本文原作者為Bill Disler是AFC-Holcroft L.L.C.的總裁兼首席執(zhí)行官。他也曾兼任ALD- holcroft (ALD GmbH和AFC-Holcroft的合資企業(yè))的董事會主席。自1916年以來，AFC-Holcroft一直是用于黑色金屬和有色金屬熱處理的工業(yè)爐系統(tǒng)的領(lǐng)先制造商。自2016年以來，AFC-Holcroft成為AICHELIN集團(tuán)的一部分。

　　以下觀點(diǎn)來自于他對熱處理系統(tǒng)的思考。

　　通常情況下,熱處理的選擇是齒輪設(shè)計人員預(yù)先就確定好的。但是，齒輪設(shè)計者和一些熱處理制造商都受到限于基本物理知識的限制，而這些基本物理知識決定了現(xiàn)有設(shè)備的熱處理過程。熱處理行業(yè)歷史悠久，經(jīng)驗豐富，但發(fā)展緩慢，缺乏適當(dāng)?shù)母淖儎恿ΑＶ匾氖且J(rèn)識到齒輪和動力系統(tǒng)設(shè)計師和熱處理專家之間的早期、建設(shè)性的對話的好處，以推進(jìn)系統(tǒng)功能和設(shè)計，以促進(jìn)制造整體效益的高性價比性能的優(yōu)質(zhì)動力系統(tǒng)。

　　這篇文章的目的是觸及一些關(guān)鍵的熱處理的基本原理，揭示目前常用的工藝方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性。在某些情況下，對于老的工藝方法，可以增加一些新的理念，來促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。在過去幾十年里，我們的工藝變化沒有改變多少。這篇文章關(guān)注的焦點(diǎn)主要內(nèi)容是滲碳齒輪，但大部分的基本原理都可以應(yīng)用于其他熱處理工藝，可以帶來價值的效益。

　　一個真實(shí)世界的例子——大型深層齒輪失效

　　在這種情況下，我們談?wù)摰氖秋L(fēng)力渦輪機(jī)齒輪——重量超過1500磅(680公斤)的齒輪。表面風(fēng)產(chǎn)生的壓力對渦輪發(fā)動機(jī)艙和支撐齒輪和旋轉(zhuǎn)齒輪質(zhì)量的結(jié)構(gòu)施加了極大的壓力。無論應(yīng)用在什么位置的齒輪，尤其是在風(fēng)力渦輪機(jī)，都希望運(yùn)行時盡可能少的噪音。為了在如此惡劣的條件下有效運(yùn)行，大多數(shù)風(fēng)能齒輪都經(jīng)過滲碳和淬火處理。最常用的設(shè)備是坑爐系統(tǒng)。選擇這種工藝的原因是與淬火利用有關(guān)的滲碳時間很長。

　　多個坑滲碳爐可以由一個共用的淬火槽來進(jìn)行工作。當(dāng)滲碳時間以天計算時，使用多個滲碳室和一個淬火槽是合理的。然而，當(dāng)整體齒輪設(shè)計過程考慮到包括熱處理和硬加工過程后，便存在顯著提高生產(chǎn)成本和整體質(zhì)量的機(jī)會。

　　這種滲碳和淬火過程的基礎(chǔ)是健全的，但物理的機(jī)制尚未被考慮。請記住，成千上萬的這種系統(tǒng)正在世界各地的大型齒輪加工使用。對深層零件進(jìn)行整體滲碳是有意義的。超出了材料處理和不理想的產(chǎn)品-夾具負(fù)荷比，淬火配置是真正的弱點(diǎn)。這些系統(tǒng)使用油來淬火零件，這是一個經(jīng)過時間考驗和證明的過程。這就是物理學(xué)的用武之地，問題也隨之而來。

　　所使用的油淬系統(tǒng)是一個垂直加長淬滅室。在如此巨大的負(fù)荷下，要使油流從底部均勻地流到頂部是不可能的。由于油沸騰時，它變得太熱，不可避免的導(dǎo)致這些齒輪不均勻冷卻，引起零部件的扭曲。淬火過程中的熱傳遞越均勻，你將看到的變形越低，也越容易預(yù)測。齒輪可以設(shè)計來補(bǔ)償可預(yù)測這種變形。

