將近100年來(lái)，歐瑞康費(fèi)爾菲爾德(Oerlikon Fairfield Manufacturing)始終是齒輪和傳動(dòng)設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)先者和產(chǎn)品創(chuàng)新者。公司依靠自己的員工、知識(shí)和資源針對(duì)眾多應(yīng)用需要提供獨(dú)特的方案。

　　依靠設(shè)在美國(guó)、印度和中國(guó)的制造廠，歐瑞康費(fèi)爾菲爾德有能力生產(chǎn)AGMA 14級(jí)定制齒輪，包括直徑從20毫米直到2米的正齒輪、斜齒輪和錐齒輪。

　　公司還為移動(dòng)式設(shè)備和固定式工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造輸出扭矩從800牛米直到超過(guò)4,000,000牛米的定制傳動(dòng)。

　　另外，公司還設(shè)計(jì)并提供機(jī)械、液壓或電氣傳動(dòng)系統(tǒng)集成方案，包括采用Torque Hub®行星傳動(dòng)、低輸出軸變速器、直角傳動(dòng)、分動(dòng)器、特種傳動(dòng)、差速器和差速器支架組件、機(jī)殼和定制型傳動(dòng)組件。

　　氣體滲碳需求

　　為了滿足客戶對(duì)產(chǎn)品性能和使用壽命的要求，部件需要堅(jiān)硬耐磨的表面和延展性良好的柔韌內(nèi)芯，不僅要能耐受輪齒承載齒面上存在的極高赫茲應(yīng)力，而且要能承受齒根部位的極大彎曲應(yīng)力。

　　氣體滲碳是滿足這些要求的一種理想的低成本技術(shù)方案。因此，歐瑞康費(fèi)爾菲爾德?lián)碛幸粋€(gè)大型熱處理車間，使用許多間歇式和連續(xù)式爐在吸熱性氣氛下每天24小時(shí)連續(xù)進(jìn)行處理。

　　增效調(diào)查

　　歐瑞康費(fèi)爾菲爾德決定對(duì)Heavy Carbon有限責(zé)任公司(美國(guó)密歇根州匹茲福德)提供的一種工藝技術(shù)“Endocarb”進(jìn)行考察，該技術(shù)據(jù)稱能夠顯著縮短工藝時(shí)間。它交替提高和降低爐內(nèi)的碳勢(shì)，因而能夠更快地完成部件的處理。

　　Endocarb在幾個(gè)重要的方面有別于傳統(tǒng)的氣體滲碳系統(tǒng)：

　　1. Endocarb是對(duì)工藝氣體的來(lái)源進(jìn)行控制。它直接安裝在爐體頂部，簡(jiǎn)化了氣體管路，避免了在輸送過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。距離靠近還顯著降低了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，減少了系統(tǒng)需要的維修工作量。系統(tǒng)能夠很方便地設(shè)定，而滲碳爐只需要較小的氣體流量。

　　2. 在925°C(1,700°F)時(shí)，工藝可以在碳勢(shì)設(shè)定為1.5%的情況下進(jìn)行，這明顯高于傳統(tǒng)工藝的水平(典型值為1.05 – 1.10%，肯定不超過(guò)1.2%)。

　　3. 碳勢(shì)提高使?fàn)t料的處理時(shí)間得以縮短，達(dá)到2.3毫米有效硬化層深度的滲碳時(shí)間縮短了將近18%。

　　傳統(tǒng)的滲碳工藝在強(qiáng)滲期保持碳勢(shì)不變，而Endocarb采用了“循環(huán)碳勢(shì)”(即工藝開始時(shí)碳勢(shì)很高，然后迅速降低到遠(yuǎn)小于初始設(shè)定點(diǎn)的水平)。這一循環(huán)在整個(gè)工藝過(guò)程中始終進(jìn)行。

　　另外，在特定時(shí)刻向爐內(nèi)通入空氣，執(zhí)行一種“控制清理”操作。這樣，氣氛得到更新，而爐膛本身得以保持清潔，不產(chǎn)生積炭。圖1給出了典型的Heavy Carbon工藝與傳統(tǒng)氣體滲碳工藝的比較。

　　圖1. 傳統(tǒng)和Heavy Carbon方法的比較

　　試驗(yàn)計(jì)劃

　　由于在相同的工藝溫度下縮短了周期時(shí)間，加上提高了爐膛清潔性，Endocarb能夠比傳統(tǒng)滲碳工藝更快地收回投資。

　　為了評(píng)估在相同甚至更高質(zhì)量水平下的成本節(jié)約潛力，歐瑞康費(fèi)爾菲爾德決定通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，縮短時(shí)間的目標(biāo)能否在不影響冶金質(zhì)量或齒輪性能的前提下達(dá)到。

　　為了進(jìn)行試驗(yàn)，選擇了兩組完全相同的齒輪，5種不同材質(zhì)的試棒(8620、4320、8822、4820和4817)，還有8個(gè)不同徑節(jié)齒輪的不同片斷。選擇的齒輪是一種230千克的大齒輪(圖2)。

