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(dāng)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(jié)硬化三種形式。我公司生產(chǎn)的轎車變速箱齒轂以非調(diào)質(zhì)鋼的氮碳共滲工件和粉末冶金件燒結(jié)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(shí)在成本控制方面也占優(yōu)勢。扭矩需求相對(duì)較高時(shí)，齒轂設(shè)計(jì)上通常選擇鋼件氮碳共滲方案；載荷要求較低時(shí)則可選擇粉末冶金方案（加工過程流程相對(duì)簡捷，更具成本優(yōu)勢）。行業(yè)中習(xí)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(guī)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(píng)定。

氮碳共滲工序熱處理的時(shí)間相對(duì)較短，工藝成本優(yōu)勢明顯。我公司現(xiàn)多款同步器齒轂產(chǎn)品都是采用的氮碳共滲方案。齒轂使用的材料牌號(hào)是F45MnVS，為國標(biāo)易切削非調(diào)質(zhì)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(jī)械加工。工件氮碳共滲后的表面硬度可達(dá)550HV0.1以上。起初我們制定檢測項(xiàng)目參考的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目。因JB/T 4155—1999中并無脆性這一指標(biāo)，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(shí)例

以我公司的一款氮碳共滲產(chǎn)品為例，具體介紹一下不同環(huán)節(jié)的熱處理檢測要求。該工件熱處理質(zhì)量十分穩(wěn)定，材料牌號(hào)為F45MnVS，毛坯預(yù)處理和氮碳共滲后的最終檢測項(xiàng)目如下：

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

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(jí)。

該零件熱處理后實(shí)際檢測工件表面硬度在550～650HV0.2（標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)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(jí)以內(nèi)。圖1為該產(chǎn)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(jí)。圖2為該產(chǎn)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(yè)務(wù)中涉及一款同步器齒轂，材料牌號(hào)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(xiàng)里提到了脆性檢測要求，依據(jù)是GB/T 11354—2005《鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗(yàn)》，該標(biāo)準(zhǔn)中提出滲氮層的脆性可控制在1～3級(jí)水平、重要件1～2級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

基于用戶要求與GB/T 11354—2005技術(shù)條件，我們對(duì)該產(chǎn)品增加了脆性檢測。但后來雙方在脆性級(jí)別判定應(yīng)用上存在很大分歧。圖3是工件的脆性檢測圖樣，對(duì)于以上結(jié)果我們判定為脆性1級(jí)，因?yàn)槲覀冋J(rèn)定圖樣中4個(gè)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(píng)級(jí)圖

但用戶對(duì)圖3樣件的判定為脆性4級(jí)，理由是依據(jù)GB /T 11354—2005對(duì)應(yīng)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(jí)（注：標(biāo)準(zhǔn)圖譜中照片是38CrMoAl材料在不同的氣體滲氮參數(shù)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(jí)。單從文字描述上來講，用戶所說確實(shí)有一定道理，一時(shí)間我們提不出反駁意見。但如果從圖譜對(duì)照來看，我們檢測的壓痕形貌與標(biāo)準(zhǔn)圖譜中的照片還是相差甚遠(yuǎn)。

3 工藝調(diào)整前后的檢測對(duì)比

1）用戶站在質(zhì)量控制的角度對(duì)我方檢測的結(jié)果提出異議，我們?cè)诶斫獾耐瑫r(shí)也積極地配合并進(jìn)行了整改。但由于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解的不同，一時(shí)間彼此不能同意對(duì)方的觀點(diǎn)，都希望第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)介入評(píng)判。于是我們咨詢了多家同行業(yè)技術(shù)人員，遺憾的是我們所咨詢到的人員對(duì)于氮碳共滲脆性檢測理解也是比較模糊的，基本觀點(diǎn)就是標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確氮碳共滲產(chǎn)品不用檢測滲氮層脆性，檢測與否由用戶與生產(chǎn)單位自行商定。但查遍所有標(biāo)準(zhǔn)也沒有找到針對(duì)氮碳共滲產(chǎn)品滲氮層脆性檢測的相應(yīng)圖譜。