　　在熱處理淬火應(yīng)用中，油本質(zhì)上是一種多相淬火劑。這意味著，無論我們在淬火設(shè)計中做什么，負(fù)載中總是會有不止一種類型的傳熱:液體油的傳熱(對流)，膜沸騰傳熱，以及當(dāng)全部沸騰時油蒸汽(氣泡)的傳熱，這些傳熱速率的差異是顯著的(圖1)。

圖1：多相淬火劑-油和水的傳熱速率變化

　　對于那些缺乏技術(shù)思維的人來說，請考慮一下吃些冷凍的東西當(dāng)晚餐。讓它在空氣(蒸汽)或水(液體)中融化，這涉及到相同的物理原理。所有的油淬罐都有攪拌(或應(yīng)該)，以盡量減少造成部件不均勻冷卻的蒸汽的形成。在最佳情況下，你需要有足夠的流量在油達(dá)到相變溫度之前吸收熱量并將油帶走(對流)。過多的攪動也會產(chǎn)生有害的影響，所以我們真的希望在一個最佳的世界中達(dá)到2-3英尺/秒的最佳狀態(tài)。(見圖2)

圖2 層流淬火槽優(yōu)化設(shè)計

　　在坑爐設(shè)置的急冷槽是最壞的情況，因為攪拌是從底部到頂部的加長槽。無論容器底部的攪動有多劇烈，都不可能有任何均勻的，更不用說層流的油料通過。即使底部有高流量，油箱的頂部也會更接近靜止。此外，由于需要垂直夾具，齒輪的質(zhì)量在它們之間產(chǎn)生流動的空隙。(見圖3)

圖3 坑淬系統(tǒng)中固定件的典型配置

　　零件在工裝中的配置方式對任何淬火液流動的均勻性都非常重要。通過CFD流動建模，可以優(yōu)化工裝以改善流動。作為一個設(shè)備供應(yīng)商，我可以憑經(jīng)驗說，這種技術(shù)在項目初期很少使用，但經(jīng)常用于解決后期生產(chǎn)中的問題。圖4顯示了CFD建模如何幫助逐步淬火系統(tǒng)設(shè)計。想象一下，如果將一個流動模型應(yīng)用到坑式爐急冷槽上會是什么樣子。(見圖4)

圖4 通過確定零件進(jìn)行淬火流CFD模型分析

　　在采用更優(yōu)化的油淬配置的常規(guī)密封式淬火爐中進(jìn)行的試驗發(fā)現(xiàn)，變形的減少可以大大減少齒輪后續(xù)進(jìn)行的昂貴的磨削工藝成本。對這些齒輪，它還可以減少幾乎一天的滲碳時間-超過20小時的在爐時間。原因是齒輪可以用更少的余量設(shè)計，因為減少變形將使要求最小化，由于改進(jìn)的淬火方法應(yīng)用。當(dāng)然，由于許多原因，使用傳統(tǒng)的密封式淬火爐，每個都有自己的淬火槽，不是一個經(jīng)濟(jì)有效或?qū)嵱玫慕鉀Q方案。然而，所吸取的經(jīng)驗教訓(xùn)可以導(dǎo)致設(shè)備的新設(shè)計，將傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用到新方案中。這些替代方案的存在，帶來了改進(jìn)的自動化，改進(jìn)的零部件質(zhì)量，以及更低的整體零部件成本。

　　但今天，對于熱處理如此大，極深的情況下齒輪，如用于風(fēng)能的齒輪，坑爐仍然是主要的解決方案。為什么?要想利用這種熱處理方法的改變，必須改變齒輪的實(shí)際設(shè)計、熱處理的上游。在許多公司，沒有一個最佳的溝通渠道，實(shí)際能被看到的附加值不容易被傳達(dá)。

