非调质钢同步器齿毂氮碳共渗质量检测的探讨

刘继武，宋庆东，刘家垚

天津天海同步科技有限公司 天津 301600

1 乘用车同步器齿毂的制作及检测

当前乘用车变速箱同步器齿毂的热处理方案主要有低碳钢渗碳淬火、中碳钢氮碳共渗、粉末冶金件烧结硬化三种形式。我公司生产的轿车变速箱齿毂以非调质钢的氮碳共渗工件和粉末冶金件烧结硬化为主，此两种热处理方式在变形控制上都比渗碳淬火好，同时在成本控制方面也占优势。扭矩需求相对较高时，齿毂设计上通常选择钢件氮碳共渗方案；载荷要求较低时则可选择粉末冶金方案（加工过程流程相对简捷，更具成本优势）。行业中习惯将气体氮碳共渗称为“气体软氮化”，本文主要探讨同步器齿毂氮碳共渗后的脆性检测问题。

1.1 氮碳共渗齿毂的常规检测

GB/T 11354—2005[1]适用于气体渗氮、离子渗氮、氮碳共渗后的钢铁零件表面渗氮层深度、脆性、疏松及脉状氮化物的测定与评定。

氮碳共渗工序热处理的时间相对较短，工艺成本优势明显。我公司现多款同步器齿毂产品都是采用的氮碳共渗方案。齿毂使用的材料牌号是F45MnVS，为国标易切削非调质钢。毛坯热处理采用等温正火，切削性能良好，非常利于热处理前的机械加工。工件氮碳共渗后的表面硬度可达550HV0.1以上。起初我们制定检测项目参考的标准是JB/T 4155—1999《气体氮碳共渗》[2]，主要包含表面硬度、渗层深度、化合物层厚度、化合物层疏松、心部硬度等项目。因JB/T 4155—1999中并无脆性这一指标，长期以来我们未做脆性检测。

1.2 齿毂氮碳共渗工艺及金相检测实例

以我公司的一款氮碳共渗产品为例，具体介绍一下不同环节的热处理检测要求。该工件热处理质量十分稳定，材料牌号为F45MnVS，毛坯预处理和氮碳共渗后的最终检测项目如下：

1）毛坯正火后要求：正火硬度为210～250HBW，实际晶粒度为5～9级，带状组织≤2级，魏氏组织<1级，混晶≤2级。

2）成品氮碳共渗后要求：表面硬度为550～760HV0.1，心部硬度为200～240HBW，渗层深度为0.3～0.5mm，化合物层厚度为10～20μm，表层疏松≤3级。

该零件热处理后实际检测工件表面硬度在550～650HV0.2（标准中规定表面硬度HV0.1检测，考虑到工件表面粗糙度的影响，我们以HV0.2代替），化合物层在10～16μm，表面疏松在3级以内。图1为该产品氮碳共渗后的金相组织，该组织表面为较均匀的化合物层，渗氮层疏松2级。图2为该产品的热处理工艺曲线。

图1 显微镜下氮化工件的表层组织（100×）

图2 氮碳共渗工艺

2 齿毂氮碳共渗后脆性检测的提出

2016年公司业务中涉及一款同步器齿毂，材料牌号也是F45MnVS，碳氮共渗工艺曲线和图2所示基本相同。我公司向变速箱厂提供零件，再由变速箱厂装箱后以变速器总成的方式向其国外用户供货。变速箱厂给我们的检测项里提到了脆性检测要求，依据是GB/T 11354—2005《钢铁零件 渗氮层深度测定和金相组织检验》，该标准中提出渗氮层的脆性可控制在1～3级水平、重要件1～2级。标准规定化合物层脆性检测方法为维氏硬度压痕法， 主要以压痕的完整程度来划分等级标准。

基于用户要求与GB/T 11354—2005技术条件，我们对该产品增加了脆性检测。但后来双方在脆性级别判定应用上存在很大分歧。图3是工件的脆性检测图样，对于以上结果我们判定为脆性1级，因为我们认定图样中4个角完整，4条边界也是完整的。

图3 检测样件压痕

图4 GB/T 11354—2005中脆性评级图

但用户对图3样件的判定为脆性4级，理由是依据GB /T 11354—2005对应检测图谱中的文字说明“压痕三边或三角碎裂”就可判定为4级（注：标准图谱中照片是38CrMoAl材料在不同的气体渗氮参数下获得的）。在用户看来图样中三条边界面处都存在塌陷与裂纹，因此可判定为4级。单从文字描述上来讲，用户所说确实有一定道理，一时间我们提不出反驳意见。但如果从图谱对照来看，我们检测的压痕形貌与标准图谱中的照片还是相差甚远。

3 工艺调整前后的检测对比

1）用户站在质量控制的角度对我方检测的结果提出异议，我们在理解的同时也积极地配合并进行了整改。但由于对标准理解的不同，一时间彼此不能同意对方的观点，都希望第三方专业机构介入评判。于是我们咨询了多家同行业技术人员，遗憾的是我们所咨询到的人员对于氮碳共渗脆性检测理解也是比较模糊的，基本观点就是标准中没有明确氮碳共渗产品不用检测渗氮层脆性，检测与否由用户与生产单位自行商定。但查遍所有标准也没有找到针对氮碳共渗产品渗氮层脆性检测的相应图谱。

