熱處理是為提高鋼材(工件)機(jī)械性能而不可缺少的工藝技術(shù)。但是，要將工件加熱到適當(dāng)(目標(biāo))的處理溫度，需要大量能源。在全社會(huì)要求保護(hù)地球環(huán)境的背景下，“削減能源消耗量及提高生產(chǎn)效率”是熱處理工作者永恒的主題。本文就本田技研工業(yè)公司在傳動(dòng)齒輪熱處理技術(shù)中“引入真空滲碳爐”及其應(yīng)用效果及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行介紹。

　　一、齒輪滲碳淬火的未來發(fā)展趨勢

　　本田技研工業(yè)公司熱處理部門對(duì)齒輪表面硬化處理的滲碳淬火技術(shù)“未來發(fā)展趨勢”作了如下描述。

　　傳統(tǒng)熱處理開始時(shí)分成前、后工序，對(duì)任何零部件，都要考慮用相同的熱處理設(shè)備來處理。但是，這樣就阻礙了前后工序的同步性，產(chǎn)生許多工件的庫存，成為全部零件提高生產(chǎn)率的障礙。未來熱處理的發(fā)展態(tài)勢應(yīng)該是向串接式(直通式)處理發(fā)展，重要的是找到適合被加工零件的最佳熱處理生產(chǎn)線形式以及相關(guān)技術(shù)(見圖1)。

圖1 滲碳淬火工藝未來發(fā)展態(tài)勢及相關(guān)技術(shù)

　　熱處理的串接化(直通化)要如何壓縮前后工序的生產(chǎn)節(jié)拍差以及縮短滲碳時(shí)間是一個(gè)至關(guān)重要的課題。對(duì)此，高溫滲碳是有效的方法(在生產(chǎn)方面，真空滲碳可通過真空絕熱形成高溫以謀求縮短處理時(shí)間),就熱理設(shè)備而言，應(yīng)該擁有耐受高溫式結(jié)構(gòu)和具有容易真空滲碳的有利條件。

　　二、引進(jìn)真空滲碳爐的目的與優(yōu)缺點(diǎn)

　　由于熱處理設(shè)備的危險(xiǎn)性以及操作上需要專業(yè)的知識(shí)與技能等原因，多數(shù)企業(yè)將熱處理設(shè)備集中在1處地方進(jìn)行管理。該公司也自創(chuàng)始以來基于同樣的考慮，設(shè)置熱處理車間，按照“(熱處理)工序完成方式”開展生產(chǎn)活動(dòng)。但是，隨著當(dāng)初規(guī)劃的生產(chǎn)量的增加，物流效率差的問題突顯出來，因此，在重新評(píng)估(修改)企業(yè)內(nèi)的綜合物流的同時(shí)，研究了向“熱處理車間完成方式”的轉(zhuǎn)換。

　　為了避免在同一企業(yè)內(nèi)分散設(shè)置氣體滲碳爐的風(fēng)險(xiǎn)，分析結(jié)果認(rèn)定真空滲碳方式是最佳的，在為適應(yīng)增產(chǎn)需求而引進(jìn)新滲碳設(shè)備時(shí)，選擇了引進(jìn)真空滲碳爐。

　　此外，將在各工廠(車間)設(shè)置傳統(tǒng)的氣體滲碳爐的情況與設(shè)置真空滲碳爐的情況進(jìn)行了比較，在基本建設(shè)投資方面，真空滲碳爐的費(fèi)用較高，但由于無須在包括周末在內(nèi)的節(jié)假日等配備保安人員看護(hù)，所以，根據(jù)25年間總經(jīng)費(fèi)相比較，判斷真空滲碳爐具有優(yōu)勢。在熱處理件質(zhì)量上最大的優(yōu)點(diǎn)在于不產(chǎn)生晶界氧化層，真空滲碳件比氣體滲碳件(平面) 的強(qiáng)度可提高10%(見圖2,小野式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn))。