2）為確保不出現(xiàn)質(zhì)量反饋，在與用戶充分溝通后我們安排了多項(xiàng)試驗(yàn)方案來對(duì)比觀察化合物層脆性的差異。以下為我們調(diào)整工件氮碳共滲出爐后冷卻速度的試驗(yàn)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(fā)現(xiàn)兩種試驗(yàn)的檢測結(jié)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(xiàng)試驗(yàn)沒有新發(fā)現(xiàn)。

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(chǎn)品最終要出口到歐洲，為了安全起見用戶同意我們將該產(chǎn)品樣件委托上海一家專業(yè)熱處理廠按兩種工藝進(jìn)行氮碳共滲處理，對(duì)比其熱處理后的結(jié)果與我們產(chǎn)品的現(xiàn)狀有何不同。上海這家公司所使用的氮碳共滲設(shè)備是從歐洲原裝進(jìn)口的，其工藝水平代表著歐洲當(dāng)前先進(jìn)水平，如果試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)狀零件的差別不大，就可以進(jìn)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(shí)間稍長，硬度法實(shí)測擴(kuò)散層深為0.43mm；圖10所示工件的氮碳共滲時(shí)間稍短，硬度法實(shí)測擴(kuò)散層深度為0.39mm。檢測發(fā)現(xiàn)在進(jìn)口設(shè)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(dāng)前的零件質(zhì)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(rèn)為該產(chǎn)品從使用的角度來講是沒有問題的。當(dāng)時(shí)我們的用戶見到以上試驗(yàn)結(jié)果后，同意此種狀態(tài)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(tài)進(jìn)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(jìn)一步降低用戶的擔(dān)憂，我們又安排了一次試驗(yàn)，將F45MnVS材質(zhì)的試塊先調(diào)質(zhì)處理（心部硬度控制在25～28HRC）后再進(jìn)行氮碳共滲，然后檢測磨去表面白亮層前后的壓痕形態(tài)。

圖11壓痕從整體輪廓上觀看，我們很容易發(fā)現(xiàn)壓痕的4條邊線呈向內(nèi)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(xiàn)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(jì)的壓頭是正四棱錐，壓痕邊界應(yīng)該是一條直線，但實(shí)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(xiàn)了兩種明顯不同的現(xiàn)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(huì)在不同深度層面形成不同的變化趨勢，心部硬度越低時(shí)此現(xiàn)象越明顯。這可能就是氮碳共滲產(chǎn)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(xiàng)試驗(yàn)，但得到的結(jié)果都很相近。后查閱GB/T 11354—2005的表B.5，脆性大于2級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)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(jìn)一步進(jìn)行了溝通，達(dá)成以下共識(shí)：不在只按標(biāo)準(zhǔn)中的語言描述來定義氮碳共滲產(chǎn)品的滲氮層脆性級(jí)別，對(duì)于氮碳共滲產(chǎn)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(jié)束語

1）F45MnVS材質(zhì)同步器齒轂進(jìn)行氮碳共滲后采用維氏硬度98N測試化合物層脆性時(shí)，壓痕周邊會(huì)出現(xiàn)輕微塌陷與裂紋，但結(jié)合實(shí)測硬度值可判定脆性級(jí)別為合格。

2）多年以來，我公司生產(chǎn)的氮碳共滲齒轂無早期失效反饋，現(xiàn)有氮碳共滲設(shè)備能力與工藝控制水平滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

3）國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11354—2005中強(qiáng)調(diào)的是對(duì)氣體滲氮產(chǎn)品檢測滲氮層脆性。對(duì)于氮碳共滲產(chǎn)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(xiàng)目。同時(shí)希望相關(guān)機(jī)構(gòu)組織能夠更多地收集F45MnVS材質(zhì)的氮碳共滲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，作為附錄內(nèi)容對(duì)標(biāo)準(zhǔn)做進(jìn)一步的完善補(bǔ)充，更利于指導(dǎo)生產(chǎn)質(zhì)量判定。