紧固件的脱碳与增碳问题详解

一、核心结论

紧固件的脱碳与增碳是热处理过程中常见的表面碳化问题，对材料性能产生显著影响：

• 脱碳：表面碳含量减少，导致硬度和疲劳强度下降，可能引发早期断裂。

• 增碳：表面碳含量增加，虽提高硬度但降低塑性，导致界面内应力与裂纹扩展。

二、问题定义与机理

1. 脱碳

• 定义：钢表面碳的损耗，分为全脱碳（仅铁素体组织）和不完全脱碳（硬度明显低于基体）。

• 机理：

• 热处理时，表面与氧化性气体（如CO₂、H₂O）反应，碳以气体形式逸出。

• 原材料轧制或退火处理不当，导致脱碳层加深。

• 影响：降低淬火硬度和疲劳强度，例如35CrMo螺栓因保护气氛不足导致脱碳，服役后断裂。

2. 增碳

• 定义：表面碳含量增加，形成高硬度层。

• 机理：

• 热处理炉内保护气体碳势过高，或复碳处理时碳含量控制不当。

• 影响：表面与心部界面产生内应力，导致裂纹扩展和疲劳强度下降，如35CrMo双头螺栓因增碳层断裂。

三、行业标准与检测方法

1. 行业标准

• GB/T 3098.1-2010：

• 8.8级及以上紧固件表面硬度不超过基体硬度30HV，且10.9级表面硬度≤390HV，12.9级≤435HV。

• 规定脱碳层深度限制，全脱碳层深度≤0.015mm。

• 热处理手册：

• 碳势设定值为钢材平均碳含量±0.02%，如SWRCH35K钢设定0.33%。

2. 检测方法

• 金相法：

• 观察表面组织变化，全脱碳层仅见铁素体，不完全脱碳层硬度明显低于基体。

• 硬度法：

• 维氏硬度测试（HV0.3），表面硬度值与基体硬度差≤30HV。

• 例如，35CrMo双头螺栓表面硬度412HV，心部302HV，判定为增碳。

四、实际生产案例

1. 脱碳案例

• 35CrMo汽车螺栓：

• 网带炉加热时保护气氛不足，表面严重脱碳（50μm全脱碳层），服役后螺纹根部断裂。

• 40Cr螺母：

• 热处理淬火时保护不当，六方表面半脱碳组织，硬度低于基体。

2. 增碳案例

• 35CrMo双头螺栓：

• 热处理炉碳势过高，螺纹根部增碳层导致装配时断裂。

• TC4钛合金螺栓：

• 表面氧污染导致α相分布不均，表层硬度高于心部。

五、解决方案与预防措施

1. 工艺优化

• 保护气氛控制：

• 使用惰性气体（如氮气）保护，控制碳势在钢材平均碳含量±0.02%。

• 定期校准碳势表，确保与炉内实际碳势一致。

• 热处理参数调整：

• 淬火温度：亚共析钢采用Ac3+30～50℃，避免过热或过烧。

• 冷却速度：控制淬火冷却介质，减少畸变和裂纹。

2. 材料控制

• 原材料选择：

• 选用高淬透性钢材（如42CrMo），避免原材料脱碳层加深。

• 预处理：

• 淬火前去除磷化膜（碱性去磷），防止磷化物聚集层导致磷脆断裂。

3. 环境控制

• 炉内清洁：

• 定期清理炉内氧化物，避免氧化性气体生成。

• 装料方式：

• 合理布置工件，确保温度均匀性，减少局部过热。

4. 检测与监控

• 定期检测：

• 金相和硬度检测，确保脱碳层深度≤0.015mm，表面硬度符合标准。

• 在线监控：

• 使用氧探头、碳势表实时监控炉内气氛，调整保护气体流量。

六、总结

紧固件的脱碳与增碳问题需通过工艺优化、材料控制、环境监控及严格检测来预防和解决：

• 脱碳控制：保护气氛、原材料预处理、热处理参数调整。

• 增碳控制：碳势精准设定、避免过高碳势、复碳处理控制。

• 行业标准遵循：GB/T 3098.1-2010等规范确保质量合规。

通过上述措施，可有效提升紧固件的热处理质量，避免脱碳与增碳导致的性能下降和失效问题。