圖2 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

　　由于沒有氣體滲碳那種布德奧反應(yīng)(指碳的氧化反應(yīng)即貝-波反應(yīng)),所以，真空滲碳產(chǎn)品的銳角部位容易形成過滲碳，存在受到滲碳條件的設(shè)定及產(chǎn)品形狀制約的問題(見圖3)。

圖3 基于邊角的強(qiáng)度比較

　　三、真空滲碳的應(yīng)用與效果

　　真空滲碳設(shè)備引進(jìn)日程：這次引入的真空滲碳爐相比于連續(xù)氣體滲碳爐可以大幅度縮短引進(jìn)設(shè)備的時(shí)間。其原因是在設(shè)備制造廠家內(nèi)設(shè)置了專用的試驗(yàn)爐，在設(shè)備制造(訂 購)過程中，可以著手開展各種試驗(yàn)。這種方式能夠做到試驗(yàn)爐與購入爐的質(zhì)量沒有改變，能夠重新確認(rèn)產(chǎn)品質(zhì)量重現(xiàn)性的程度。

　　質(zhì)量達(dá)標(biāo)(成熟)的日程：真空滲碳關(guān)鍵是如何針對(duì)產(chǎn)品的表面積引入適當(dāng)?shù)臐B碳?xì)怏w。假如滲碳?xì)怏w量低于需求的量，則爐內(nèi)氣氛失去均勻性，會(huì)產(chǎn)生工件的局部滲碳不均勻等問題，相反，如果滲碳?xì)怏w過多，會(huì)產(chǎn)生不利于滲碳的碳黑(煤煙子),導(dǎo)致排氣系統(tǒng)堵塞，工藝性能惡化。因此，最佳的滲碳?xì)怏w量的設(shè)定是至關(guān)重要的(通常的方法是工件加熱到規(guī)定的溫度，均熱后，將滲碳?xì)怏w直接導(dǎo)入爐內(nèi)滲碳，然后，停止供氣作擴(kuò)散處理，將高的碳密度調(diào)整為恰當(dāng)?shù)奶假|(zhì)量密度，要合理設(shè)定滲碳時(shí)間及擴(kuò)散時(shí)間)。

　　但是，生產(chǎn)的零部件多種多樣，要確定適合各種零部件的熱處理?xiàng)l件，需要非常多的人力。這次引進(jìn)的真空滲碳爐附帶設(shè)定熱處理?xiàng)l件的仿真軟件， 通過輸入產(chǎn)品必需的信息，能計(jì)算出滲碳?xì)怏w導(dǎo)入量、滲碳時(shí)間、次數(shù)等必要的熱處理參數(shù)。

　　由于輸入產(chǎn)品的信息是材質(zhì)和產(chǎn)品總表面積 (單個(gè)工件的表面積×1批次處理工件數(shù)),所以，正確把握產(chǎn)品的表面積是最重要的。在該公司，像齒輪這種外形復(fù)雜的零件，也使用3D(三維)圖紙，因此，對(duì)齒輪表面積的獲取是以3D圖紙的計(jì)算值為基礎(chǔ)的(見圖4)。

圖4 齒輪熱處理?xiàng)l件仿真軟件應(yīng)用實(shí)例

　　根據(jù)該計(jì)算結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)了可以在1次試驗(yàn)中獲得與氣體滲碳同等的品質(zhì)。但是，在齒尖(齒頂)銳角部容易產(chǎn)生滲碳體(Cementite),解決這一問題需要耗費(fèi)許多時(shí)間。

　　由于真空滲碳的滲碳工藝與氣體滲碳有所不同，所以，可以解決工件銳角部位容易引起碳集中的問題。解決方案是可采用脈沖滲碳方法，在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，不但對(duì)工件的平面部(例如齒輪的輪齒中部)進(jìn)行仿真，而且，也要將齒面銳角部位的碳質(zhì)量濃度變化作為仿真對(duì)象，進(jìn)行熱處理?xiàng)l件的設(shè)定。 在氣體滲碳中產(chǎn)品整個(gè)表面的碳質(zhì)量濃度是大致相同的，而真空滲碳在理論上是做不到的。因此，規(guī)定在真空滲碳處理時(shí)，工件平面部碳質(zhì)量濃度的設(shè)定比氣體滲碳時(shí)低。

