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鋼作為冷軋碳素鋼板材，具有優良的塑性變形能力，廣泛應用于汽車、電器、家具和日用品制造。客戶某型號產品采用兩種材料，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，發現來料狀態發生變化，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。考慮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。