渗碳层非马氏体组织一般是指渗碳或碳氮共渗零件表面黑色组织（黑网、黑带及黑洞，所谓“三黑”）的别称。在渗碳（碳氮共渗）过程中，由于内氧化的原因而导致基体中合金元素在晶界附近偏聚析出，合金元素贫化致使局部淬透性下降，从而形成的托氏体类组织。这些组织有初生铁素体，初生屈氏体（连成一片称黑带，未连成一片称黑网），部分钢种出现贝氏体，它们均称为非马氏体组织。

非马氏体组织的产生会使渗碳或碳氮共渗零件的表面硬度、耐磨性下降，零件表面有益的残余压应力减小，甚至表面形成残余拉应力，导致零件的疲劳强度下降，使用寿命降低。

1. 产生原因

（1）当渗碳炉气中的O₂、H₂O、CO₂等氧化性气体含量较高或零件表面有严重氧化皮时，在渗碳过程中，在最外表面形成氧化物。接着在氧沿晶界扩散的同时，晶粒内的Cr、Si和Mn向晶界的氧扩散，并在晶界上形成氧化物（Cr_XO_Y、Si_XO_Y及Mn_XO_Y）（一般把晶内氧化和晶界氧化统称为内氧化），同时使氧化物附近的基体中碳和合金元素贫化，使该层附近的淬透性下降，对于油淬来说，生成微细的珠光体或贝氏体，而非马氏体组织。

研究表明，通过采用philipe FEISIraon—200型带能谱分析扫描电镜对同一试样产生非马氏体组织的晶界和晶内处进行点扫描，测定C、O以及Fe元素。结果是非马氏体的晶界与晶内分别为3.67%和2.13%，即非马氏体组织的晶界处O含量比晶内高出50%以上。C含量变化不大。因此，“非马氏体组织是由于内氧化造成的”理论是正确的。

（2）特征，晶界氧化不仅在晶界，在表面也生成氧化物。含Cr的渗碳钢，由于表面生成铬的氧化物，在干净的淬火油中淬火后，可以用肉眼观察到干净表面出现浅绿色；用显微镜观察表面时，可以看到晶界氧化呈网状或半网状等，淬火组织为贝氏体或屈氏体组织，而非马氏体组织；工件表面硬度低，残余压应力下降。20CrMnTi钢齿轮渗碳层非马氏体组织如图1a、1b所示。

（a）

（b）

图1 20CrMnTi钢齿轮渗碳层非马氏体组织（400×）

2.危害

在渗碳气氛中含有若干的O₂、CO₂和H₂O，渗碳的同时会产生氧化反应，在渗碳淬火的零件表面，如果在晶界产生氧化，有微细的珠光体或奥氏体晶界氧化的共存情况。如果这些现象严重，前者产生剥离和磨削裂纹，后者降低耐磨性能及疲劳性能。研究表明，非马氏体组织深度＜0.013mm时，对疲劳强度影响不大；当非马氏体组织深度＞0.016mm，可使零件疲劳强度降低25%。非马氏体组织的存在特别影响弯曲疲劳强度，当表面非马氏体组织的深度在40μm以上时，弯曲疲劳强度可降低50%。因此，在GB/T 8539中规定，对性能要求较高的齿轮（ME级）渗碳，在渗碳层≤0.75mm时，其非马氏体组织深度应≤0.012mm。表1为部分渗碳齿轮非马氏体组织的相关标准。

表1 部分渗碳齿轮非马氏体组织的相关标准

3. 影响因素

（1）气体渗碳工艺及过程、钢材对内氧化程度的影响

①气体渗碳工艺（外因）的影响：决定内氧化强烈程度的氧化物形成程度主要取决于气体渗碳气氛中的氧分压，尤其是在炉门开启向炉内装入载荷而进入大量空气时，炉气氧势显著增加。

②渗碳过程对内氧化的影响：只有在无氧化物的介质中才可能实现无内氧化的渗碳。为此，应降低气氛中氧化物含量或氧势。在加热阶段引起的内氧化很小。加热阶段时间一般仅占渗碳时间的1/8~1/4。内氧化的主要部分不是在加热段中产生的。但是在加热阶段迅速排出进入的空气或把其中的氧消耗，从而缩短加热阶段时间，有利于减轻非马氏体组织。大多数内氧化是在渗碳及扩散阶段发生的，内氧化随着渗层深度即渗碳时间的增加而增加。其深度可达5~50μm。如果在渗碳阶段的大部分时间内维持低的氧势气氛（如只通天然气、丙烷气等），结果在整个处理过程结束以后，内氧化与非马氏体组织减少非常显著。

（2）钢件化学成分（内因）对内氧化的影响

确定内氧化程度不仅取决于气氛，而且很大程度上还取决于钢材本身，即可能发生氧化的合金元素的含量。

①产生的内氧化深度取决于对氧化敏感的合金元素含量。随着钢总氧化势的增加，具有向更大内氧化深度发展趋势。

②不同合金成分的钢具有不同的内氧化形式和类型，常见形式为点状、线状或晶格状氧化物。

③Si是影响钢在渗碳中内氧化的主要内在因素，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的氧化来测定内氧化程度。Si作为炼钢中脱氧剂而残留在钢中，通常在0.367%。

作者：金荣植

来源：《金属加工（热加工）》杂志

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