　　熱處理工藝師和齒輪設(shè)計師應(yīng)該理解的內(nèi)容

　　1.在滲碳和其他過程中對零件進(jìn)行溫度加熱和保溫。

　　a.工藝室的溫度規(guī)格可能是通用的，但實(shí)際零件在一個系統(tǒng)中所經(jīng)歷的溫度與溫度之間的關(guān)系是不同的。另一個則不一樣——這可能很重要。

　　b.當(dāng)連續(xù)爐與間歇爐比較時，無論采用氣氛滲碳、LPC、氮化、回火等工藝，在連續(xù)爐中零件會更加均勻。

　　c.此外，在工藝比較中，連續(xù)工藝與批處理工藝相比，零件的均勻性更好。原因是，盡管腔室可以驗證為通用的均勻規(guī)格，但零件/負(fù)荷通過連續(xù)的熔爐，因此，零件在可接受的規(guī)格范圍內(nèi)經(jīng)歷高和低的平均效應(yīng)。在批處理室中，零件是固定的，在相同工裝下，一個零件與另一個零件將經(jīng)歷允許的公差的完全變化。

　　在典型的滲碳爐中考慮±10°F的溫度規(guī)格。總共有20°F的差異。雖然質(zhì)量的重要性對結(jié)果有什么影響。根據(jù)滲碳深度和工藝的不同，零件的外觀會有所不同?？紤]到滲碳溫度10°F的變化會使?jié)B碳深度增加一倍或一半。如果你正在努力追求更高的質(zhì)量，這可能很重要。

圖5：普通淬火介質(zhì)的傳熱速率

　　2. 傳統(tǒng)的氣體滲碳與基于LPC的方法的氣體滲碳選項-了解兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　a. 吸熱滲碳?xì)怏w，無論是由發(fā)生器產(chǎn)生的，還是由爐內(nèi)的氮和甲醇直接混合產(chǎn)生的，在整個循環(huán)過程中由爐內(nèi)的傳感器控制，允許補(bǔ)償裝載大小的變化。

　　i. 這些過程用氣體置換腔內(nèi)的空氣，但仍會有殘留的微量氧。

　　ii. 循環(huán)是相當(dāng)“教科書”的碳潛力和碳層深度。

　　b. LPC在整個循環(huán)中使用交替的乙炔和氮?dú)膺M(jìn)行滲碳，在整個過程中熔爐內(nèi)沒有傳感器。

　　i. LPC室使用真空將空氣從室中抽走，并用富含碳的氣體回填;因此，艙內(nèi)幾乎沒有氧氣

　　ii. 循環(huán)可以被模擬，但是測試需要對零件的每一個特定負(fù)載的精確過程進(jìn)行確認(rèn)——結(jié)果取決于每次負(fù)載的確切表面積，所以部分負(fù)載是不可能的。

　　iii. 在沒有微量空氣的情況下，可以消除內(nèi)部顆粒氧化(IGO)，這在某些情況下可能是一個好處。

　　1. LPC過程是有成本的，所以一定要確保IGO的好處適用于工藝程序;通常，它不因齒輪的故障點(diǎn)或后處理磨削的要求。

　　Iv.乙炔攜帶的碳比傳統(tǒng)的吸熱滲碳?xì)怏w多六倍，可以提供更快的循環(huán)時間用于滲碳部分。

　　1. 在縮短滲碳時間后，這種表面碳活性的好處被零件內(nèi)碳擴(kuò)散物覆蓋。在中深層滲碳中，工藝時間不太可能有顯著差異。、

　　2. 從齒輪根部到齒輪表面測量時，軸套均勻性也可以得到同樣的結(jié)果——軸套較淺，好處可能更明顯;有了更深層的案例，情況就不那么嚴(yán)重了。

　　iv. 提高滲碳溫度以縮短滲碳時間，其對組織的不利影響適用于LPC和常規(guī)氣氛系統(tǒng)。

　　c當(dāng)在連續(xù)爐中使用真空時，會產(chǎn)生復(fù)雜情況，因此LPC通常被限制為僅批量熱處理。

　　3. 淬火介質(zhì)和裝載大小-減少失真的關(guān)鍵考慮因素(這是研究的主題)。

　　a. 在我看來，淬火介質(zhì)主要分為兩大類:

