■ 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)性的任務在于提高能效的同時還要實現(xiàn)“綠色”制造，保護環(huán)境，實現(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用新技術(shù)來滿足汽車制造業(yè)日益增長的市場需求以及實現(xiàn)“綠色”熱處理。自20世紀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、日本等發(fā)達國家真空低壓滲碳技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應用。我公司變速箱中的各項制造技術(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），對變速箱中的齒輪軸進行熱處理。

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擴散型滲碳工藝，工件在低壓（8～15mbar，1bar=105pa）真空狀態(tài)下，由交替的滲碳和擴散構(gòu)成的脈沖式滲碳工藝過程。滲碳時爐內(nèi)通入滲碳氣體介質(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；強滲結(jié)束后，通入保護性氣體（高純氮氣）進行擴散，此時工件表面的碳向工件內(nèi)部進行擴散。一次完整的滲碳和擴散稱之為一次脈沖，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算機模擬生成。對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)的時間節(jié)拍及氣體流量。

圖1 德國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)的工件在對流加熱下迅速被加熱到奧氏體化以上溫度（960℃），并進行真空加熱使每一個區(qū)域的工件受熱均勻，隨后進入多段脈沖滲碳擴散階段，在脈沖滲碳階段結(jié)束后在真空加熱下進入最終擴散階段。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)歷三個主要階段：蒸氣膜階段、沸騰階段、對流階段，這三個階段的傳熱系數(shù)不同，工件不同位置的熱傳遞不均勻，導致淬火畸變大。而對氣體介質(zhì)而言，則僅靠對流熱傳遞，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。從氦氣使用的經(jīng)濟性考慮，該套淬火系統(tǒng)還配備了相應的氦氣回收系統(tǒng)（見圖4），將淬火后的氦氣清潔回收再利用，回收率可達99.8%，此外淬火室還配備了導向擋板及風扇，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。對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：

（1）工藝時間短，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℃。由于滲碳時碳的擴散系數(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比

表1 低壓滲碳與可控氣氛滲碳效率對比

（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，實現(xiàn)了無污染的清潔熱處理工序目標，同時節(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 對于可控氣氛滲碳，傳統(tǒng)的推盤爐是貫通式的，且滲碳時通入了大量的甲醇（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，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)下進行，且使用高純乙炔（純度≥99.5%）作為滲碳介質(zhì)，高純氮氣（純度≥99.999%）作為擴散時的稀釋氣體，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)的零件組織對比如圖7所示。

圖6 兩種滲碳爐生產(chǎn)的零件對比

圖7 兩種滲碳爐生產(chǎn)的零件組織對比

（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)，其底部的氣體流動性較差，活性碳原子無法及時得到補充，盲孔底部的滲碳層深度會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，幾秒鐘便可達到滲碳的壓力，工件表面各部分就會均勻地處于滲碳氣氛中開始滲碳。工藝要求的強滲時間結(jié)束后，真空泵組抽出滲碳氣氛，恢復到原來的真空度進行擴散。如此循環(huán)往復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性不受封閉式結(jié)構(gòu)的影響，滲碳氣氛可均勻充滿整個盲孔，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統(tǒng)計情況，對于軸類零件的校直我們采用三點測量控制，從表2中我們可以看出三個測量點的圓跳動同時都在0.04mm以內(nèi)的真空爐生產(chǎn)的零件達到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幾乎沒有超過0.1mm，在提高校直節(jié)拍及產(chǎn)能的同時又大幅降低了零件由于圓跳動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應的碳濃度，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情況統(tǒng)計

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，一般設定為0.65%～0.8%。過高的表面碳濃度將會導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。工藝設定滲碳層深對應的碳濃度可以根據(jù)SAE J 423或類似標準獲得，如515HV1對應的碳濃度為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，軟件會根據(jù)此次裝爐量來計算試塊在該工藝熱處理后增重多少，在以后長期穩(wěn)定地生產(chǎn)后，根據(jù)數(shù)據(jù)積累對比，可以通過稱重法來直接評定該爐零件大致的滲碳層深，節(jié)省了大量的檢測時間。軟件中還設置有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，同時避免因乙炔流量過多導致的過滲及因產(chǎn)生過多炭黑而帶來的設備維護保養(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。