一、背 景
螺栓连接是目前汽车工业最常用的连接工艺，其连接失效是汽车上是常见的产品问题，尤其以螺栓松动问题最为常见。如何提高自攻螺钉渗碳淬火工艺效率？发挥其高连接可靠性、可重复使用、低系统成本的优点，实现产品可靠连接。
自攻螺钉类零件不但要求具有较高强度、耐磨性，同时还要求心部具有足够的韧性和塑性，需要通过渗碳或碳氮共渗淬火处理，以达到设计和使用的需要。
渗碳主要是用来使低碳钢或低合金钢（0.08%≤C≤0.25%）制自攻螺钉表面硬化的化学热处理方法。这种方法通过将自攻螺钉在高温下保温，并处于促使碳渗到钢上去的气氛中，从而增加自攻螺钉表面的含碳量。在保温过程中，碳经过扩散渗透到螺钉的内部。通常继渗碳后就进行淬火以取得渗碳层的硬化。
自攻螺钉渗碳的特性首先取决于它的表面到心部碳的分布。一般的渗碳工艺来说，表面的含碳量在0.6%～1.1%的范围内，最佳表面含碳量约为0.85%，最小硬度750HV0.3时可允许的含碳量范围是0.65%～1.00%，心部的含碳量一般为0.12%～0.25%。
据统计，自攻螺钉类在紧固件使用量中占比4.5%～6%。而当今新能源车型包含特斯拉、小鹏、理想、高合、零跑、华为、光束、比亚迪、吉利、上汽、奇瑞、长城等大量涌现，自攻螺钉类在铝件的大量应用也日益成熟，NEV三电电驱动、电控、电池，逆变器、PDU部件轻量化的必然趋势，给部件连接带来了新的机遇或挑战。
自攻螺钉类等大都采用15、20、1018、1022或SWRCH18A、SWRCH22A、10B21、10B23等渗碳钢制造。按GB/T3098.5标准采用渗碳或碳氮共渗淬火，表面硬度≥450HV0.3；常用530～650HV0.3（或自钻自攻螺钉表面硬度≥530HV0.3）。心部硬度≤ST3.9为270HV5～370HV5，≥ST4.2为270～370HV10（或自钻自攻螺钉芯部硬度≤ST4.2为320HV5～400HV5，＞ST4.2为320～400HV10）。事实上，在很多自攻螺钉失效分析中发现，有一个重要的原因就是心部硬度偏低，这成为螺钉生产中的一大难点。
渗层深度与螺纹外径大小有关，如ST2.2～2.6螺钉，渗层0.04～0.10mm；ST2.9～3.5螺钉，渗层0.05～0.18mm；ST3.9～5.5螺钉，渗层0.10～0.23mm；ST6.3～8螺钉，渗层0.15～0.28mm。（或自钻自攻螺钉ST2.9～3.5渗层0.05～0.18mm；ST4.2～5.5渗层0.10～0.23mm；ST6.3渗层0.15～0.28mm）。由于渗碳的表面积大，为保证热处理的产量，渗碳过程不分强渗、扩散和降温等温阶段。
试验表明：有效硬化层513HV0.3处的碳含量约在0.35%～0.39%C之间，与钢中合金元素的含量及淬火冷却速度有关，此处的金相组织相当于渗碳后退火态下50%（体积分数）左右珠光体部位，淬火态下为中碳马氏体组织。最外表层碳含量达到0.70%～0.85%C即可，淬火后的硬度为≥750HV0.3。渗碳层深度可以用有效硬化层法计算，由外表层测至513HV0.3的垂直距离。
二、自攻螺钉的渗碳特质
自攻螺钉的渗碳层较浅，利用连续式网带炉热处理，渗碳加热时间约在60～120min范围。由于工件渗碳的表面积大，渗碳过程不分强渗、扩散和降温等温阶段，检测有效硬化层513HV0.3处的含碳量约0.37%C，最外表层碳含量达到0.65%～0.80%C即可，淬火后的硬度为≥750HV0.3。
