岛津EPMA超轻元素分析之八：探索齿轮外硬内韧的奥秘

2020-10-31 01:06:29, 分析中心岛津企业管理（中国）有限公司/岛津（香港）有限公司

导读

低碳低合金钢齿轮零件通过表面渗碳硬化处理后，能够使表面具有高硬度、高耐磨性及抗疲劳性能的同时保持心部的强韧性。表面渗碳的浓度、渗层深度及梯度分布对于产品的性能影响至关重要。但由于碳属于轻元素，这种低含量的梯度分布变化的测试使用其他仪器测试难以完成，而岛津电子探针EPMA由于配置52.5°的高特征X射线取出角和全聚焦晶体，能够更有效地减少基体吸收所带来的影响，具有高灵敏度和优异的检测限。

关于渗碳

什么是渗碳

渗碳是将含碳量较低的零件在渗碳介质中加热和保温，使活性较强的碳原子渗入表面，从而在表面获得一定含碳量。渗碳层表面含碳量和渗碳深度随渗碳的时间增加而增加，随渗碳温度的升高而加深。

渗碳的特点

渗碳是常见的一种表面硬化方法，通过渗碳的工艺使零件的表层具有很高的硬度、耐磨性及耐疲劳性但心部仍然保持较好的韧性。主要用于承受磨损、交变接触应力或者弯曲应力和冲击载荷的零部件，如各种轴类、齿轮等。

渗碳的测试意义

不同产品或者同类产品但使用场景不同，对于渗碳表面浓度与渗层深度需求不同，测试和分析表面处理状态是对产品检验最基本的要求。这些基础数据的获得对于产品的开发、生产工艺的制定以及失效分析等各个方面具有指导作用。

岛津电子探针EPMA对渗碳层的表征

使用岛津电子探针EPMA-1720分别测试了齿轮部件表面渗碳和某轴碳氮共渗中碳的分布情况。其中碳元素的质量百分比含量定量化方式采用的是EPMA的工作曲线法（也称检量线法）。标样使用经日本产业技术综合研究所(AIST) 计量标准中心(NMIJ)认证过的铁-碳套标，建立了工作曲线，线性良好。测试获得了直观的碳元素面分布和线分布特征。

图1 岛津EPMA-1720建立的工作曲线

图2 齿轮和轴表面渗碳的面分布和线浓度分布梯度

专家声音

江苏省（沙钢）钢铁研究院吴园园主任工程师在电子探针应用方面有着多年的经验积累，特别是通过检量线法对钢中碳元素定量方面做了大量工作，也发表了多篇文章与业界分享，在如何避免样品的磨抛处理造成碳污染等方面，巧妙地采用等离子清洗仪（氢气+氧气组合）对样品表面可能残留的碳污染进行清洗以保证最终测试效果。

谈到岛津电子探针时，吴老师说，其实电子探针测试包括碳在内的超轻元素之所以比较困难，最大的问题就在于如何尽量减少基体对超轻元素特征X射线的吸收，提高仪器检测的灵敏度。采用全聚焦晶体、提高特征X射线检出角以及专用晶体等都是岛津电子探针在测量轻元素方面得天独厚的优势，可以让仪器使用人员更专注于制样和测试本身，提高测试的准确性。