渗碳组织缺陷-黑色组织

工件碳氮共渗后，在几十微米的表层内出现许多小黑点或小黑块，呈不连续分布；或相连成网状直通表面，形成黑色网状组织；或者出现托氏体黑色网带，这三类组织通称“黑色组织”。

黑色点状组织一般出现在0.1mm的表层内，在抛光后未经浸蚀的试样中即可观察到，呈斑点状分布，有时呈网状。经浸蚀后可见其在白色化合物基底上，经观察证明，黑色斑点主要是由大小不等的孔洞组成。

黑色网状组织是由合金元素氧化物、托氏体、贝氏体等组成的混合组织，一般为黑色网状分布在表层的一定深度内。试样经抛光不腐蚀就可以看到黑色网状组织，经腐蚀后更加明显，且在最外层出现黑色带。这主要是由于内氧化引起。

黑色网带组织与内氧化引起的黑色网状组织不同，它在抛光未经浸蚀的试样表面看不见，只有在腐蚀后才能在金相显微镜下看到，其特征是在整个渗层内沿奥氏体晶界出现托氏体网；当表层有粒状碳氮化合物时，在化合物周围，有时也可以看到托氏体、贝氏体组织。

渗层中出现黑色组织将大大降低零件的表面硬度、耐腐蚀性、抗弯疲劳强度和接触疲劳强度，从而显著降低零件的使用寿命。黑色组织对零件性能的影响程度与黑色组织的严重程度有关。20CrMnMo、20Cr2Ni4A钢碳氮共渗的内氧化深度大于0.013mm时，会使钢的疲劳极限下降20%～25%。40Cr钢经碳氮共渗后，在0.3～0.4mm的共渗层中，存在0.05～0.06mm的浅层黑网时，多次冲击寿命下降30%～60%，存在黑色带状托氏体时，多次冲击寿命下降60%～80%。

如上所述，黑色组织是三种不同组织的通称。由于种类不同及形成机理和产生原因也不同。

⒈黑色点状组织
通过扫描电镜观察表明，黑色点状组织显示为孔洞，孔洞表面比较光滑，总的形态犹如溶洞。这显然是气体作用的结果。孔洞内比较干净，只有少数孔洞中存在少量孤立的夹杂物。经鉴定，表面光滑的球状夹杂物为硫化物，小块状的粒子为硅酸盐夹杂。孔洞中无任何残留的氧化物夹层或碎片。所以孔洞还可能是晶界上形成的氧化物脱落后的残孔。在孔中找不到黑色石墨片或石墨块残存的痕迹。www.hongchao-dg.cn孔洞表面显露出来的颗粒，是同基体组织结合在一起的晶界上的碳氮化合物，它们也没有分解。对深冷脆性断口的观察表明，黑色组织孔洞与气体析出有关，不是晶界氧化物或析出的石墨脱落后留下的孔隙。所以造成的孔洞的原因，应从氮或氢的作用来考虑。

在800～900℃的共渗温度下，只会有碳氮化合物的生成，不会有碳氮化合物的分解。在共渗后温度降低时，由于这类化合物的稳定性增强，更不能析出气体氮。所以孔洞的形成不一定与碳氮化合物的生成和分解有必然的联系。

在共渗温度下，渗层的基体处于稳定的含氮奥氏体状态。一般情况下，氮的气体分子是不易析出的。在某些情况下，如有气体析出，不是化合物分解的结果，而可能是在约600～700℃以下过饱和固溶体的分解。计算表明，在600℃时，平衡气体氮的压力为25000MPa，这说明在600℃以下的温度时，溶解于共渗层中的氮充分析出时，是有可能造成孔洞的。

在气体碳氮共渗处理中，碳原子主要来源于碳氢化合物，氮原子主要来源于氨，二者分解后均有大量的氢。因此，钢不可避免地产生强烈的渗氢过程。氢的渗入有两种作用，一种作用是直接造成孔洞，另一种作用是间接促成孔洞。后者有两种可能，第一，渗入钢中的过量氢，在钢的内部与渗碳体生成甲烷，甲烷在钢中溶解极小，不易排除，也往往聚集在晶界上或缺陷处，在这些地方造成孔洞或裂纹。第二，共渗层中溶解的氮的摩尔系数很高，在冷却过程存在析出的趋势。气体氮的析出，必然有氮原子向晶界、缺陷等内表面扩散并和氢结合成氧分子的过程。在低于700℃的温度下，固溶氮的质量分数降低，可以主要依靠氢的作用，以形成NH3的形式来实现。这样，依靠氨的聚集和压力的增长，也能在钢的内部形成孔洞。

生产实践表明，黑色点状组织在下述条件下容易出现：共渗介质中氨气量过多，其渗层表面氮的质量分数大于0.5%；共渗温度低，共渗时间过长等。降低氨的通入量和提高共渗温度可以减轻黑色点状组织的产生。

⒉黑色网状组织
黑色网状组织的产生，是由于合金钢在碳氮共渗气氛中加热时，零件的表面与气氛中的二氧化碳、氧气、水蒸气相互作用而被氧化，形成合金氧化物，使奥氏体中的合金元素贫化，降低奥氏体的稳定性，同时氧化物又促进扩散型转变的非自发成核，随后淬火冷却时，这部分合金元素贫化了奥氏体转变为托氏体、贝氏体等非马氏体组织。

碳氮共渗时，当炉内气氛中的氧势较高时，氧原子在工件表面聚集，并沿奥氏体晶界向晶内扩散。而合金元素则由晶内向晶界和由内层向表层扩散与氧结合成氧化物。由于钢中氧化物的含量由表层向内层逐渐减少，并基本分布在晶界上，因而形成网状黑色组织。

在碳氮共渗温度下，钢中的合金元素与氧的亲和力从大到小排列次序为Al、Ti、Si、V、Mn、Cr、Fe、Mo、W、Co、Ni。愈靠前面的元素，愈易被氧化。

碳氮共渗层内氧化倾向较大与共渗介质的氧势较高有关。这是因为液氨中经常含有一定的水分，当氨气干燥不充分时，水分被带入炉内。碳氮共渗温度较低，渗剂裂解不完全，产气量少，排气速度较慢，炉内氧化性气体停留时间较长，特别是炉内气氛中的CO、CO2 、O2与氨气发生化学反应，生成水蒸气，进一步提高了炉内氧势。随着氨气含量增加，内氧化增加。

在实际碳氮共渗条件下，内氧化主要发生在排气阶段，为了防止内氧化可以采取以下措施：
要充分干燥氨气。定期更换或再生干燥装置。如果使用滴注式碳氮共渗，应严格控制渗剂中的水分含量。
在排气阶段，要采取加速排气措施。可用氮气、吸热式气氛进行大气量排气，或者用大滴量甲醇加速排气。在排气期，要适当减少氨气的供给量。

⒊托氏体黑色网带组织
托氏体黑色网带组织产生的原因，有可能是碳氮共渗时，Cr、Mn等合金元素溶入表层的碳氮化合物中，使得奥氏体的合金元素以及碳氮含量降低，使奥氏体稳定性降低，同时这些碳氮化合物起非自发形核作用，进一步加速奥氏体分解，导致网状托氏体形成。也有可能是共渗温度偏低，炉气活性差，表面含碳氮量不足，奥氏体不够稳定，或者是共渗后冷却缓慢，淬火加热过程中发生表面脱碳或脱碳引起的。这类托氏体黑网带经重新加热，快速冷却淬火，可以得到消除。

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