非調質鋼同步器齒轂氮碳共滲質量檢測的探討

劉繼武，宋慶東，劉家垚

天津天海同步科技有限公司 天津 301600

1 乘用車同步器齒轂的制作及檢測

當前乘用車變速箱同步器齒轂的熱處理方案主要有低碳鋼滲碳淬火、中碳鋼氮碳共滲、粉末冶金件燒結硬化三種形式。我公司生產的轎車變速箱齒轂以非調質鋼的氮碳共滲工件和粉末冶金件燒結硬化為主，此兩種熱處理方式在變形控制上都比滲碳淬火好，同時在成本控制方面也占優勢。扭矩需求相對較高時，齒轂設計上通常選擇鋼件氮碳共滲方案；載荷要求較低時則可選擇粉末冶金方案（加工過程流程相對簡捷，更具成本優勢）。行業中習慣將氣體氮碳共滲稱為“氣體軟氮化”，本文主要探討同步器齒轂氮碳共滲后的脆性檢測問題。

1.1 氮碳共滲齒轂的常規檢測

GB/T 11354—2005[1]適用于氣體滲氮、離子滲氮、氮碳共滲后的鋼鐵零件表面滲氮層深度、脆性、疏松及脈狀氮化物的測定與評定。

氮碳共滲工序熱處理的時間相對較短，工藝成本優勢明顯。我公司現多款同步器齒轂產品都是采用的氮碳共滲方案。齒轂使用的材料牌號是F45MnVS，為國標易切削非調質鋼。毛坯熱處理采用等溫正火，切削性能良好，非常利于熱處理前的機械加工。工件氮碳共滲后的表面硬度可達550HV0.1以上。起初我們制定檢測項目參考的標準是JB/T 4155—1999《氣體氮碳共滲》[2]，主要包含表面硬度、滲層深度、化合物層厚度、化合物層疏松、心部硬度等項目。因JB/T 4155—1999中并無脆性這一指標，長期以來我們未做脆性檢測。

1.2 齒轂氮碳共滲工藝及金相檢測實例

以我公司的一款氮碳共滲產品為例，具體介紹一下不同環節的熱處理檢測要求。該工件熱處理質量十分穩定，材料牌號為F45MnVS，毛坯預處理和氮碳共滲后的最終檢測項目如下：

1）毛坯正火后要求：正火硬度為210～250HBW，實際晶粒度為5～9級，帶狀組織≤2級，魏氏組織<1級，混晶≤2級。

2）成品氮碳共滲后要求：表面硬度為550～760HV0.1，心部硬度為200～240HBW，滲層深度為0.3～0.5mm，化合物層厚度為10～20μm，表層疏松≤3級。

該零件熱處理后實際檢測工件表面硬度在550～650HV0.2（標準中規定表面硬度HV0.1檢測，考慮到工件表面粗糙度的影響，我們以HV0.2代替），化合物層在10～16μm，表面疏松在3級以內。圖1為該產品氮碳共滲后的金相組織，該組織表面為較均勻的化合物層，滲氮層疏松2級。圖2為該產品的熱處理工藝曲線。

圖1 顯微鏡下氮化工件的表層組織（100×）

圖2 氮碳共滲工藝

2 齒轂氮碳共滲后脆性檢測的提出

2016年公司業務中涉及一款同步器齒轂，材料牌號也是F45MnVS，碳氮共滲工藝曲線和圖2所示基本相同。我公司向變速箱廠提供零件，再由變速箱廠裝箱后以變速器總成的方式向其國外用戶供貨。變速箱廠給我們的檢測項里提到了脆性檢測要求，依據是GB/T 11354—2005《鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗》，該標準中提出滲氮層的脆性可控制在1～3級水平、重要件1～2級。標準規定化合物層脆性檢測方法為維氏硬度壓痕法， 主要以壓痕的完整程度來劃分等級標準。

基于用戶要求與GB/T 11354—2005技術條件，我們對該產品增加了脆性檢測。但后來雙方在脆性級別判定應用上存在很大分歧。圖3是工件的脆性檢測圖樣，對于以上結果我們判定為脆性1級，因為我們認定圖樣中4個角完整，4條邊界也是完整的。

圖3 檢測樣件壓痕

圖4 GB/T 11354—2005中脆性評級圖

但用戶對圖3樣件的判定為脆性4級，理由是依據GB /T 11354—2005對應檢測圖譜中的文字說明“壓痕三邊或三角碎裂”就可判定為4級（注：標準圖譜中照片是38CrMoAl材料在不同的氣體滲氮參數下獲得的）。在用戶看來圖樣中三條邊界面處都存在塌陷與裂紋，因此可判定為4級。單從文字描述上來講，用戶所說確實有一定道理，一時間我們提不出反駁意見。但如果從圖譜對照來看，我們檢測的壓痕形貌與標準圖譜中的照片還是相差甚遠。

3 工藝調整前后的檢測對比

1）用戶站在質量控制的角度對我方檢測的結果提出異議，我們在理解的同時也積極地配合并進行了整改。但由于對標準理解的不同，一時間彼此不能同意對方的觀點，都希望第三方專業機構介入評判。于是我們咨詢了多家同行業技術人員，遺憾的是我們所咨詢到的人員對于氮碳共滲脆性檢測理解也是比較模糊的，基本觀點就是標準中沒有明確氮碳共滲產品不用檢測滲氮層脆性，檢測與否由用戶與生產單位自行商定。但查遍所有標準也沒有找到針對氮碳共滲產品滲氮層脆性檢測的相應圖譜。

