滲碳層非馬氏體組織一般是指滲碳或碳氮共滲零件表面黑色組織（黑網(wǎng)、黑帶及黑洞，所謂“三黑”）的別稱。在滲碳（碳氮共滲）過程中，由于內(nèi)氧化的原因而導(dǎo)致基體中合金元素在晶界附近偏聚析出，合金元素貧化致使局部淬透性下降，從而形成的托氏體類組織。這些組織有初生鐵素體，初生屈氏體（連成一片稱黑帶，未連成一片稱黑網(wǎng)），部分鋼種出現(xiàn)貝氏體，它們均稱為非馬氏體組織。
非馬氏體組織的產(chǎn)生會(huì)使?jié)B碳或碳氮共滲零件的表面硬度、耐磨性下降，零件表面有益的殘余壓應(yīng)力減小，甚至表面形成殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致零件的疲勞強(qiáng)度下降，使用壽命降低。
1. 產(chǎn)生原因
（1）當(dāng)滲碳爐氣中的O2、H2O、CO2等氧化性氣體含量較高或零件表面有嚴(yán)重氧化皮時(shí)，在滲碳過程中，在最外表面形成氧化物。接著在氧沿晶界擴(kuò)散的同時(shí)，晶粒內(nèi)的Cr、Si和Mn向晶界的氧擴(kuò)散，并在晶界上形成氧化物（CrXOY、SiXOY及MnXOY）（一般把晶內(nèi)氧化和晶界氧化統(tǒng)稱為內(nèi)氧化），同時(shí)使氧化物附近的基體中碳和合金元素貧化，使該層附近的淬透性下降，對(duì)于油淬來說，生成微細(xì)的珠光體或貝氏體，而非馬氏體組織。
研究表明，通過采用philipe FEISIraon—200型帶能譜分析掃描電鏡對(duì)同一試樣產(chǎn)生非馬氏體組織的晶界和晶內(nèi)處進(jìn)行點(diǎn)掃描，測(cè)定C、O以及Fe元素。結(jié)果是非馬氏體的晶界與晶內(nèi)分別為3.67%和2.13%，即非馬氏體組織的晶界處O含量比晶內(nèi)高出50%以上。C含量變化不大。因此，“非馬氏體組織是由于內(nèi)氧化造成的”理論是正確的。
（2）特征，晶界氧化不僅在晶界，在表面也生成氧化物。含Cr的滲碳鋼，由于表面生成鉻的氧化物，在干凈的淬火油中淬火后，可以用肉眼觀察到干凈表面出現(xiàn)淺綠色；用顯微鏡觀察表面時(shí)，可以看到晶界氧化呈網(wǎng)狀或半網(wǎng)狀等，淬火組織為貝氏體或屈氏體組織，而非馬氏體組織；工件表面硬度低，殘余壓應(yīng)力下降。20CrMnTi鋼齒輪滲碳層非馬氏體組織如圖1a、1b所示。
（a）
（b）
圖1 20CrMnTi鋼齒輪滲碳層非馬氏體組織（400×）
2.危害
在滲碳?xì)夥罩泻腥舾傻腛2、CO2和H2O，滲碳的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧化反應(yīng)，在滲碳淬火的零件表面，如果在晶界產(chǎn)生氧化，有微細(xì)的珠光體或奧氏體晶界氧化的共存情況。如果這些現(xiàn)象嚴(yán)重，前者產(chǎn)生剝離和磨削裂紋，后者降低耐磨性能及疲勞性能。研究表明，非馬氏體組織深度＜0.013mm時(shí)，對(duì)疲勞強(qiáng)度影響不大；當(dāng)非馬氏體組織深度＞0.016mm，可使零件疲勞強(qiáng)度降低25%。非馬氏體組織的存在特別影響彎曲疲勞強(qiáng)度，當(dāng)表面非馬氏體組織的深度在40μm以上時(shí)，彎曲疲勞強(qiáng)度可降低50%。因此，在GB/T 8539中規(guī)定，對(duì)性能要求較高的齒輪（ME級(jí)）滲碳，在滲碳層≤0.75mm時(shí)，其非馬氏體組織深度應(yīng)≤0.012mm。表1為部分滲碳齒輪非馬氏體組織的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
表1 部分滲碳齒輪非馬氏體組織的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
中國國標(biāo)GB/T8539-2000：1級(jí) | 德國大眾 | 德國波爾舍、奔馳、寶馬 | ||
58HRC以上，滲層＞0.75mm， 非馬＜12μm； 滲層0.75~2.25mm，非馬＜20μm | 60HRC以上 | 非馬氏體≤10μm | 61HRC以上 非馬氏體≤3μm | 非馬氏體≤3μm |
若用HV1轉(zhuǎn)換大約53HRC | HV1轉(zhuǎn)換 金相淺腐蝕 | 金相淺腐蝕 | HV1轉(zhuǎn)換 金相淺腐蝕 | 金相淺腐蝕 |
3. 影響因素
（1）氣體滲碳工藝及過程、鋼材對(duì)內(nèi)氧化程度的影響
①氣體滲碳工藝（外因）的影響：決定內(nèi)氧化強(qiáng)烈程度的氧化物形成程度主要取決于氣體滲碳?xì)夥罩械难醴謮海绕涫窃跔t門開啟向爐內(nèi)裝入載荷而進(jìn)入大量空氣時(shí)，爐氣氧勢(shì)顯著增加。
②滲碳過程對(duì)內(nèi)氧化的影響：只有在無氧化物的介質(zhì)中才可能實(shí)現(xiàn)無內(nèi)氧化的滲碳。為此，應(yīng)降低氣氛中氧化物含量或氧勢(shì)。在加熱階段引起的內(nèi)氧化很小。加熱階段時(shí)間一般僅占滲碳時(shí)間的1/8~1/4。內(nèi)氧化的主要部分不是在加熱段中產(chǎn)生的。但是在加熱階段迅速排出進(jìn)入的空氣或把其中的氧消耗，從而縮短加熱階段時(shí)間，有利于減輕非馬氏體組織。大多數(shù)內(nèi)氧化是在滲碳及擴(kuò)散階段發(fā)生的，內(nèi)氧化隨著滲層深度即滲碳時(shí)間的增加而增加。其深度可達(dá)5~50μm。如果在滲碳階段的大部分時(shí)間內(nèi)維持低的氧勢(shì)氣氛（如只通天然氣、丙烷氣等），結(jié)果在整個(gè)處理過程結(jié)束以后，內(nèi)氧化與非馬氏體組織減少非常顯著。
（2）鋼件化學(xué)成分（內(nèi)因）對(duì)內(nèi)氧化的影響
確定內(nèi)氧化程度不僅取決于氣氛，而且很大程度上還取決于鋼材本身，即可能發(fā)生氧化的合金元素的含量。
①產(chǎn)生的內(nèi)氧化深度取決于對(duì)氧化敏感的合金元素含量。隨著鋼總氧化勢(shì)的增加，具有向更大內(nèi)氧化深度發(fā)展趨勢(shì)。
②不同合金成分的鋼具有不同的內(nèi)氧化形式和類型，常見形式為點(diǎn)狀、線狀或晶格狀氧化物。
③Si是影響鋼在滲碳中內(nèi)氧化的主要內(nèi)在因素，其次是Mn。由于Si的氧化物比Mn的氧化物深度更大，因此可用Si的氧化來測(cè)定內(nèi)氧化程度。Si作為煉鋼中脫氧劑而殘留在鋼中，通常在0.367%。
作者：金榮植
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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