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力減小，甚至表面形成殘余拉應力，導致零件的疲勞強度下降，使用壽命降低。
1. 產(chǎn)生原因
（1）當滲碳爐氣中的O2、H2O、CO2等氧化性氣體含量較高或零件表面有嚴重氧化皮時，在滲碳過程中，在最外表面形成氧化物。接著在氧沿晶界擴散的同時，晶粒內(nèi)的Cr、Si和Mn向晶界的氧擴散，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，對于油淬來說，生成微細的珠光體或貝氏體，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同一試樣產(chǎn)生非馬氏體組織的晶界和晶內(nèi)處進行點掃描，測定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，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
在滲碳氣氛中含有若干的O2、CO2和H2O，滲碳的同時會產(chǎn)生氧化反應，在滲碳淬火的零件表面，如果在晶界產(chǎn)生氧化，有微細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，對疲勞強度影響不大；當非馬氏體組織深度＞0.016mm，可使零件疲勞強度降低25%。非馬氏體組織的存在特別影響彎曲疲勞強度，當表面非馬氏體組織的深度在40μm以上時，彎曲疲勞強度可降低50%。因此，在GB/T 8539中規(guī)定，對性能要求較高的齒輪（ME級）滲碳，在滲碳層≤0.75mm時，其非馬氏體組織深度應≤0.012mm。表1為部分滲碳齒輪非馬氏體組織的相關標準。
表1 部分滲碳齒輪非馬氏體組織的相關標準
中國國標GB/T8539-2000：1級 | 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)氧化強烈程度的氧化物形成程度主要取決于氣體滲碳氣氛中的氧分壓，尤其是在爐門開啟向爐內(nèi)裝入載荷而進入大量空氣時，爐氣氧勢顯著增加。
②滲碳過程對內(nèi)氧化的影響：只有在無氧化物的介質(zhì)中才可能實現(xiàn)無內(nèi)氧化的滲碳。為此，應降低氣氛中氧化物含量或氧勢。在加熱階段引起的內(nèi)氧化很小。加熱階段時間一般僅占滲碳時間的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入的空氣或把其中的氧消耗，從而縮短加熱階段時間，有利于減輕非馬氏體組織。大多數(shù)內(nèi)氧化是在滲碳及擴散階段發(fā)生的，內(nèi)氧化隨著滲層深度即滲碳時間的增加而增加。其深度可達5~50μm。如果在滲碳階段的大部分時間內(nèi)維持低的氧勢氣氛（如只通天然氣、丙烷氣等），結(jié)果在整個處理過程結(jié)束以后，內(nèi)氧化與非馬氏體組織減少非常顯著。
（2）鋼件化學成分（內(nèi)因）對內(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)氧化深度取決于對氧化敏感的合金元素含量。隨著鋼總氧化勢的增加，具有向更大內(nèi)氧化深度發(fā)展趨勢。
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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