2）為確保不出現質量反饋，在與用戶充分溝通后我們安排了多項試驗方案來對比觀察化合物層脆性的差異。以下為我們調整工件氮碳共滲出爐后冷卻速度的試驗情況：

工件氮碳共滲出爐后降低冷卻速度：圖5為降低冷卻速度樣塊壓痕，圖6為降低冷卻速度樣塊金相圖。

工件氮碳共滲出爐后提高冷卻速度：圖7為提高冷卻速度樣塊1壓痕，圖8為提高冷卻速度樣塊2壓痕。

比較以上圖片發現兩種試驗的檢測結果還是很接近，在各自4條壓痕的邊緣處依然存在輕微塌陷與裂紋。此項試驗沒有新發現。

圖5 降低冷速樣塊壓痕

圖6 降低冷卻速度樣塊金相圖片（400×）

圖7 提高冷卻速度樣塊1壓痕

圖8 提高冷卻速度樣塊2壓痕

3）因雙方有爭議的這款產品最終要出口到歐洲，為了安全起見用戶同意我們將該產品樣件委托上海一家專業熱處理廠按兩種工藝進行氮碳共滲處理，對比其熱處理后的結果與我們產品的現狀有何不同。上海這家公司所使用的氮碳共滲設備是從歐洲原裝進口的，其工藝水平代表著歐洲當前先進水平，如果試驗結果與現狀零件的差別不大，就可以進一步減少用戶顧慮。圖9、圖10分別是在上海公司加工樣件的檢測圖片，與我公司碳氮共滲的工件相比差異不大，壓痕4邊同樣存在一些塌陷與裂紋。

圖9所示工件的氮碳共滲時間稍長，硬度法實測擴散層深為0.43mm；圖10所示工件的氮碳共滲時間稍短，硬度法實測擴散層深度為0.39mm。檢測發現在進口設備上熱處理零件的脆性壓痕與之前零件也是非常接近。換而言之，當前的零件質量水平與歐洲基本處于同等水平，沒有明顯差距。因此我們認為該產品從使用的角度來講是沒有問題的。當時我們的用戶見到以上試驗結果后，同意此種狀態下的工件化合物層脆性水平暫判定為合格，先期按正常狀態進行供貨。

圖9 上海公司加工樣件1

圖10 上海公司加樣工件2

4）再后來為進一步降低用戶的擔憂，我們又安排了一次試驗，將F45MnVS材質的試塊先調質處理（心部硬度控制在25～28HRC）后再進行氮碳共滲，然后檢測磨去表面白亮層前后的壓痕形態。

圖11壓痕從整體輪廓上觀看，我們很容易發現壓痕的4條邊線呈向內部凹陷，周邊有裂紋與小的破損塊。圖12所顯示的是磨去白亮層之后的脆性壓痕。4條邊界呈現向外微突的趨勢。二者邊壓痕邊線變形趨勢正好相反。

圖11 碳氮共滲后直接檢測的脆性壓痕

圖12 磨去白亮層后的脆性壓痕

圖13 為該試樣的硬度梯度曲線。距工件表面0.1mm處的硬度為470HV0.3，基體硬度較低，只有230HV0.3。此試樣的表面硬度590HV0.1。理論上講由于維氏硬度計的壓頭是正四棱錐，壓痕邊界應該是一條直線，但實際測試的壓痕邊界不是這樣的：有白亮層和無白亮層兩種狀況下出現了兩種明顯不同的現象。高硬度表面和低硬度的次表面在98N（10kgf）載荷下壓痕貫穿了白亮層厚度，造成壓痕輪廓線會在不同深度層面形成不同的變化趨勢，心部硬度越低時此現象越明顯。這可能就是氮碳共滲產品表面維氏98N載荷下壓痕4條邊線或多或少有碎裂及塌陷的原因所在。

后來我們又采取多項試驗，但得到的結果都很相近。后查閱GB/T 11354—2005的表B.5，脆性大于2級時對應的化合物層硬度值全超過了1000HV0.1。

圖13 樣件表層至心部的硬度梯度曲線

鑒于以上因素，我們和用戶進一步進行了溝通，達成以下共識：不在只按標準中的語言描述來定義氮碳共滲產品的滲氮層脆性級別，對于氮碳共滲產品其滲氮層脆性檢測壓痕的4條邊界處存在輕微塌陷是允許的，可視為合格。

4 結束語

1）F45MnVS材質同步器齒轂進行氮碳共滲后采用維氏硬度98N測試化合物層脆性時，壓痕周邊會出現輕微塌陷與裂紋，但結合實測硬度值可判定脆性級別為合格。

2）多年以來，我公司生產的氮碳共滲齒轂無早期失效反饋，現有氮碳共滲設備能力與工藝控制水平滿足產品質量要求。

3）國家標準GB/T 11354—2005中強調的是對氣體滲氮產品檢測滲氮層脆性。對于氮碳共滲產品是否檢測滲氮層脆性未明確要求，可以理解為非必要檢測項目。同時希望相關機構組織能夠更多地收集F45MnVS材質的氮碳共滲試驗數據，作為附錄內容對標準做進一步的完善補充，更利于指導生產質量判定。