渗碳表面非马氏体组织的形成机理?.

老热工

周期炉在进炉前提高预热温度（我们原来用180℃预热，现在用390℃预热，回火炉使用温度超过400℃就报警）可有效减少非马氏体组织。

[ 本帖最后由 老热工 于 2009-4-6 19:25 编辑 ]

老热工

关于黑色组织在渗碳时存在,在碳氮共渗时更易存在,而在渗氮时不存在,可见与碳的渗入是有关系的.在安运铮主编的《热处理工艺学》中对黑色组织是这样描述的:
       (渗碳)黑色组织：某地合金钢渗碳后,表层组织中出现沿晶界断续的网状黑色组织,其深度约为0.03~0.05mm其特征与过烧组织相似.这种组织有时也称为非马氏体组织，它的出现会引起表层显微硬度值、耐磨性、零件疲劳强度和接触疲劳强度等降低。产生的原因是由于渗碳介质中的氧向钢内扩散，在晶界上形成了铬、锰、钛、硅等元素的氧化物，使得晶界合金元素贫化，造成局部淬透性下降，而出现了黑色的奥氏体分解产物（屈氏体）。清除的办法是直接把有黑色组织的的表层磨削掉，或采用高冷却能力的淬火介质，或进行喷丸处理（非马氏体层≤0.02mm时)。
   （碳氮共渗）黑色组织：这种组织缺陷在抛光后未经浸蚀的试样中即可观察到，一般在0.1mm 的表层内出现，呈斑点弥散分布，有时候也呈网状。这种黑色组织有人认为是沿晶界的氧化物；也有人认为是在共渗温度低和供给氨量大时，使共渗层吸收了大量的氮，在以后的冷却时，氮从晶格中析出形成分子氮而占据一定的位置，这些位置以后又为碳（石墨）所占据；还有一种观点认为在共渗初期，由于温度低、氨气活性大，形成的高氮ε相在温度升高、时间延长之后变得不稳定转变为低氮的化合物的分子氮。
   我认为：1、渗碳升温阶段零件温度较低，渗碳气氛温度显然要高得多，若渗碳气氛碳势较高时，就在零件表面易先形成碳黑（通过观察：装炉后碳势高时，淬火出炉后零件表面明显偏黑；装炉后碳势低时，淬火出炉后零件表面明显偏浅）。当零件表面温度有所升高时，表层先吸附碳原子并向内扩散，由于零件内部温度还不高，碳的扩散受阻，而表层碳仍在渗入，在零件内部温度低时难于形成碳化物而凝聚成石墨小颗粒，如果升温速度慢（装炉量大或加热功率小），这个过程将延续较长时间，石墨小颗粒就会长大。直到零件表面碳渗入层前沿温度升高到某一温度点之上，碳在钢中向内扩散的动力足够时，石墨颗粒才有可能停止长大。
           2、碳氮共渗时温度要比渗碳温度低，因此，表层小石墨颗粒的形成更有充足的时间和条件，所以碳氮共渗更易出现黑色组织。
           3、钢材质量差时，含氧化物杂质较多，脱气效果差，硅、硫、铝、锰等元素存在易促进碳的石墨化。因此，高级合金钢和进口钢材出现非马氏体组织的机会就少。
           4、在奥氏体中很多合金元素都有一定的溶解度，晶界是各种杂质和富含合金元素最易聚集的地方，也是碳容易富化的地方，在温度低时渗入的碳就不容易形成碳化物而先易形成石墨。渗碳温度较高时肯定就形成碳化物，因此非马氏体最容易在晶界形成点状、断续网状、连续网状，就象碳化物最容易在晶界形成点状、断续网状、连续网状一样。
           5、提高预热温度可以缩短渗碳和碳氮共渗时零件的升温时间，所以可以降低非马氏体的形成量。
           6、渗碳和碳氮共渗时在升温阶段控制碳势不要太高（在0.20%以下），甚至是脱碳气氛就有可能消除非马氏体组织的形成，解决长期以来的困扰。

[ 本帖最后由 sdust 于 2009-4-7 16:15 编辑 ]

dzkyx1314

听了楼上说的，感觉这个黑色组织真的是石墨碳了，因为我没有做这方面试验，我不排除就是这种可能，但氧向内扩散就不会形成黑色组织了吗？还有，如果真的是石墨，提高淬火介质的冷却速度是不是会有所以改变的。那提高冷却速度有所以改善是怎么一会事，这做何解释。