在一般情况下，渗层组织不出现也不允许出现过共析层或较少共析层。在对于渗层较薄在0.25mm以下，硬度和耐磨性是主要技术要求，表面硬度，心部硬度、渗层的金相组织都需要控制、氢脆、扭矩不足、螺纹牙部早期磨损是主要控制失效形式。
根据材料选择适当的渗碳温度，合理控制气氛碳势，如SWRCH18A、1022钢渗碳温度应不超过920℃,10B21、10B23钢渗碳温度不超过900℃，生产中可以采用温度和碳势自动控制技术，将渗层含碳量控制在适当范围，保证淬火后表面硬度不小于750HV0.3。
碳势控制就是控制一定炉温下炉气组份的相对含量，通过对炉气碳势的控制达到螺钉表面所要求的含碳量或渗层内由表及里的碳浓度分布。目前连续式网带炉实现碳势控制的炉气含有CO、CO2及H2、CH4、O2、H2O等组份，主要用氧势控制法。利用ZrO2为测氧元件制作了氧探头，用来检测炉气中微量氧含量从而控制炉气碳势，这种氧探头它直接插入炉内面无须取样，反应快、控制精度高。
质量管控用于校验炉气碳势的方法，仍是用低碳钢箔通过渗碳后再进行定碳分析。用低碳钢箔测定炉气碳势（箔片中实际含碳%），它只是标定在特定条件下的炉气组成及其渗（脱）碳能力。箔片测出的碳势值与同炉处理的螺钉表层含碳量有关，但不是同一回事，它主要用来监视和标定碳控仪，并用于决定热处理工艺所需的碳势控制设定值的参考。
降低淬火温度。在保证螺钉心部得到板条状马氏体的同时，尽量降低淬火温度，可以使奥氏体中合金元素溶入量减少，降低淬火后渗层中的残余奥氏体含量。
保证淬火油的冷却能力，当淬火油老化或循环流动能力较差时，奥氏体不能充分转变为马氏体，造成残余奥氏体含量较高，因此，螺钉淬火冷却时，必须保证淬火油的冷却能力。
自攻螺钉渗碳热处理工艺见表1。
表1 自攻螺钉渗碳热处理工艺 （参考）
推荐的最低回火温度为330℃，应避免在275～315℃的回火温度范围，以减少回火马氏体脆断风险降低到最小程度。应注意的是工件未清洗所带入的油气对炉内气氛影响明显，若不清洗干净则直接影响炉内气氛和控制精度，还要观察网带上是否有残留黄色粉未，如有应认真对待处理螺钉的清洗工作。由于网带炉不具备渗碳后空冷条件，所以应尽量选择合金钢或碳素钢渗碳直接淬火工艺。
三、质控关键点
1、常规管控
自攻螺钉渗碳淬火关键点：
① 网带炉螺钉渗碳最大的问题是碳的浓度过低，往往小于0.65%C，在硬度合格的现状下，螺钉不耐磨损。为此，在渗层达到要求，淬火后测定表面硬度不应小于750HV0.2。
② 淬火时有可能产生延迟淬火问题，网带炉落料口长时间生产后有变形，使部分加热螺钉堆积到一定量的时候，才落入淬火液中，此时有的螺钉的温度已下降至临界点附近或以下，此时淬火组织将有很大差异。
目前企业还有对自攻螺钉攻入对手件困难的根本原因的分析和认识。在生产实际中长期存在的此类问题，分析原因发现导致攻入困难的原因有装配因素和螺钉本身的因素。通过模拟装配得出不同的扭矩值，发现摩擦系数、配合尺寸是影响自攻螺钉攻入困难的重要因素，有采用表面浸泡比例为1:1的干膜润滑剂、大径减小的方案，以提高攻入效果；有对手件增加钻孔检测，测试攻入扭矩和观察螺纹磨损程度等方案，以预防或减少不合格品，实际效果显著。
自攻螺钉在安装中断裂，断口一般呈脆性断裂形状，扫描电镜分析为沿晶断口。在原材料质量较好时, 主要是心部淬火冷却不足析出网状铁素体(疲劳强度较低、韧性不足)。改进措施：修订热处理技术要求,更改热处理工艺，回火温度大于330℃，以提高螺钉的韧性为主。
