工件碳氮共滲后，在幾十微米的表層內出現許多小黑點或小黑塊，呈不連續分布；或相連成網狀直通表面，形成黑色網狀組織；或者出現托氏體黑色網帶，這三類組織通稱“黑色組織”。

黑色點狀組織一般出現在0.1mm的表層內，在拋光后未經浸蝕的試樣中即可觀察到，呈斑點狀分布，有時呈網狀。經浸蝕后可見其在白色化合物基底上，經觀察證明，黑色斑點主要是由大小不等的孔洞組成。

黑色網狀組織是由合金元素氧化物、托氏體、貝氏體等組成的混合組織，一般為黑色網狀分布在表層的一定深度內。試樣經拋光不腐蝕就可以看到黑色網狀組織，經腐蝕后更加明顯，且在最外層出現黑色帶。這主要是由于內氧化引起。

黑色網帶組織與內氧化引起的黑色網狀組織不同，它在拋光未經浸蝕的試樣表面看不見，只有在腐蝕后才能在金相顯微鏡下看到，其特征是在整個滲層內沿奧氏體晶界出現托氏體網；當表層有粒狀碳氮化合物時，在化合物周圍，有時也可以看到托氏體、貝氏體組織。

滲層中出現黑色組織將大大降低零件的表面硬度、耐腐蝕性、抗彎疲勞強度和接觸疲勞強度，從而顯著降低零件的使用壽命。黑色組織對零件性能的影響程度與黑色組織的嚴重程度有關。20CrMnMo、20Cr2Ni4A鋼碳氮共滲的內氧化深度大于0.013mm時，會使鋼的疲勞極限下降20%～25%。40Cr鋼經碳氮共滲后，在0.3～0.4mm的共滲層中，存在0.05～0.06mm的淺層黑網時，多次沖擊壽命下降30%～60%，存在黑色帶狀托氏體時，多次沖擊壽命下降60%～80%。

如上所述，黑色組織是三種不同組織的通稱。由于種類不同及形成機理和產生原因也不同。

⒈黑色點狀組織
通過掃描電鏡觀察表明，黑色點狀組織顯示為孔洞，孔洞表面比較光滑，總的形態猶如溶洞。這顯然是氣體作用的結果。孔洞內比較干凈，只有少數孔洞中存在少量孤立的夾雜物。經鑒定，表面光滑的球狀夾雜物為硫化物，小塊狀的粒子為硅酸鹽夾雜。孔洞中無任何殘留的氧化物夾層或碎片。所以孔洞還可能是晶界上形成的氧化物脫落后的殘孔。在孔中找不到黑色石墨片或石墨塊殘存的痕跡。www.syfukang.com孔洞表面顯露出來的顆粒，是同基體組織結合在一起的晶界上的碳氮化合物，它們也沒有分解。對深冷脆性斷口的觀察表明，黑色組織孔洞與氣體析出有關，不是晶界氧化物或析出的石墨脫落后留下的孔隙。所以造成的孔洞的原因，應從氮或氫的作用來考慮。

在800～900℃的共滲溫度下，只會有碳氮化合物的生成，不會有碳氮化合物的分解。在共滲后溫度降低時，由于這類化合物的穩定性增強，更不能析出氣體氮。所以孔洞的形成不一定與碳氮化合物的生成和分解有必然的聯系。

在共滲溫度下，滲層的基體處于穩定的含氮奧氏體狀態。一般情況下，氮的氣體分子是不易析出的。在某些情況下，如有氣體析出，不是化合物分解的結果，而可能是在約600～700℃以下過飽和固溶體的分解。計算表明，在600℃時，平衡氣體氮的壓力為25000MPa，這說明在600℃以下的溫度時，溶解于共滲層中的氮充分析出時，是有可能造成孔洞的。

