■ 舒銀坤，汪杰

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現(xiàn)代汽車及零部件制造業(yè)最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)在于提高能效的同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)“綠色”制造，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的可控氣氛滲碳/油淬作為一種有效的表面硬化技術(shù)，已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用40余年。傳統(tǒng)的滲碳淬火工藝存在滲層均勻性差、容易出現(xiàn)黑色組織、生產(chǎn)能效低、CO2等有害氣體排放多等問題，因此迫切需要推廣應(yīng)用新技術(shù)來滿足汽車制造業(yè)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求以及實(shí)現(xiàn)“綠色”熱處理。自20世紀(jì)90年代中期以來，真空低壓滲碳/高壓氣淬技術(shù)已逐步開發(fā)來滿足高質(zhì)量、高生產(chǎn)率和環(huán)境相容的要求。在歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家真空低壓滲碳技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。我公司變速箱中的各項(xiàng)制造技術(shù)水平一直居于行業(yè)前列，2015年斥資約5000萬元購置了由德國(guó)ALD公司制造的真空滲碳高壓氣淬熱處理生產(chǎn)線（見圖1），對(duì)變速箱中的齒輪軸進(jìn)行熱處理。

一、低壓真空滲碳及高壓氣淬工藝

1. 低壓真空滲碳原理及過程

低壓滲碳的原理：低壓滲碳是一種非平衡的增強(qiáng)擴(kuò)散型滲碳工藝，工件在低壓（8～15mbar，1bar=105pa）真空狀態(tài)下，由交替的滲碳和擴(kuò)散構(gòu)成的脈沖式滲碳工藝過程。滲碳時(shí)爐內(nèi)通入滲碳?xì)怏w介質(zhì)（高純乙炔），乙炔在爐內(nèi)高溫低壓下充分裂解后滲入工件表面；強(qiáng)滲結(jié)束后，通入保護(hù)性氣體（高純氮?dú)猓┻M(jìn)行擴(kuò)散，此時(shí)工件表面的碳向工件內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散。一次完整的滲碳和擴(kuò)散稱之為一次脈沖，脈沖循環(huán)的次數(shù)及每次脈沖所需的氣體流量根據(jù)工件材料的原始含碳量、裝爐數(shù)量及滲層要求通過計(jì)算機(jī)模擬生成。對(duì)于低壓真空滲碳過程，最主要的工藝參數(shù)是滲碳溫度、真空度和脈沖滲碳循環(huán)的時(shí)間節(jié)拍及氣體流量。

圖1 德國(guó)ALD真空熱處理生產(chǎn)線

圖2 低壓滲碳工藝過程

滲碳工藝過程如圖2所示，爐室內(nèi)的工件在對(duì)流加熱下迅速被加熱到奧氏體化以上溫度（960℃），并進(jìn)行真空加熱使每一個(gè)區(qū)域的工件受熱均勻，隨后進(jìn)入多段脈沖滲碳擴(kuò)散階段，在脈沖滲碳階段結(jié)束后在真空加熱下進(jìn)入最終擴(kuò)散階段。真空加熱后在真空狀態(tài)下轉(zhuǎn)移至真空淬火室，采用高壓氦氣進(jìn)行淬火冷卻。

2. 高壓氣淬工藝

高壓氣淬可通過控制氣體壓力、流量，改變氣體的冷卻特性，與鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變相圖相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更好的淬火冷卻效果。傳統(tǒng)的油淬火技術(shù)在淬火過程中經(jīng)歷三個(gè)主要階段：蒸氣膜階段、沸騰階段、對(duì)流階段，這三個(gè)階段的傳熱系數(shù)不同，工件不同位置的熱傳遞不均勻，導(dǎo)致淬火畸變大。而對(duì)氣體介質(zhì)而言，則僅靠對(duì)流熱傳遞，傳熱系數(shù)始終不變，因此可以保證熱傳遞均勻，從而減少熱處理畸變。兩種不同淬火方式對(duì)比如圖3所示。

