黑色組織是指鋼件在碳氮共滲后,在金相檢測中發(fā)現(xiàn)滲層中出現(xiàn)的黑色斑點(diǎn)、黑色帶及黑色網(wǎng)組織,這些統(tǒng)稱黑色組織,又叫內(nèi)氧化。
黑色組織出現(xiàn)在合金鋼的共滲層中,高溫下爐氣中的水汽、氧氣、二氧化碳與鋼中的合金元素相互作用而被氧化,使表層、次表層的合金元素“貧化”。降低了奧氏體的穩(wěn)定性,使等溫轉(zhuǎn)變圖左移,共滲后經(jīng)淬火通過托氏體、貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)而最終形成了氧化物、托氏體和貝氏體的混合組織。由于托氏體、貝氏體易腐蝕,在光鏡下呈現(xiàn)黑色。黑網(wǎng)、黑帶在拋光時(shí)不腐蝕,有時(shí)也能看到,但腐蝕后更清楚。
高氧勢氣氛中的氧原子,會沿著奧氏體晶界向內(nèi)擴(kuò)散。由于晶界能量較高,合金元素會從晶內(nèi)向晶界移動,并迅速與晶界上活潑的氧原子起化學(xué)作用,生成氧化物。在晶界上的合金元素也會沿晶界向外擴(kuò)散,迎接向內(nèi)擴(kuò)散的氧原子生成氧化物。所以晶界和表層氧化物多。在高溫下( 860℃)合金元素同氧的結(jié)合力相比,排在Fe元素前面的是Al、Ti、Si、V、Mn、Cr,它們優(yōu)先同氧結(jié)合,產(chǎn)生內(nèi)氧化。
黑點(diǎn)多發(fā)生在離表層40μm處的孔洞。主要是共滲初期爐氣氮勢過高,使?jié)B層中氮含量高,故應(yīng)控制氨氣流量和氨分解率。另外共滲時(shí)間太長,碳濃度會增加,促使氮化物分解,出現(xiàn)脫氮過程,使原子氮變成分子氮而形成孔洞。
黑帶多在0~ 30μm表層范圍內(nèi)。形成的合金元素的氧化物、氮化物和碳化物小顆粒使奧氏體中的合金元素“貧化”,淬透性降低,形成非馬氏體組織。
黑網(wǎng)一般在黑帶內(nèi)側(cè)形成,碳氮沿奧氏體晶界擴(kuò)散,在晶界形成Mn、Ti等元素的碳氮化合物,使晶界附近中的合金元素降低,淬火時(shí)易形成托氏體。同理,在共滲層過渡處同樣會形成黑網(wǎng)。
黑色組織使零件表面硬度降低,耐磨性降低,使彎曲疲勞強(qiáng)度下降1/2,接觸疲勞強(qiáng)度下降到原來的5/6。
防止黑色組織產(chǎn)生的措施是:爐體密封,防止漏氣,防止空氣中的氧進(jìn)入而促進(jìn)黑色組織形成。氨氣要干燥脫水,最少經(jīng)過兩道脫水,干燥劑分子篩和硅膠也要定期烘燒除水。應(yīng)加速排氣,排氣過慢氨氣會同CO、CO2、O2反應(yīng)生成水蒸氣。共滲后盡量不空冷,防止脫碳、脫氮。吸熱式氣氛中由于有較多的CO和少量水分,使Cr、Mn、Ti鋼共滲時(shí)出現(xiàn)內(nèi)氧化,因?yàn)镃O與氧的親和力強(qiáng)。
工件出現(xiàn)黑色組織后,可以放入保護(hù)氣氛中重新加熱到840~860℃,保溫后快速淬火、回火即可消除。