碳氮共渗层的组织与性能(4)

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1、碳氮共渗层的组织与性能（4）1．共渗层的组织和性能共渗层的组织决定于碳氮浓度及其分布情况。退火状态的组织与渗碳相似。直接淬火后表面金相组织为含碳氮的马氏体和残余奥氏体，有时还有少量的碳氮化合物。心部组织决定于钢的成分与淬透性，具有低碳或中碳马氏体及贝氏体等组织。碳氮共渗中化合物的相结构与共渗温度有关，800℃以上，基本上是含氮的渗碳体Fe3（C、N）；800℃以下由含氮渗碳体Fe3（C、N）、含碳ε相Fe2~3（C、N）及γ/相组成。化合物的数量与分布决定于碳氮浓度及钢材成分。共渗淬火钢的硬度取决于共渗层组织。马氏体与碳氮化合物的硬度高，残余奥氏体的硬度

2、低。氮增加了固溶强化的效果，共渗层的最高硬度值比渗碳高。但是，共渗层的表面硬度却稍低于次层。这是由于碳氮元素的综合作用而使Ms点显著下降，残余奥氏体增多。碳氮共渗还可以显著提高零件的弯曲疲劳强度，提高幅度高于渗碳。这是由于当残余奥氏体量相同时，含氮马氏体的比容大于不含氮的马氏体，共渗层的压应力大于渗碳层。还有人认为，由于细小的马氏体与奥氏体均匀混合，使得硬化层的微观变形均匀化，可以有效防止疲劳裂纹的形成与扩展。2．共渗层的组织缺陷（1）一般缺陷共渗淬火后的汽车齿轮等零件也要检查硬度、渗层深度和显微组织（碳氮化合物等级、马氏体与残余奥氏体等级、心部组织），

3、并按相关标准评级。碳氮共渗的组织缺陷与渗碳类似，例如残余奥氏体量过多、形成大量碳氮化合物，以致出现壳状组织等。过量的残余奥氏体会影响表面硬度、耐磨性与疲劳强度。为此，应严格控制表面碳氮浓度，也可在淬火后继之以冷处理，在淬火之前先经高温回火。如果共渗层中碳氮化合物过量并集中与表层壳状，则脆性过大，几乎不能承受冲击，再喷丸及碰撞时就可能剥落。产生这种缺陷的主要原因在于共渗温度偏低，氨的供应量过大，过早地形成化合物，碳氮元素难以向内层扩散。这是必须防止的缺陷。不错，碳氮共渗控制碳势的高低，也要控制氨气的通入量，有机的结合才能达到合格的组织碳氮共渗最难解决的组织

4、缺陷还是“三黑”问题；即“黑网、黑洞、黑带”。这也是中温碳氮共渗工艺与渗碳相比最大缺点之一。（2）“三黑缺陷”使中温碳氮共渗工艺应用受到了很大的限制。3本质：3.1黑色组织：类似于渗碳淬火的晶界内氧化和非马问题，形成机理也基本一样。但较渗碳工艺更容出现黑网，深度也较深。3.2黑洞：是光学显微镜下观察到的“黑洞”，本质上是空洞，空洞内可能光滑干净也可能有少量氧化物存在。（有学者用电子显微镜对新打断断口进行了观察研究得到的结论）。3.3黑带：空洞严重时连成一片，形成黑带；也可能是表面因为内氧化而形成较厚的非马组织浸蚀后表现为黑带。4“三黑”形成机理：（仅抛光

5、后不浸蚀观察到的三黑情况）4.1【分子N2析出观点】：N在A中达到一定活度后，析出分子N2形成黑洞，渗层中【N】含量不应超过0.3-0.5%，说以一般教科书和资料都推荐含氮量0.15-0.25%。渗层中C+N总量要＜1.0%，否则，容易出现黑洞。4.2　黑色组织是各种复杂氧化物（夹杂物）在制样中脱落形成了沿晶分布黑网。４.３【H2分子学说】：【H】能在低温下析出、聚集H2而形成空洞；【H】能在600-700℃左右促进钢中溶解的【Ｎ】的析出和｛氨化｝并形成孔洞。　　有学者利用脆性断口研究了黑色组织的形态，避免在断口打断时空洞的形貌被扭曲和伤害。结果表明，气

6、体Ｃ－Ｎ共渗中黑色组织实际上是气体形成的沿晶小空洞，不是氧化物或石墨化在晶界形成和脱落后留下的残孔。　5.共渗层的组织缺陷黑色组织是气体碳氮共渗极易出现的一种缺陷。根据它们的形状与分布状态，有黑点、黑网和黑带之分。严重的黑色组织显著降低零件的表面硬度、接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，造成早期磨损，降低零件的使用寿命。黑点又称黑色斑点状组织，在抛光未经腐蚀的试样上呈斑点状，位于表层0.10mm以内。氮势很高的气氛中碳氮共渗时，容易形成这种缺陷。目前一般认为，黑色斑点组织主要由大小不等的孔洞所组成，某些孔洞中可能存在石墨与氧化物夹杂。有人对形成机理做这样的解释：

7、共渗初期形成的高氮ε相（因温度低、氮势高所致），于高温长时间停留而逐渐分解，转变为含氮较低的渗碳体Fe3（C、N）。这一过程中析出的过剩氮原子互相结合成分子，聚集于高氮相（比容大）转变为低氮相（比容小）因体积收缩而留下的显微孔洞后，形成合金元素及铁的氮化物，CH4则可能分解析出石墨。降低氨的通入量和提高共渗温度，可以减轻黑色孔洞的形成趋势。在浸蚀后的金相试样上观察到黑网和黑带，主要是由屈氏体、贝氏体等非马氏体组织构成的，有时在共渗层内呈带状，有时沿着奥氏体晶界呈网状，有时出现在粒状化合物的周围。造成这类组织缺陷的原因很多：有可能是共渗温度低，炉气活性差，

8、表面碳氮含量不足，奥氏体不够稳定；也可能是缓慢冷却或淬火加热过程中发生表面脱碳或