在氣體碳氮共滲處理中，碳原子主要來源于碳氫化合物，氮原子主要來源于氨，二者分解后均有大量的氫。因此，鋼不可避免地產生強烈的滲氫過程。氫的滲入有兩種作用，一種作用是直接造成孔洞，另一種作用是間接促成孔洞。后者有兩種可能，第一，滲入鋼中的過量氫，在鋼的內部與滲碳體生成甲烷，甲烷在鋼中溶解極小，不易排除，也往往聚集在晶界上或缺陷處，在這些地方造成孔洞或裂紋。第二，共滲層中溶解的氮的摩爾系數很高，在冷卻過程存在析出的趨勢。氣體氮的析出，必然有氮原子向晶界、缺陷等內表面擴散并和氫結合成氧分子的過程。在低于700℃的溫度下，固溶氮的質量分數降低，可以主要依靠氫的作用，以形成NH3的形式來實現。這樣，依靠氨的聚集和壓力的增長，也能在鋼的內部形成孔洞。

生產實踐表明，黑色點狀組織在下述條件下容易出現：共滲介質中氨氣量過多，其滲層表面氮的質量分數大于0.5%；共滲溫度低，共滲時間過長等。降低氨的通入量和提高共滲溫度可以減輕黑色點狀組織的產生。

⒉黑色網狀組織
黑色網狀組織的產生，是由于合金鋼在碳氮共滲氣氛中加熱時，零件的表面與氣氛中的二氧化碳、氧氣、水蒸氣相互作用而被氧化，形成合金氧化物，使奧氏體中的合金元素貧化，降低奧氏體的穩定性，同時氧化物又促進擴散型轉變的非自發成核，隨后淬火冷卻時，這部分合金元素貧化了奧氏體轉變為托氏體、貝氏體等非馬氏體組織。

碳氮共滲時，當爐內氣氛中的氧勢較高時，氧原子在工件表面聚集，并沿奧氏體晶界向晶內擴散。而合金元素則由晶內向晶界和由內層向表層擴散與氧結合成氧化物。由于鋼中氧化物的含量由表層向內層逐漸減少，并基本分布在晶界上，因而形成網狀黑色組織。

在碳氮共滲溫度下，鋼中的合金元素與氧的親和力從大到小排列次序為Al、Ti、Si、V、Mn、Cr、Fe、Mo、W、Co、Ni。愈靠前面的元素，愈易被氧化。

碳氮共滲層內氧化傾向較大與共滲介質的氧勢較高有關。這是因為液氨中經常含有一定的水分，當氨氣干燥不充分時，水分被帶入爐內。碳氮共滲溫度較低，滲劑裂解不完全，產氣量少，排氣速度較慢，爐內氧化性氣體停留時間較長，特別是爐內氣氛中的CO、CO2 、O2與氨氣發生化學反應，生成水蒸氣，進一步提高了爐內氧勢。隨著氨氣含量增加，內氧化增加。

在實際碳氮共滲條件下，內氧化主要發生在排氣階段，為了防止內氧化可以采取以下措施：
要充分干燥氨氣。定期更換或再生干燥裝置。如果使用滴注式碳氮共滲，應嚴格控制滲劑中的水分含量。
在排氣階段，要采取加速排氣措施。可用氮氣、吸熱式氣氛進行大氣量排氣，或者用大滴量甲醇加速排氣。在排氣期，要適當減少氨氣的供給量。

⒊托氏體黑色網帶組織
托氏體黑色網帶組織產生的原因，有可能是碳氮共滲時，Cr、Mn等合金元素溶入表層的碳氮化合物中，使得奧氏體的合金元素以及碳氮含量降低，使奧氏體穩定性降低，同時這些碳氮化合物起非自發形核作用，進一步加速奧氏體分解，導致網狀托氏體形成。也有可能是共滲溫度偏低，爐氣活性差，表面含碳氮量不足，奧氏體不夠穩定，或者是共滲后冷卻緩慢，淬火加熱過程中發生表面脫碳或脫碳引起的。這類托氏體黑網帶經重新加熱，快速冷卻淬火，可以得到消除。

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