　　i. 多相淬火介質(zhì):油、水、聚合物。

　　1. 在淬火過程中，無論機(jī)械設(shè)計如何，每個零件都會經(jīng)歷相變，從而導(dǎo)致零件傳熱不均勻。

　　2. 雖然油是一種多相淬火劑，但如果使用得當(dāng)，它仍然是一種高質(zhì)量、靈活的解決方案，滿足許多齒輪和其他部件的需求。

　　ii. 單相淬火介質(zhì):壓縮氣體或熔鹽

　　1. 它們在淬火過程中不會發(fā)生相變，因此在淬火過程中會提供最均勻的傳熱。

　　2. 壓縮氣體，通常是氮或氦(它們有更好的傳熱系數(shù)，但不再可行)，傳熱特性非常有限。

　　3. 鹽具有更好的傳熱性能，如果需要更高的傳熱速率，通常與少量的水混合。

　　2.在所有情況下，循環(huán)批量都是一個主要考慮因素。

　　b. 載荷越小，在所有情況下淬火均勻性越好。這又是關(guān)于如何通過裝載均勻地得到流動的物理學(xué)的交集。

　　一些關(guān)于使用鹽作為淬火介質(zhì)的說法：過去，它是一個令人討厭的介質(zhì)，存在各種安全和環(huán)境問題，這是一種恥辱。通常，當(dāng)我提到鹽淬火時，經(jīng)驗豐富的熱處理專家們都看著我，好像我瘋了一樣。重要的是，人們需要更好地理解鹽，為未來打開機(jī)會。與石油不同，本文中提到的鹽99%以上可以回收，剩下的可以很容易地丟棄。在這些淬火系統(tǒng)中使用的鹽是非常綠色和環(huán)境友好的。

　　此外，隨著新型傳感器的開發(fā)，添加少量水的鹽的傳熱速率可以被精確控制，并成為許多工藝的附加因素。對鹽淬系統(tǒng)的需求正在增長。在某些情況下，這是因為它可以做其他介質(zhì)不能做的事情，比如在700°F淬火溫度下淬火到貝氏體。在其他情況下，正在考慮馬氏體淬火處理，以提供更好的傳熱率，為那些已經(jīng)看到了氣體淬火系統(tǒng)的好處，但不想處理傳熱率差的限制。像所有的東西一樣，它的應(yīng)用也有其局限性和需要考慮的方面，但是對其力學(xué)性能而言，值得適當(dāng)?shù)目紤]。

　　我鼓勵齒輪設(shè)計師接觸和探索熱處理過程的演變。與金屬切削和自動化等其他技術(shù)相比，熱處理系統(tǒng)往往發(fā)展緩慢，但當(dāng)齒輪設(shè)計師參與并與供應(yīng)商一起探索選項時，它們確實(shí)能夠以最有效的方式發(fā)展。

　　許多可以做的事情都受到物理的限制，但創(chuàng)造性的改進(jìn)將使未來的系統(tǒng)更加靈活和適應(yīng)。雖然在這篇文章中沒有探討，變化是與熱處理系統(tǒng)的其他方面。以圖6和圖7所示的模塊化系統(tǒng)為例。

圖6 鹽浴淬火的模塊化系統(tǒng)

圖7 Re-deployable熱處理系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)設(shè)計，可以用于在平地上快速安裝，與數(shù)控機(jī)床類似，可以輕松地重新部署，可以處理中等大小的負(fù)載，以平衡靈活性和每個部件的成本。該系統(tǒng)具有小負(fù)載淬火的好處，并使用鹽淬火的環(huán)境友好，低失真淬火。當(dāng)齒輪設(shè)計師和熱處理設(shè)備專家一起工作來發(fā)展他們未來需求的愿景時，變化就會發(fā)生。