至过渡层的1／2处为止(碳的质量分数约为0．45％)。

渗氮层的深度：在放大100倍或200倍的显微镜下，从试样表面沿垂直方向测至与基体组织有明显的分界处的距离，即为渗氮层深度。

三、实验设备及材料

1)金相显微镜(带测微目镜)、砂轮机、镶样机、抛光机等。

2)20钢(渗碳)、60Cr(渗氮)、浸蚀剂等。

四、实验内容及步骤

1)将上述试样进行金相试样制备，样品制备时应使用试样夹，以免倒角。

2)观察渗碳层及心部组织特征。

3)在显微镜100倍下对渗碳缓冷试样和渗氮试样进行渗层深度的测量。

五、实验报告要求

1)写出实验目的及原理。

2)简述渗层深度的测量方法、要求及步骤。

3)附上金相显微照片，写出测量结果。

本实验依据的国家标准：

GB/T 9450-1988《钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和校核》

GB/T 11354-2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》