本文主要介紹我司汽車變速器齒輪滲碳淬火、滲碳不均及表面掛彩的課題。分析驗(yàn)證結(jié)果表明，齒輪表面覆蓋熱前切削液等殘留物，因工藝設(shè)備的特殊性，爐內(nèi)無法燒損并阻礙滲碳。通過分析驗(yàn)證采取成本最優(yōu)的對策，即試驗(yàn)選擇不阻礙滲碳的新型切削液，解決此問題。

　　齒輪滲碳不均是一種常見的熱處理缺陷，直接影響齒輪耐久壽命，若流入市場，很可能會造成早期失效，如齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕剝落、總成異響甚至斷齒。引起滲碳不均的因素有很多，如：零件形狀、前清洗效果差、裝爐量過多、裝料方式不合理、加熱溫度不均勻、爐內(nèi)氣氛均勻性差、材料偏析等。

　　針對我司箱式多用爐熱處理特殊工藝，熱前切削液等殘留物覆蓋齒輪表面，無法燒損，阻礙滲碳。齒輪熱處理量產(chǎn)后，該現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，多次造成批量報(bào)廢。經(jīng)檢測，滲碳不均多伴隨表面掛彩，表面掛彩現(xiàn)象與零件種類、批次、爐號、清洗機(jī)號等無明顯對應(yīng)關(guān)系，長期以來原因不明且有惡化趨勢，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

　　一、滲碳不良現(xiàn)狀分析

　　熱處理工藝概況

　　我司熱處理設(shè)備為箱式多用爐，單門進(jìn)出結(jié)構(gòu)，RX氣+丙烷碳氮共滲工藝，滲碳前清洗采用VCH真空碳?xì)淙軇┣逑礄C(jī)。

　　熱處理不良狀態(tài)

　　熱處理后目視檢查，部分零件表面有形狀不規(guī)則的掛彩現(xiàn)象，即藍(lán)色或彩色膜狀覆蓋物，位置不固定，端面、齒頂、齒面、齒根均有發(fā)生，外觀不符合常規(guī)基準(zhǔn)(灰白色)，見圖1。

　　掛彩部位切割金相檢查，發(fā)現(xiàn)有滲碳不均現(xiàn)象，局部位置(齒頂、齒根、端面)完全無滲碳層。同時(shí)，無滲碳層的表面有掛彩，其余表面無掛彩位置，滲碳層檢測合格，見圖2。

　　對掛彩無滲碳層區(qū)域檢測表面硬度，最低只有527HV(規(guī)格要求680 ~ 900HV)，比心部硬度稍高，而相鄰滲碳正常(無掛彩)區(qū)域表面硬度高達(dá)810HV，硬度梯度符合要求，見圖3。

　　結(jié)果表明，滲碳不均與掛彩有對應(yīng)關(guān)系。

　　二、掛彩原因調(diào)查

　　針對我司現(xiàn)有齒輪加工工藝，對熱前、熱處理各工序做滲碳不均和表面掛彩原理原則分析。調(diào)查熱前切削液濃度、換液周期、熱處理清洗劑外觀、清洗時(shí)間和溫度等相關(guān)參數(shù)均符合要求;熱處理碳?xì)淝逑礄C(jī)過濾裝置、噴嘴外觀、噴射壓力等檢查也未發(fā)現(xiàn)有異常;更換全新碳?xì)淝逑磩?、延長前清洗時(shí)間也未能改善。內(nèi)部調(diào)查課題沒有突破，考慮調(diào)研同行業(yè)進(jìn)行對比分析。

　　熱處理交叉驗(yàn)證

　　據(jù)悉，佛山某公司與我司有類似熱處理工藝，即同樣是VCH真空碳?xì)淙軇┣逑礄C(jī)、同一型號碳?xì)淝逑磩X發(fā)生器+碳氮共滲多用爐配置，但其齒輪類零件從未發(fā)生滲碳不均和掛彩現(xiàn)象。因此，將我司和佛山某公司熱處理工藝進(jìn)行交叉驗(yàn)證分析，即將我司1檔、5檔兩種掛彩頻次較多的齒輪，分別在兩個(gè)公司VCH前清洗，并分別在兩個(gè)公司進(jìn)行熱處理，方案如下：

　　交叉驗(yàn)證結(jié)果如下：

　　1)經(jīng)兩公司VCH前清洗，零件表面均有不同程度的白色殘留物。證明殘留物來自前工序，兩公司滲碳前清洗機(jī)能力無差異，見圖4。

　　2)表面有殘留物的零件，分別交叉進(jìn)行熱處理，經(jīng)我司熱處理零件有表面掛彩，而經(jīng)佛山某司熱處理零件表面無掛彩。經(jīng)差異分析，我司和佛山某司爐型有差異，佛山某司為貫通爐，我司為單門爐。佛山某司貫通爐加熱室開門進(jìn)料時(shí)，會通入一定量空氣，升溫期間，零件表面殘留物燒損，形成蓬松點(diǎn)狀碳化殘留物，無掛彩。我司單門爐進(jìn)料時(shí)，一直通入RX氣置換，加熱室內(nèi)完全杜絕空氣，屬還原性氣氛，升溫期間，零件表面殘留物無法氧化燒損，形成掛彩，見圖5。

　　交叉驗(yàn)證結(jié)果推測，零件表面殘留物，VCH熱前清洗不干凈，隨零件進(jìn)入爐內(nèi)，不能燒損，形成掛彩并阻礙滲碳。

　　殘留物阻礙滲碳的驗(yàn)證分析

　　針對我司爐型特點(diǎn)，室內(nèi)還原性氣氛，無法燒損的表面殘留物阻礙滲碳，進(jìn)一步驗(yàn)證分析。

　　將清洗后表面仍有殘留物的零件，放入箱式電阻爐內(nèi)，進(jìn)行450℃預(yù)氧化(保溫1h)，零件表面殘留物完全被燒損，除了少量點(diǎn)狀碳化物，基體表面呈現(xiàn)均勻灰白色，然后常規(guī)熱處理出爐，零件表面沒有掛彩且檢測表面硬度正常(滲碳層合格)，見圖6。