老热工

7、在渗碳表层组织中存在石墨颗粒时就会在其周围形成碳的贫化（石墨有促进碳原子石墨化的倾向,就象球墨铸铁在高温退火时易形成牛眼组织一样,牛眼组织是在高温退火时奥氏体中的碳被石墨块所贫化，冷却后，不能形成珠光体组织，而在石墨块周围有一圈因碳贫化后所形成的铁素体）。由于在渗碳时外部一直在进行碳的输入,因此在非马氏体(石墨块)周围碳的贫化不象球墨铸铁退火那样十分明显。由于碳的贫化，在淬火时就不能全部形成淬火高碳马氏体就难以形成高硬度，而是有显微软区（带）。而是形成低碳马氏体或屈氏体甚至于是铁素体，但这足以使表面显微硬度值、耐磨性、零件疲劳强度和接触疲劳强度等降低。
8、在渗碳表层组织中存在石墨颗粒时就会在其奥氏体周围形成碳的贫化，是造成黑点周围奥氏体组织淬透性下降的根本原因。提高淬火介质的冷却速度可以提高贫碳区的淬透性，减少非马氏体组织的量，对提高表面显微硬度值、耐磨性、零件疲劳强度和接触疲劳强度等有一定的作用。
9、实际生产中发现在炉内一旦形成碳黑，不管渗碳时碳势控制多么高多么准确，零件表面的碳含量总是很低，而炉内碳黑的增加速度是相当的快，在有碳黑形成的炉内进行渗碳淬火的零件表面硬度不是很高，尤其是碳化物级别很低，连一级都难达到。也就是说，碳黑造成了碳的损失。

[ 本帖最后由 老热工 于 2009-4-7 16:46 编辑 ]

dzkyx1314

那这个氨加入量增加会造成黑组，这个是不是氮分子的位置被石墨占据了造成的呢。

老热工

10材料表面有油时，油在进炉后会分解成碳和其它成分，由于是在零件表面分解的，因此极易在零件表面先形成碳黑，对渗碳极为不利且易诱发形成非马氏体。
11、表面光洁度差时，钢件表面面积会增加，吸附碳的能力增强，这在渗碳早期升温过程中表面吸附大量的碳给零件表面形成石墨化提供了帮助（碳浓度越高在低温时石墨化倾向越强）。
12、从渗碳过程来看，升温过程是必然要经过的阶段，因此非马氏体组织的形成条件还是有的。所以[好富顿的颜高工跟我们讲过，这种非马很难根除，只能尽可能降低，如果谁可以彻底解决非马问题，那他将是世界级]。

[ 本帖最后由 老热工 于 2009-4-7 17:47 编辑 ]

老热工

我想“氨加入量增加会造成黑组，是不是氮分子的位置被石墨占据了造成的”现在还不好说，但肯定与碳的渗入有直接关系。

简゛單ヤo愛

磨削的话  齿轮根部是磨不到的吧！  兄台

霜月

我曾经遇到过另外一种情况引起的表面非马，20CrMnTi齿轮，井式炉渗碳，由于表面碳浓度过高，形成了碳化物，使表面层的合金元素贫化，导致黑网出现，这种黑网比内氧化导致的黑色组织深得多，最深的时候达到了0.17mm。

老热工

0.17mm!  20CrMnTi钢在井式炉中渗碳时出现黑色组织确实是比较多,也比较严重.这可能与井式炉装炉前一般不预热而导致升温和均温时间长、同时与早期渗碳碳势高有很大关系。我想还与表面碳浓度高有关。

申兴一

这样的情况我们也碰到过，我见到试棒有问题，所以在降温的时间关闭煤油不降温度，保持1H后来检查的时候一切正常！！ 但是检测刚才的试棒就有了你说的情况

motion_0576

1  老热工对内氧化和非马的形成原因的解释“的确有新意”，做为学术观点，提出了新的思路。
2  但我还是感觉论点中对其中许多解释其实还是否定了自己的“石墨”学说。
3 其实“石墨”学说有很多站不住脚的地方。本人打字速度太慢，在这里提供大家确认思路，有条件的专家可以亲自做一些确认研究工作。
3.1  将渗碳试样背面线切割出缺口，清洗干净后冲断，用扫面电镜观察表面0.01-0.05mm范围内的情况并用电子探针或能谱确认表面成份。有人观察到了干净的空洞，支持N2学说；有人发现了晶界氧化物含量很高，说明合金元素和氧的聚集，支持内氧化学说。这方面国内外有大量的文献资料。
3.2 金相观察存在空洞被抛光用氧化物堵塞而出现假象的问题。
3.3 像29#霜月提到的问题和碳氮共渗中容易出现的“三黑”的问题之一类似，就是沿晶界析出碳氮化物后反而黑网（非马）加重，将这个试样重新加热水淬火，黑网（非马）消失，但沿晶界碳氮化物依然存在，“石墨学说”就没法解释了。

老热工

对32#提供的情况对我来讲确实是一个新问题.氮的非金属性要比碳强.看来碳氮共渗时"三黑"问题出现可能还有其它多种原因.

