有氧环境下渗碳层缺陷组织及其对使用性能的影响

【摘要】： 黑色组织是气体碳氮共渗及渗碳层中最容易出现的一种组织缺陷,而许多研究认为这种缺陷更容易出现在碳氮共渗层中,它的形成主要与有氧环境下的渗碳或碳氮共渗过程中发生的内氧化有关。由于渗碳或碳氮共渗工艺本身的复杂性:被处理工件材料的特殊性(如化学成分、显微组织等特点)都有可能使“内氧化”所引起的组织缺陷与传统的“黑色组织”有所不同。本论文通过对开裂失效的大型渗碳齿轮及渗碳柴油机柱塞套的剖析研究发现了两种异常内氧化缺陷组织。论文通过OPM、SEM、EDAX及显微硬度测试等分析测试手段详细研究了这两种异常组织缺陷的特点,并结合模拟固体渗碳及模拟氧化实验结果揭示其形成机理及本质,探讨改进及预防措施。论文主要研究结果如下: 一、大型渗碳齿轮异常内氧化缺陷 (1)渗层黑色网状组织与传统的晶界内氧化组织存在较大差异,伴随着灰色块状或条状氧化物组织的出现,除了形成非马氏体组织外,晶界出现了连续或断续分布的沿晶网状裂纹,从表观形貌上看,这种缺陷组织要比碳氮共渗内氧化引起的所谓黑色组织危害性更大。 (2)由于沿晶氧化物的弹性模量与基体的弹性模量不同,在渗碳层内氧化区拉应力作用下,两者变形不协调而导致沿晶网状裂纹形成。此外,氧化物的脱离也会产生大量的沿晶裂纹 (3)作为消除或减低内氧化缺陷对渗碳层性能影响的一种有效方法一喷丸处理,对消除沿晶网状裂纹无明显作用。 二、渗碳柱塞套异常内氧化缺陷 (1)在柱塞套油孔边缘、及柱塞套不同轴径的交界处均出现轴向“矛状”凹坑或“矛状”钝裂纹。 (2)开裂柱塞套主裂纹均以油孔上下边缘“矛状”钝裂纹端部为疲劳裂纹源,并沿轴向相向扩展,最终导致柱塞套开裂失效。 (3)“矛状"钝裂纹只在表面渗碳层中形成,且沿着拉长的MnS夹杂物扩展。“矛状”钝裂纹的形成与气体渗碳过程有关。 (4)由于Mn与氧的亲和力较大,气体渗碳过程中,氧与柱塞套表面存在的轴向MnS夹杂物发生氧化反应,也即发生了以MnS夹杂为中心的内氧化。MnS夹杂物从基体分离→脱落→形成凹坑(矛状裂纹)。 (5)对性能影响较小的不超标的MnS夹杂物在有氧环境下渗碳(气体渗碳)可能发生“特殊”内氧化,使得非金属夹杂物的有效尺寸增加,导致工件异常失效。