钢的渗氮层金相检验

霍大侠

       钢的渗氮层金相检验
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。

一、渗氮层显微组织
（一）平衡组织
按照铁-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。
1．α相  含氮的铁素体。在室温下α铁中能固溶氮的质量分数0.004％，在590℃时为0.1％。
2．γ相  含氮奥氏体。是氮在γ铁中的间隙固溶体，最大固溶氮的质量分数为2.8％，  由于γ相存在于共析温度以上，平衡状态分解成α＋γ共析体，快冷则形成含氮马氏体。
3．γ′相  化合物相。以Fe4N (ωN = 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％。
4．ε相  化合物相。是含氮成分变化较宽的铁氮化合物，其中Fe2-3 N的氮质量分数在8.1％~11.1％之间。Fe2 N是含氮>1l.1％，随着温度下降：相中将析出γ′相。
5．ζ相  化合物相。以Fe2 N为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）。ζ相是ε相的变体，高于500℃时可发生分解转变为ε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。
（二）渗氮层组织
纯铁渗氮后缓冷组织，由表面向内依次为：ε→(ε+γ′)→γ′→(α+γ′)→α。显微镜下观察，表层的薄层是侵蚀后为白色的ε相，次层是针状的γ′相与α基体上的共析体，由于γ′相很“薄”，无法分辨(ε＋γ′)和γ′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38CrMoAI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(ε相)，次表层侵蚀后变黑，是氮化扩散层，主要由缓冷γ相分解的α+γ′细小颗粒分布在回火索氏体的α相上和AIN, CrN等合金索氏体组成。在ε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。

二、低温氮碳共渗层显微组织
（一）铁素体低温氮碳共渗组织
碳钢在经550-570℃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。
（二）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ε相化合物，有明显的黑色疏松微孔；第二层是含氮马氏体，未回火时是白色，回火后呈明显的含氮马氏体针；第三层是氮的扩散层。



                                       

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三、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＞0.25~0. 63μm，不能把化合物层磨掉。GB/T 11354-1989((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。
  （一）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％。
  （二）渗氮层深度的测定
1．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30 HV处。
2．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和45钢等碳素钢，试样必须经过300℃回火1h，使扩散层中析出了γ′相，这样观察分界线才比较清楚。
  （三）渗氮层疏松检验
疏松等级适用于低温氮碳共渗零件。标准评级图及相关说明，按化合物层内微孔形状、数量及密集程度分为5级。“化合物层微孔密集成点状孔隙，由表及里逐渐减少”，3级以下为合格，微孔占化合物层2/3的厚度或部分微孔聚集分布者为不合格。
（四）渗氮扩散层中氮化物检验
按扩散层中脉状氮化物的分布情况、形态、数量，评级图分为5级。一般零件上允许有少量脉状分布氮化物(2级）或较多脉状分布氮化物(3级）。
气体渗氮和离子渗氮工艺的零件必须检验这个项目。