我公司配制的淬火室采用高純氦氣淬火，壓力可根據(jù)零件的不同要求從1～20bar自由調(diào)節(jié)，8bar壓力的氦氣淬火能力和熱油淬火能力相當(dāng)。從氦氣使用的經(jīng)濟(jì)性考慮，該套淬火系統(tǒng)還配備了相應(yīng)的氦氣回收系統(tǒng)（見圖4），將淬火后的氦氣清潔回收再利用，回收率可達(dá)99.8%，此外淬火室還配備了導(dǎo)向擋板及風(fēng)扇，根據(jù)擋板方向的不同可以提供三種不同的冷卻方式（見圖5）：①從上至下。②從下至上。③上下往復(fù)。對(duì)于不同形狀類型的零件為減小淬火變形提供了更多的淬火冷卻方式。

二、真空滲碳與傳統(tǒng)滲碳比較

與傳統(tǒng)的可控氣氛滲碳工藝相比，低壓真空滲碳技術(shù)顯現(xiàn)出以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

（1）工藝時(shí)間短，能效高 傳統(tǒng)滲碳工藝溫度受到爐子性能的影響，最高使用溫度被限制在950℃以下，真空滲碳爐可以將最高使用溫度提高到1050℃。由于滲碳時(shí)碳的擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的提高而加快，滲碳速度可以大幅提升，使獲得同樣滲碳深度的時(shí)間大幅縮短，有利于提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。以我公司推盤爐和真空爐生產(chǎn)效率相比（見表1），根據(jù)零件所要求的滲層不同，真空爐生產(chǎn)的工藝時(shí)間比傳統(tǒng)的推盤爐要節(jié)省40%～60%。

圖4 氦氣回收系統(tǒng)

圖5 三種淬火冷卻方式

圖3 兩種不同淬火方式對(duì)比

表1 低壓滲碳與可控氣氛滲碳效率對(duì)比

（2）生產(chǎn)零件的清潔度高、成本低 由于采用高壓氣體淬火，零件在淬火后呈銀灰色、光亮狀，徹底解決了傳統(tǒng)用油淬火清洗和污染的問題，實(shí)現(xiàn)了無污染的清潔熱處理工序目標(biāo)，同時(shí)節(jié)省了后續(xù)的清洗及清理拋丸工序，降低了生產(chǎn)成本。兩種滲碳爐生產(chǎn)的零件對(duì)比如圖6所示。

（3）工件無晶間氧化、無內(nèi)氧化，零件表面抗疲勞性提高 對(duì)于可控氣氛滲碳，傳統(tǒng)的推盤爐是貫通式的，且滲碳時(shí)通入了大量的甲醇（內(nèi)有氧原子）作為稀釋氣體，產(chǎn)生了一定的氧化性氣氛并與合金元素發(fā)生氧化反應(yīng)，因此非馬氏體及內(nèi)氧化組織的產(chǎn)生是不可避免的。而低壓真空滲碳是在真空狀態(tài)下進(jìn)行，且使用高純乙炔（純度≥99.5%）作為滲碳介質(zhì)，高純氮?dú)猓兌取?9.999%）作為擴(kuò)散時(shí)的稀釋氣體，在低壓真空滲碳狀態(tài)下氧的分壓極低，氧化作用被抑制，這樣就大大降低了非馬氏體及內(nèi)氧化組織的產(chǎn)生。兩種滲碳爐生產(chǎn)的零件組織對(duì)比如圖7所示。

圖6 兩種滲碳爐生產(chǎn)的零件對(duì)比

圖7 兩種滲碳爐生產(chǎn)的零件組織對(duì)比

（4）改善盲孔位置處的滲碳 工件上的盲孔（不通孔）多為半封閉結(jié)構(gòu)，其底部的氣體流動(dòng)性較差，活性碳原子無法及時(shí)得到補(bǔ)充，盲孔底部的滲碳層深度會(huì)明顯小于盲孔頂部的滲碳層深度，形成通常所說的“喇叭口”形狀。在真空滲碳的條件下，材料在真空加熱即均勻加熱結(jié)束后，開始脈沖滲碳，幾秒鐘便可達(dá)到滲碳的壓力，工件表面各部分就會(huì)均勻地處于滲碳?xì)夥罩虚_始滲碳。工藝要求的強(qiáng)滲時(shí)間結(jié)束后，真空泵組抽出滲碳?xì)夥眨謴?fù)到原來的真空度進(jìn)行擴(kuò)散。如此循環(huán)往復(fù)直至脈沖滲碳的次數(shù)結(jié)束。因此，在真空滲碳的條件下，盲孔的底部氣體流動(dòng)性不受封閉式結(jié)構(gòu)的影響，滲碳?xì)夥湛删鶆虺錆M整個(gè)盲孔，得到均勻的滲碳層，改善盲孔滲碳所出現(xiàn)的“喇叭口”現(xiàn)象。