　　試驗(yàn)進(jìn)一步表明，零件表面殘留物阻礙滲碳。

　　殘留物來源的調(diào)查

　　熱前加工切屑液、剃齒油取樣涂抹零件表面驗(yàn)證，即從各設(shè)備取樣，均勻涂抹零件表面，進(jìn)行正常的清洗和熱處理。結(jié)果見表1。

　　結(jié)果表明，切削液殘留零件表面有掛彩，同時(shí)檢測滲碳層不合格。

　　綜上驗(yàn)證結(jié)果，熱前加工切削液殘留零件表面，我司熱處理工藝不能燒損殘留物，在零件表面形成彩色膜，阻礙滲碳。

　　(1)切削液成分調(diào)查

　　對設(shè)備內(nèi)切削液取樣，做發(fā)射光譜儀ICP成分檢測，切削液主要含有B、Ca、P、K、Na、S、Si等元素?cái)?shù)據(jù)，見表2。

　　(2)零件表面掛彩區(qū)成分調(diào)查

　　將熱處理后表面掛彩的零件委托日本某檢測機(jī)構(gòu)做電子探針X射線顯微分析EPMA，結(jié)果見圖7。零件表面掛彩區(qū)域有大量B、Si、Ca等元素，這些元素含量遠(yuǎn)超齒輪基體含量，也非滲碳工藝產(chǎn)生，同時(shí)與熱前切削液ICP分析的元素有共通，這3種元素可能來源于切削液。據(jù)文獻(xiàn)介紹，B、Si的化合物是熱處理防滲碳涂料常用原料之一，如某型號防滲涂料含有石英粉、硅酸鈉和硼砂，另一種用于精加工零件的防滲涂料含有硼酐粉和聚醚改性硅消泡劑。而且，該類型硼的化合物與熱處理行業(yè)滲硼工藝中的滲硼劑成分(如硼鐵、B4C)是有區(qū)別的，工藝路線也不一樣。同時(shí)，資料顯示，不同厚度的SiO2薄膜，在自然光下會呈現(xiàn)不同顏色。因此，切屑液成分中B、Si等化合物殘留零件表面，是形成掛彩和阻礙滲碳的真正原因。

　　三、滲碳不均改善對策

　　根據(jù)以上分析，對策從兩個(gè)方面進(jìn)行：

　　1) 驗(yàn)證選擇新型的熱前切削液。

　　2) 增設(shè)熱處理前的預(yù)氧化功能。

　　熱前切削液的試驗(yàn)選擇

　　現(xiàn)有切削液中含有大量的B、Si等元素，其中B有抑菌作用(同時(shí)也對人體有害)，Si是消泡劑主要成分。通過涂抹模擬，熱處理驗(yàn)證，最后選擇某公司新開發(fā)的一種高壓低泡的微乳半合成型切削液，不含B和消泡劑成分Si，效果較好，見表3。

　　同時(shí)，取一條生產(chǎn)線，將所有車床和加工中心切換成新型切削液，連續(xù)確認(rèn)6個(gè)月，零件表面均不出現(xiàn)掛彩，滲碳層檢測也合格，見圖8。

　　熱處理前增設(shè)預(yù)氧化功能

　　前面原因分析已知，熱處理前增加預(yù)氧化，可以燒損零件表面殘留物?？蓮氐赘纳茲B碳不良，但面臨以下課題：

　　1)設(shè)備平面布局需重新規(guī)劃，需要改造。

　　2)預(yù)氧化爐需要投資，投資收益年限長達(dá)10年。

　　3)生產(chǎn)運(yùn)行成本(能耗)增加。

　　綜上所述，熱處理前增加預(yù)氧化功能，雖然也能改善滲碳不良，但可操作性、成本、收益性方面不佳。最終判定，優(yōu)先采取切換某公司新型切削液，該方案成本最優(yōu)、風(fēng)險(xiǎn)低、可操作性強(qiáng)，解決問題，不增加額外成本。

　　四、應(yīng)用小結(jié)

　　滲碳不均在熱處理行業(yè)雖很常見，但我司由于工藝設(shè)備的特殊性，切削液殘留零件表面形成彩色膜，阻礙滲碳，屬行業(yè)獨(dú)特的不良現(xiàn)象。最終通過選擇新型的熱前加工切削液，不含B、Si等阻礙滲碳的元素，以最優(yōu)的方案解決課題。

　　1)常規(guī)切削液是由基礎(chǔ)油和復(fù)雜的添加劑組成，如消泡劑、抑菌防臭劑、防銹劑、表面活性劑等，切削液中含有的B、Si類化合物殘留，是阻礙滲碳和表面掛彩的主要原因，切削液選型時(shí)應(yīng)考慮對熱處理品質(zhì)的影響。

　　2)溶劑型清洗機(jī)對剃齒油有良好效果，但對零件表面殘留的切削液等水溶性物質(zhì)清洗效果不理想。

　　3)密封箱式單門多用爐，保護(hù)性氣氛RX氣的通入，爐內(nèi)處于密封無氧的還原性氣氛，導(dǎo)致零件表面殘留物無法燒損，阻礙滲碳并伴有表面掛彩。

　　4)現(xiàn)有熱處理工序未配備預(yù)氧化爐，若熱前清洗不干凈就會有品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)做工藝規(guī)劃時(shí)應(yīng)考慮是否增設(shè)預(yù)氧化爐。