2、螺钉渗碳层深度
自攻螺钉的渗碳层深度的检测有总层深及有效硬化层深两个概念并用。检测方法不是强调以硬度法为主，而是硬度法、金相法同等有效。在技术要求中必须特别注明。
如技术要求中提出以硬度法作为仲裁结果，或硬化层对侵蚀剂不敏感时可采用显微硬度法，而检验批量较大时采用金相法为宜。由于两种方法测得的层深有一定差异，对渗碳、碳氮共渗试样金相法测得的比硬度法深，在浅层硬化情况下差值一般小于0.10mm。建议采用斜截面试样，可使测量精度明显提高，数据分散性降低。
① 金相试验法
根据GB/T3098.5-2016《紧固件机械性能自攻螺钉》标准，渗碳层深度试验应在螺纹侧面上进行，测量点应在牙顶和牙底的距离之半处。对小规格则应在牙底上进行试验，（自攻螺钉≤ST3.9或自钻自攻螺钉芯部硬度≤ST4.2。）共析层+1/2亚共析过渡层作为渗碳层总深度，表面硬化层和芯部之间不应出现带状铁素体。这种测量方法与断口法和显微硬度法比较一致，应用较广泛。
金相仲裁试验应在金相试件的螺纹轮廓上用试验力为300g的显微维氏硬度进行，渗碳层深度应自超过实际芯部硬度30HV的点起计算（如370HV5+30HV5或370HV10+30HV10=400HV和400HV5+30HV5或400HV10+30HV10=430HV）。
② 显微硬度法
国家标准中最显著的特点是提出有效硬化层的概念，是从渗碳淬火后螺钉的牙顶和牙底的1/2处测量显微硬度值的分布梯度。螺钉有效硬化层深DC513HV0.3≤0.3mm，采用标准为GB/T9451-2005《钢件薄表面总硬化层深度或有效硬化层深度的测定》仲裁试验，测量位置应在螺纹轮廓上。用试验力为300g的显微维氏硬度法进行，使用努氏显微硬度计，长形棱锥压头可使测量精度大大提高。渗碳层深度用有效硬化层法计算，由外表层测至513HV0.3的垂直距离。为了保证韧性，一般还采用弯曲试验，弯曲15～20°角不断裂。
若是采用碳氮共渗工艺，自攻螺钉层深检测方法亦按以上方法操作。
③ 国际标准与美国、德国标准的要求
全部渗碳深度:由表面到任一与高于实际心部硬度30 HV位置点的垂直距离。( ISO 2702《热处理钢自攻螺钉机械性能》、ISO7085《表面淬硬并回火的米制自挤螺钉机械和工作性能的要求》、ISO10666《自钻自攻螺钉机械和功能性能》标准)。
有效渗碳深度:由表面到任一规定的基准硬度值的垂直距离。而不同之硬度值基准将产生不同的渗碳深度结果。SAE J78《钢制自钻螺钉》、SAE J 81①《滚制螺钉》、SAE J1237《公制滚丝螺钉》标准是以42HRC（412HV）作为规定的基准硬度值；而德制DIN标准是以450HV作为规定的基准硬度值。不同之硬度值基准将产生不同的渗碳深度结果见图1。
3、螺丝君经验与总结
自攻螺钉渗碳处理对网带炉生产量为最大载荷的80%，可获得最佳技术经济效益。渗碳生产还从以下方面考虑；选用较高的渗碳温度，如920℃，更高的温度可能造成细长件的变形；选用较高的炉气碳势，选用具有较高碳传递系数的炉气载气，选用经济且碳当量小，产生碳黑少的渗碳剂。
对于自攻螺钉类产品，连续式网带炉是最经济和最实用的。根据条件可选择燃气或燃气和电加热混合加热方法，可因地制宜的选择炉用载气和渗碳剂种类，保证产品的最高质量合格率，实现最大化的效益。
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