（5）淬火畸變小 表2分別列舉了兩種軸在采用不同熱處理工藝后的圓跳動(dòng)統(tǒng)計(jì)情況，對(duì)于軸類零件的校直我們采用三點(diǎn)測(cè)量控制，從表2中我們可以看出三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的圓跳動(dòng)同時(shí)都在0.04mm以內(nèi)的真空爐生產(chǎn)的零件達(dá)到66.67%，而連續(xù)爐生產(chǎn)出來的零件卻只占29.56%。且真空爐生產(chǎn)的軸類零件的圓跳動(dòng)幾乎沒有超過0.1mm，在提高校直節(jié)拍及產(chǎn)能的同時(shí)又大幅降低了零件由于圓跳動(dòng)過大而引起的校直斷裂的質(zhì)量問題。由于零件的變形較小，還可以降低熱處理后的磨削量，因此可以極大地降低零件的生產(chǎn)成本。

三、工藝模擬

對(duì)于低壓真空滲碳過程，最主要的工藝參數(shù)是滲碳溫度、真空度和脈沖滲碳循環(huán)的時(shí)間節(jié)拍及氣體流量。圖8為C-sim滲碳模擬的程序界面。

模擬軟件主要需要輸入的參數(shù)有滲碳溫度、工件原始碳濃度、工件的裝載面積、試塊的材料及面積、最終表面碳濃度、要求的滲碳層深度及對(duì)應(yīng)的碳濃度，通過輸入這些參數(shù)即可模擬出脈沖滲碳循環(huán)的時(shí)間節(jié)拍及氣體流量，如圖9所示。

表2 軸類零件熱處理后圓跳動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)

圖8 C-sim 滲碳模擬界面

最終表面碳濃度按照汽車行業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)，一般設(shè)定為0.65%～0.8%。過高的表面碳濃度將會(huì)導(dǎo)致表面過高的殘留奧氏體和不適合的碳化物出現(xiàn)，軟件中還根據(jù)不同合金設(shè)定了每次脈沖滲碳后表面最大的碳濃度，超過該濃度值則將可能產(chǎn)生碳化物組織；過低的表面碳濃度則不利于表面硬度及耐磨性的提高。工藝設(shè)定滲碳層深對(duì)應(yīng)的碳濃度可以根據(jù)SAE J 423或類似標(biāo)準(zhǔn)獲得，如515HV1對(duì)應(yīng)的碳濃度為0.35%。

圖9 模擬輸出的低壓滲碳工藝

另外，還可以將隨爐試塊的材料及表面積輸入到軟件中，軟件會(huì)根據(jù)此次裝爐量來計(jì)算試塊在該工藝熱處理后增重多少，在以后長(zhǎng)期穩(wěn)定地生產(chǎn)后，根據(jù)數(shù)據(jù)積累對(duì)比，可以通過稱重法來直接評(píng)定該爐零件大致的滲碳層深，節(jié)省了大量的檢測(cè)時(shí)間。軟件中還設(shè)置有e-function功能，該功能可模擬出每次脈沖滲碳的乙炔流量最大利用率，不僅節(jié)省了滲碳介質(zhì)的通入量，同時(shí)避免因乙炔流量過多導(dǎo)致的過滲及因產(chǎn)生過多炭黑而帶來的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)問題。

四、結(jié)語

（1）低壓真空滲碳是一種環(huán)保節(jié)能的“綠色”熱處理技術(shù)，該技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量及制造產(chǎn)能都有極大的提高。

（2）零件高壓氣體淬火后變形小，可以整體縮短零件的加工工序節(jié)拍，降低熱處理后的磨削量，可極大地降低零件的生產(chǎn)成本。

（3）真空滲碳的工件盲孔位置滲碳均勻，無晶間及內(nèi)氧化，大幅提升了零件表面的抗疲勞性。