氣體氮碳共滲SPCC鋼表面硬度超低的原因分析及解決措施

高曉輝

（南京豐東熱處理工程有限公司，江蘇 南京 211200）

SPCC鋼作為冷軋?zhí)妓劁摪宀?，具有?yōu)良的塑性變形能力，廣泛應用于汽車、電器、家具和日用品制造?？蛻裟承吞柈a品采用兩種材料，其中蓋板材料為SPCC鋼，圈體材料與蓋板材料不同，如圖1所示。技術要求為氣體氮碳共滲，表面硬度≥400 HV0.1，化合物層深5～25μm。

圖1 產品結構及檢測位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of product structure and detection position

氣體氮碳共滲是在520～570℃溫度下進行，在產品表面滲入氮原子的同時滲入少量碳原子的化學熱處理工藝。主要應用于硬化層薄、受載荷小、畸變控制比較嚴格的耐磨件。其最大的優(yōu)點是適用于任何鋼種，受硬化層薄的制約，氣體氮碳共滲不能應用于承受重載負荷的產品。

1 試驗工藝及檢測結果

生產設備是UNB1000氣氛氮化爐，表面硬度檢測設備為HV-50型硬度計，載荷為0.1kg，檢測方法遵循GB/T 4340.2—2012《金屬材料 維氏硬度試驗 第2部分：硬度計的檢驗與校準》。

產品氣體氮碳共滲工藝曲線如圖2所示。

圖2 氣體氮碳共滲工藝曲線Fig.2 Gas nitrocarburizing process curve

滲氮過程在整個流程中均存在，第三階段通入CO2，同時測定氨分解率在65%～75%之間，試樣經氮碳共滲工藝后來料試樣符合產品技術要求。檢測結果見表1。

表1 經氮碳共滲后來料試樣的檢測結果Table 1 Test results of the incoming specimens after nitrocarburizing

量產后的第三個月檢驗發(fā)現該型號產品蓋板硬度出現超下差的情況，蓋板表面硬度檢測不合格，檢測數值為262～358 HV0.1，化合物層深要求檢測合格。

表2 失效件的檢測結果Table 2 Test results of the failed specimens

2 硬度偏低原因查找、分析

2.1 相關因素排查

首先對來料進行排查，發(fā)現來料狀態(tài)發(fā)生變化，原先的來料蓋板是平面，沒有車刀紋；失效件由于客戶處為保證平面度對蓋板進行車加工，蓋板表面有車刀紋。

圖3 來料試樣（a）和失效件（b）蓋板面宏觀形貌Fig.3 Macromorphologies of cover surface on the incoming（a）and failed specimens（b）

造成滲氮件硬度低的原因主要有原材料成分不合格；預處理（調質）硬度低；滲氮表面有油污、脫碳層或氧化皮；滲氮爐密封不良、漏氣；滲氮時爐溫偏高[1]。根據實際情況分析，可能的原因有原材料改變、生產過程異常、檢測失真。

2.2 原因分析

檢查生產過程及工藝參數均在工藝技術要求范圍內，查閱文獻[2]發(fā)現維氏硬度計對檢測平面的平整度有一定的要求，懷疑是表面車刀紋引起的硬度檢測不準確，而并非是滲氮過程導致的硬度偏低。

首先對車刀紋深度、寬度進行檢測，發(fā)現車刀紋深度已超過化合物層深度，客戶處檢測車刀紋深度為0.0203～0.0254 mm，而化合物層深為0.010～0.013 mm（如圖4所示），也就是說化合物層深沒有完全覆蓋車刀紋深度，如果在檢測時磨拋量過大，很容易導致化合物層被磨掉，造成檢測硬度值偏低。

圖4 失效件蓋板面車刀紋Fig.4 Turning tool pattern on cover surface of the failed specimens

3 蓋板硬度檢測方式的探索

針對車刀紋影響硬度檢測的問題，與客戶協商確定了幾個改善方案：

1）車件蓋板加工方式采用“以磨代車”，磨加工完全可以避免車刀紋；缺點是磨加工成本比車加工高。

2）放入與蓋板同材料、表面平整的樣塊，檢測時以樣塊代替產品進行檢測；缺點是需要確定樣塊與產品實際檢測誤差有多大，并且樣塊放置于哪個位置更能代表產品真實狀態(tài)需要以試驗進行確定，工作量比較大的同時其不確定性比較大。

以上兩種方案的可執(zhí)行性不高，還是考慮在原來檢測方式的基礎上改進，以使得雙方檢測標準一致，減少檢測誤差?？紤]到產品表面有車刀紋，車刀紋呈波浪狀，有波峰、波谷，是否可以采用在車刀紋波峰處硬度打點的可能性，驗證波峰的寬度是否足夠容納維氏硬度計圓錐壓頭的大小。實際打點后可以看出（見圖5），波峰處的寬度足夠容納維氏硬度計圓錐壓頭。與客戶協商后確定表面硬度拋光后檢測波峰位置處的硬度值[3]，采用不鑲只拋、鑲嵌制樣+不磨只拋兩種方式驗證雙方檢測偏差，檢測結果如表3所示。

圖5 失效件車刀紋波峰寬與維氏硬度計打點位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of peak width of turning tool pattern in the failed specimens and dot position of Vickers hardness testing

表3 失效件蓋板表面經兩種方式檢測后硬度檢測結果Table 3 Hardness test results of cover surface of the failed specimens after two testing methods

根據檢測結果來看，采用不切割、直接拋光的方式其檢測硬度較為穩(wěn)定，雙方確定蓋板面硬度采用不切割鑲嵌、直接拋光的方式檢測。

4 結論

來料狀態(tài)試樣的改變需經過熱處理工藝驗證后方可變更，表面熱處理對于影響產品表面物理、化學狀態(tài)的變更點非常敏感，諸如本文中產品表面粗糙度（有無車刀紋的變化）影響了檢測的準確性。

1）檢測件表面的“峰谷”不平整影響硬度檢測準確度，根據檢測要求需要對表面磨拋平整后檢測，磨拋過深導致磨掉了滲氮層，出現硬度偏低的現象。

2）表面出現傾斜、波紋等不平整狀態(tài)時，應當確保檢測位置的粗糙度符合檢測要求，硬度采用不切割鑲嵌、直接拋光的方式檢測。