　　通常情況下，只要碳質(zhì)量濃度達(dá)到0.6%以上時(shí)，工件的硬度就會(huì)是相同的，確認(rèn)了碳質(zhì)量濃度達(dá)到0.6%以上的程度，即便降低碳質(zhì)量濃度，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也不會(huì)造成影響。

　　操作人員熟練掌握技術(shù)的時(shí)間：引進(jìn)的真空滲碳處理設(shè)備在壓縮操作人員熟練掌握操作技術(shù)的時(shí)間方面，也是具有優(yōu)勢的。這次，考慮引進(jìn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的需要，針對(duì)沒有熱處理經(jīng)驗(yàn)的操作人員做了上崗前培訓(xùn)，即從熱處理工件質(zhì)量確認(rèn)到設(shè)備操作的全過程進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，做到了在3個(gè)月的短時(shí)間內(nèi)，達(dá)到熟練掌握操作技能，且由1人即能單獨(dú)操控設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的水平。其原因在于真空滲碳爐內(nèi)在減壓條件下只有微量的滲碳?xì)怏w，即使萬一發(fā)生故障，也不需要處理滲碳?xì)怏w方面的知識(shí)。 在操作普通氣體滲碳爐中最難以熟練掌握的技能 (技巧),即應(yīng)對(duì)故障的培訓(xùn)和教育，而在使用真空滲碳爐時(shí)無須進(jìn)行，這對(duì)于設(shè)備管理監(jiān)督人員而言減輕了很大壓力。

　　此外，針對(duì)發(fā)生設(shè)備異常，可按其使用指南(手冊(cè))的提示處理方法實(shí)施維修保養(yǎng)，所以，操作人員通過這樣的“危險(xiǎn)性少的設(shè)備”以及“生產(chǎn)支援系統(tǒng)”,能夠安心地進(jìn)行設(shè)備操作。

　　環(huán)保性能：接下來，介紹真空滲碳爐的環(huán)保性能。對(duì)該企業(yè)擁有6條滲碳爐熱處理生產(chǎn)線(含氣體滲碳爐和真空滲碳爐)進(jìn)行了比較。按照處理1kg產(chǎn)品(工件)產(chǎn)生多少CO2來評(píng)價(jià)能量消耗率。得知這次引進(jìn)的真空滲碳爐相比其氣體滲碳爐效率是最好的設(shè)備，可以獲得削減CO2排放量50%的效果。而最大的不同是該設(shè)備本身還有絕熱性高等特征，在休息日的保溫能量消耗少從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

　　設(shè)備引進(jìn)時(shí)的問題及性能維持：關(guān)于設(shè)備的制造與規(guī)格，由于是日本首批真空滲碳爐發(fā)生過圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段的問題。定期更換零部件未達(dá)到規(guī)定工作壽命等有設(shè)備特有的問題。但是，通過改進(jìn)措施，并向設(shè)計(jì)制造部門反饋信息，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙規(guī)格要求，同時(shí)改善消耗件的規(guī)格， 不斷延長其工作壽命，目前沒有大的遺留問題。

　　但是，設(shè)備本身的檢修還缺乏經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后應(yīng)實(shí)行怎樣的判斷，正在開展討論。在決定真空滲碳工件質(zhì)量的主要原因中，影響最大的是由于設(shè)備老化造成的溫度波動(dòng)，溫度波動(dòng)如不實(shí)施設(shè)備檢修是不能恢復(fù)正常的。因此，每個(gè)設(shè)備的絕熱性是重要的管理項(xiàng)目，可以預(yù)測各個(gè)滲碳室內(nèi)絕熱性的老化程度并不相同。因此，考慮將每小時(shí)的消耗電能趨勢管理作為實(shí)驗(yàn)檢修時(shí)的判斷依據(jù)(材料，見圖5),由于只有爐內(nèi)的損傷狀況(信息)，并不能對(duì)氣體滲碳爐故障進(jìn)行客觀的判定，所以，今后如果能將(考慮了消耗電能)這種判斷方法有效應(yīng)用于氣體滲碳爐，則判定結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。