2）为确保不出现质量反馈，在与用户充分沟通后我们安排了多项试验方案来对比观察化合物层脆性的差异。以下为我们调整工件氮碳共渗出炉后冷却速度的试验情况：

工件氮碳共渗出炉后降低冷却速度：图5为降低冷却速度样块压痕，图6为降低冷却速度样块金相图。

工件氮碳共渗出炉后提高冷却速度：图7为提高冷却速度样块1压痕，图8为提高冷却速度样块2压痕。

比较以上图片发现两种试验的检测结果还是很接近，在各自4条压痕的边缘处依然存在轻微塌陷与裂纹。此项试验没有新发现。

图5 降低冷速样块压痕

图6 降低冷却速度样块金相图片（400×）

图7 提高冷却速度样块1压痕

图8 提高冷却速度样块2压痕

3）因双方有争议的这款产品最终要出口到欧洲，为了安全起见用户同意我们将该产品样件委托上海一家专业热处理厂按两种工艺进行氮碳共渗处理，对比其热处理后的结果与我们产品的现状有何不同。上海这家公司所使用的氮碳共渗设备是从欧洲原装进口的，其工艺水平代表着欧洲当前先进水平，如果试验结果与现状零件的差别不大，就可以进一步减少用户顾虑。图9、图10分别是在上海公司加工样件的检测图片，与我公司碳氮共渗的工件相比差异不大，压痕4边同样存在一些塌陷与裂纹。

图9所示工件的氮碳共渗时间稍长，硬度法实测扩散层深为0.43mm；图10所示工件的氮碳共渗时间稍短，硬度法实测扩散层深度为0.39mm。检测发现在进口设备上热处理零件的脆性压痕与之前零件也是非常接近。换而言之，当前的零件质量水平与欧洲基本处于同等水平，没有明显差距。因此我们认为该产品从使用的角度来讲是没有问题的。当时我们的用户见到以上试验结果后，同意此种状态下的工件化合物层脆性水平暂判定为合格，先期按正常状态进行供货。

图9 上海公司加工样件1

图10 上海公司加样工件2

4）再后来为进一步降低用户的担忧，我们又安排了一次试验，将F45MnVS材质的试块先调质处理（心部硬度控制在25～28HRC）后再进行氮碳共渗，然后检测磨去表面白亮层前后的压痕形态。

图11压痕从整体轮廓上观看，我们很容易发现压痕的4条边线呈向内部凹陷，周边有裂纹与小的破损块。图12所显示的是磨去白亮层之后的脆性压痕。4条边界呈现向外微突的趋势。二者边压痕边线变形趋势正好相反。

图11 碳氮共渗后直接检测的脆性压痕

图12 磨去白亮层后的脆性压痕

图13 为该试样的硬度梯度曲线。距工件表面0.1mm处的硬度为470HV0.3，基体硬度较低，只有230HV0.3。此试样的表面硬度590HV0.1。理论上讲由于维氏硬度计的压头是正四棱锥，压痕边界应该是一条直线，但实际测试的压痕边界不是这样的：有白亮层和无白亮层两种状况下出现了两种明显不同的现象。高硬度表面和低硬度的次表面在98N（10kgf）载荷下压痕贯穿了白亮层厚度，造成压痕轮廓线会在不同深度层面形成不同的变化趋势，心部硬度越低时此现象越明显。这可能就是氮碳共渗产品表面维氏98N载荷下压痕4条边线或多或少有碎裂及塌陷的原因所在。

后来我们又采取多项试验，但得到的结果都很相近。后查阅GB/T 11354—2005的表B.5，脆性大于2级时对应的化合物层硬度值全超过了1000HV0.1。

图13 样件表层至心部的硬度梯度曲线

鉴于以上因素，我们和用户进一步进行了沟通，达成以下共识：不在只按标准中的语言描述来定义氮碳共渗产品的渗氮层脆性级别，对于氮碳共渗产品其渗氮层脆性检测压痕的4条边界处存在轻微塌陷是允许的，可视为合格。

4 结束语

1）F45MnVS材质同步器齿毂进行氮碳共渗后采用维氏硬度98N测试化合物层脆性时，压痕周边会出现轻微塌陷与裂纹，但结合实测硬度值可判定脆性级别为合格。

2）多年以来，我公司生产的氮碳共渗齿毂无早期失效反馈，现有氮碳共渗设备能力与工艺控制水平满足产品质量要求。

3）国家标准GB/T 11354—2005中强调的是对气体渗氮产品检测渗氮层脆性。对于氮碳共渗产品是否检测渗氮层脆性未明确要求，可以理解为非必要检测项目。同时希望相关机构组织能够更多地收集F45MnVS材质的氮碳共渗试验数据，作为附录内容对标准做进一步的完善补充，更利于指导生产质量判定。