LCY

霜月高工说的很对,有人做过这方面的试验,认为"非马"或称作"三黑组织"一方面是由"内氧化"造成,另一方面是由于渗碳表面碳在淬火过程中析出极细小的碳化物,并使得合金元素贫化,产生屈氏体所造成,在碳向碳化物析出过程中可以产生"上坡扩散",造成贫碳。
    由碳化物析出所造成的“非马”与合金元素的种类与量有关，如含钛钢碳化物容易析出，则产生“非马”就较为严重，而含Ni钢不易产生碳化物，则“非马”就较轻。降低表面碳浓度也可以改善“非马”。

NEWAGE

老热工先生的"黑色组织石墨说"，其观点中最重要的一点即渗碳过程石墨的形成机理值得商榷：
   原话：
“当零件表面温度有所升高时，表层先吸附碳原子并向内扩散，由于零件内部温度还不高，碳的扩散受阻，而表层碳仍在渗入，在零件内部温度低时难于形成碳化物而凝聚成石墨小颗粒，如果升温速度慢（装炉量大或加热功率小），这个过程将延续较长时间，石墨小颗粒就会长大。直到零件表面碳渗入层前沿温度升高到某一温度点之上，碳在钢中向内扩散的动力足够时，石墨颗粒才有可能停止长大。”
   质疑：
   1、一般情况下，碳在铁中形成单质碳(石墨)比形成化合物碳(碳化物)要困难得多。根据金属学原理，渗碳体在热力学上是一个亚稳定的相，而石墨才是稳定的相。由于石墨的表面能很大，形核需要克服很高的能垒，因此在一般条件下，铁碳合金中碳的大部分总是和铁化合成渗碳体。只有在特定条件下，例如极为缓慢的冷却或加入某些合金元素(如Si等)使石墨的表面能降低，铁碳合金中的碳才能以石墨的形式存在。
   2、碳在固溶体中是否形成碳化物取决于碳在该固溶体中的溶解度，而非温度的高低。例如：马氏体回火过程就是碳化物的形成过程，回火温度都在相变点以下，不会很高；而渗碳时析出碳化物，温度就很高。
   3、在老热工先生的观点中我们没有看到能够满足石墨形成的条件。碳在钢中形成石墨跟碳在钢铁表面或炉内形成碳黑那是两回事，不可以相提并论的。

[ 本帖最后由 NEWAGE 于 2009-5-7 23:07 编辑 ]

zhaozhihua

关于这种组织的争论我也在其他资料上见到过，具体怎么一个机理一下子说不上来了。资料说明该组织是淬火过程中产生的珠光体类型的组织--托氏体。
我在工作当中也曾留意，在淬火组织中，通过金相观察确实也存在，但深度都不尽相同，一般都在0.020mm一下，在往心部的位置是一定深度的脱碳层。
做过一些实验，第一、在保证淬火过程中脱碳层不超标的基础上尽量降低炉内碳势，第二、加大淬火过程中的冷却速度。发现在表面的黑色网（边缘像针状伸向脱碳层）深度有所降低。可能这种组织和冷却速度有一定得关系！
也请大家积极提出新的观点，共同研究！

zhaozhihua

也有可能就是表面形成的氧化层薄膜，因为我所观察到得金相中，都是在该组织向工件心部延伸的方向上存在脱碳层，说明炉内有氧化性气氛存在，故理解为氧化层也是有一定道理的！

老热工

大家提供的信息确实很多.霜月和34#LCY提供了金属碳化物形成时周围有贫碳现象的证例,可解释非马组织在强烈淬火时有减轻的作用,但还不能完全解释非马的黑色现象和黑点不能消除的原因.
会不会是墨色组织的形成还与碳(氮)化物的形成有关?-----碳(氮)化物的形成使周围奥氏体的
合金元素贫化,淬透性不足形成屈氏体(黑色).这个屈氏体是可以用提高淬火强度来减轻的.

lundu1516

淬火如果析出了极细小的碳化物，有弥散强化的作用吗？再请问下，黑色组织是贫碳还是贫合金元素占的原因大~   贫合金元素的表面算高碳钢吧？ 贫碳的表面那么能理解为中碳合金钢吗：）

amn727

我更关心的是非M一旦形成，超过了3丝以上又不能轻易去报废，应该怎样去消除的问题，目前正遇到大麻烦，返工重新渗碳淬火能否消除？请有这方面实践的说说。