圖5 判斷真空滲爐的大修 (Overhaul:OH)時(shí)的思路

　　對(duì)后續(xù)工序的影響：真空滲碳不同于氣體滲碳的最大亮點(diǎn)是：工件表面不會(huì)引起晶界氧化，不會(huì)產(chǎn)生淬火異常層。至于工件外觀上的差異，在滲碳淬火處理后經(jīng)回火處理，真空滲碳件展示出高亮度的特點(diǎn)。乍一看，經(jīng)真空滲碳處理的工件，呈現(xiàn)出極高亮度的美感，而在后續(xù)加工工序中在加工部位時(shí)，有時(shí)候會(huì)受其很大影響。尤其是在普通的切削及磨削加工情況下，原來擔(dān)心對(duì)刀具壽命及加工時(shí)間產(chǎn)生影響，但卻反倒獲得了良好的效果。但是，通過真空滲碳處理，并不會(huì)產(chǎn)生柔軟的淬火異常層，所以，像內(nèi)孔珩磨加工那種加工余量少，在采用不提高切削速度的加工方法時(shí)， 容易受到加工時(shí)間增加等的影響。通過磨具(砂輪)及改善加工條件，也能夠?qū)崿F(xiàn)接近于氣體滲碳工件的加工時(shí)間，但是，這需要精加工技術(shù)人員的理解與支持等，不是只靠熱處理能解決的問題。以上論述了對(duì)后續(xù)工序的影響，對(duì)于組合型的零部件，有時(shí)也會(huì)受到制約。由于真空滲碳零件的外表面較堅(jiān)硬;所以，當(dāng)其配對(duì)零件是以氣體滲碳為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的情況下;有時(shí)，配對(duì)零件的硬度，也會(huì)設(shè)定得低一些。這種情況下會(huì)增加配對(duì)零件的磨耗量。所以，與研磨表面等精加工面相接觸的零部件還好，但是與滲碳淬火表面直接接觸的零件，在應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行充分確認(rèn)。工件質(zhì)量保證方法：就氣體滲碳而言，對(duì)于齒輪多采用5點(diǎn)法及10點(diǎn)法(1批工件中抽取5或10個(gè)試樣做檢測)進(jìn)行質(zhì)量確認(rèn)。那是由于裝爐的工件中心部的溫度上升最慢，從而在工件的端部位置溫度上升最快的緣故。氣體滲碳時(shí)，由于默認(rèn)爐內(nèi)的熱處理氣氛是均勻的，通常利用這種溫度波動(dòng)(或偏差),把握工件質(zhì)量的波動(dòng)。但是，真空滲碳條件下，爐內(nèi)溫度達(dá)到均勻時(shí)還沒有開始滲碳，所以，用這種方法保證滲碳齒輪的質(zhì)量并不合適。在真空滲碳的情況下，必須對(duì)整個(gè)零部件做破壞檢查(指每1批次處理工件抽取5~10個(gè)工件做試樣進(jìn)行破壞試驗(yàn)),但在實(shí)際操作中進(jìn)行這種檢查需要很多時(shí)間，在批量生產(chǎn)現(xiàn)場是不可行的。如果擁有可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)全部齒輪及全部齒輪的輪齒進(jìn)行測試的計(jì)測設(shè)備，上述方法才可行，而現(xiàn)實(shí)中并沒有滿足該公司要求的測試設(shè)備，在此背景下，該公司進(jìn)行了如圖6所示的齒輪非破壞測試裝置的開發(fā)。

圖6 齒輪用硬化層深度的無損測定裝置

　　該公司對(duì)真空滲碳爐處理的各零件進(jìn)行條件設(shè)定時(shí)，要運(yùn)用本測試裝置測試全部齒輪、全部輪齒，確認(rèn)每1批次裝爐工件內(nèi)的質(zhì)量波動(dòng)。這種情況下，要對(duì)被認(rèn)為滲碳層最深的齒輪的輪齒和被認(rèn)為滲碳層最淺的齒輪的輪齒進(jìn)行破壞檢查，以把握同一批次裝爐并處理工件內(nèi)的滲碳深度的波動(dòng)。根據(jù)該方法，以往1批裝爐工件中要抽取10個(gè)樣品進(jìn)行破壞檢查，而現(xiàn)在1批裝爐并處理的工件中抽取2個(gè)樣品進(jìn)行破壞檢查，就能夠充分保證產(chǎn)品質(zhì)量。

　　真空滲碳爐是再現(xiàn)性非常高的設(shè)備，日常最大的變動(dòng)點(diǎn)是節(jié)假日處理爐停止工作。因此，該公司規(guī)定，針對(duì)休假結(jié)束后復(fù)產(chǎn)的第1批次裝爐處理工件，進(jìn)行實(shí)物的質(zhì)量確認(rèn)。因?yàn)樵撛O(shè)備可以查出滲碳深度變淺的部位，用無損檢測設(shè)備對(duì)該部位所屬工件進(jìn)行測試，規(guī)定要對(duì)被判斷為滲碳深度最淺的齒輪的輪齒進(jìn)行檢測。

　　其他方面，按照一定的頻度處理專用試件(test piece),從設(shè)備的管理項(xiàng)目無異常的專用試件的質(zhì)量發(fā)展趨勢管理，到有條件管理進(jìn)行實(shí)物的質(zhì)量保證(確認(rèn))的方法都在應(yīng)用。由于真空滲碳與氣體滲碳工藝在同一批次裝爐處理工件內(nèi)發(fā)生滲碳層深度波動(dòng)原因不同，所以，適應(yīng)于真空滲碳的質(zhì)量保證方法是不可缺少的(見圖7)。

圖7 真空滲碳爐工件質(zhì)量保證方法

　　耐銹蝕的能力(堅(jiān)韌性)：由于氣體滲碳是在還原性氣體中進(jìn)行滲碳，所以， 一般來說產(chǎn)品表面耐銹蝕能力較強(qiáng)。也有文獻(xiàn)指出，相反，表面上有氧化膜時(shí)，在同一條件下硬化層深度更深。

　　那么，真空滲碳對(duì)銹蝕的影響會(huì)是怎樣呢?在同一產(chǎn)品的半周使之生成紅銹，驗(yàn)證了該情況下銹蝕對(duì)硬化層深度的影響。驗(yàn)證結(jié)果如有關(guān)文獻(xiàn)所述 一致，表面出現(xiàn)氧化的部分對(duì)碳的吸附良好，相比沒有紅銹的部位，硬化層深度更深。

　　如想象中的有紅銹部位的吸附率更高那樣，產(chǎn)品表面生成了紅銹的部位，可看到有明顯的碳黑附著。真空滲碳也同樣獲得相同品質(zhì)，其耐銹蝕能力并不差。不過，相比氣體滲碳真空滲碳，工件表面碳黑的附著更多些，在真空滲碳處理中導(dǎo)人最佳滲碳?xì)怏w數(shù)量的條件下，若工件上存在許多嚴(yán)重的銹蝕， 硬化層深度也會(huì)變淺。

　　推測在批量生產(chǎn)現(xiàn)場并沒有需要處理大量生銹的產(chǎn)品，處理這種零部件時(shí)，需要增加日常檢查中的檢查數(shù)量(加大工作量),真空滲碳工藝有效應(yīng)用于批量生產(chǎn)中的時(shí)間并不長，即使在日本，實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例也不多。

　　總之，熱處理工藝也還有掌握不到的一些層面， 在技術(shù)人員中也有不適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的趨勢。但是，由于普通氣體滲碳中，所期待的條件管理遇到瓶頸，因而氣體滲碳技術(shù)停滯不前。而真空滲碳需要將滲碳?xì)怏w削減到極限，為了解決由此而產(chǎn)生的眾多課題，需要集思廣益，攻堅(jiān)克難。