　　圖2. 滲碳后的大齒輪

　　將冶金結(jié)果同內(nèi)部和客戶的規(guī)范進(jìn)行了比較，包括對(duì)表面和芯部硬度(齒面和齒根)、有效硬化層深度(齒頂、齒面和齒根)、表面層和芯部微觀結(jié)構(gòu)、碳化物形貌、表面碳含量、殘余奧氏體百分?jǐn)?shù)、NMTP(滲碳層貝氏體數(shù)量)百分?jǐn)?shù)、脫碳程度和IGO/IGA(晶間氧化/晶間腐蝕)進(jìn)行的檢查。

　　為了便于對(duì)照，兩組試驗(yàn)采用了相同的奧氏體化和滲碳溫度。兩組部件在滲碳后都在爐內(nèi)冷卻，然后再放到同一臺(tái)爐內(nèi)加熱和淬火，以消除淬火工藝的任何差異。

　　試驗(yàn)結(jié)果

　　樣品被送到商業(yè)熱處理企業(yè)歐幾里德熱處理公司(Euclid Heat Treating，位于美國(guó)俄亥俄州歐幾里德)，在安裝了Endocarb裝置的滲碳爐內(nèi)處理。

　　對(duì)這些樣品的碳含量進(jìn)行了分析，并且同樣分析了在歐瑞康費(fèi)爾菲爾德進(jìn)行試驗(yàn)的樣品。

　　為了便于說(shuō)明，在歐瑞康費(fèi)爾菲爾德進(jìn)行的試驗(yàn)被稱為“傳統(tǒng)”試驗(yàn)，而在歐幾里德熱處理公司進(jìn)行的試驗(yàn)被稱為“Heavy Carbon”試驗(yàn)。

　　分析了不同深度的碳含量，將兩家工廠試驗(yàn)的相同樣品的結(jié)果繪成曲線進(jìn)行比較，如圖3所示。

　　圖3. 歐幾里德熱處理(Endocarb)和歐瑞康費(fèi)爾菲爾德(傳統(tǒng)滲碳)試驗(yàn)樣品碳含量的比較

　　從圖3可以看到，相同樣品不同深度的碳含量沒(méi)有明顯差別。這表明，傳統(tǒng)和Endocarb滲碳方法處理的產(chǎn)品在碳的成分變化上沒(méi)有區(qū)別，意味著兩組樣品的表面碳、0.40%碳的硬化層深度和用來(lái)確定部件機(jī)械性能的其他碳勢(shì)指標(biāo)基本一致。

　　兩種滲碳方法得到的部件有效硬化層深度(ECD，50 HRC)和表面硬度的結(jié)果也進(jìn)行了比較(分別見表1和2)，兩種方法得到的樣品分別由歐瑞康費(fèi)爾菲爾德、歐幾里德熱處理和獨(dú)立第三方The HERRING集團(tuán)有限公司(伊利諾伊斯州埃爾姆赫斯特)進(jìn)行了測(cè)試。

　　數(shù)據(jù)再次表明，大齒輪的每個(gè)齒進(jìn)行的全部4次測(cè)試之間基本沒(méi)有差別。試驗(yàn)結(jié)果的主要差別(超過(guò)10%或3 HRC)出現(xiàn)在大齒輪2號(hào)輪齒(或歐瑞康費(fèi)爾菲爾德所稱的樣品B)的ECD測(cè)量值上。

　　不過(guò)，在兩種試驗(yàn)中，第三方對(duì)這個(gè)輪齒的ECD測(cè)量結(jié)果非常接近?？偟膩?lái)說(shuō)，測(cè)量結(jié)果之間只有很小的差別，再次確認(rèn)了采用這兩種滲碳方法處理的部件基本性能相差無(wú)幾。

　　雖然所有測(cè)試結(jié)果(這里沒(méi)有全部列出)都支持這一結(jié)論，但還是進(jìn)一步進(jìn)行了浸蝕前后的微觀結(jié)構(gòu)分析(圖4 – 6)。

　　圖4. 兩家工廠試驗(yàn)的大齒輪2號(hào)輪齒晶間氧化(IGO)的比較

　　圖5. 兩家工廠試驗(yàn)的大齒輪2號(hào)輪齒齒面(中點(diǎn))的比較

　　圖6. 兩家試驗(yàn)的大齒輪2號(hào)輪齒齒根中心的比較

　　不同樣品的微觀結(jié)構(gòu)沒(méi)有差別(圖6的顏色差異是浸蝕效果和照明條件不同造成的)。這些微觀結(jié)構(gòu)確認(rèn)了兩種方法處理的部件之間基本沒(méi)有差別。

　　商業(yè)案例

　　為了證明滲碳工藝變化的合理性，必須使用SEQCDM(安全，環(huán)境，質(zhì)量，成本，交付成果，士氣)模型建立一個(gè)商業(yè)案例。

　　•安全 – 由于氣體質(zhì)量更容易監(jiān)測(cè)，并且和以前的方法執(zhí)行同樣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)項(xiàng)目能夠達(dá)到安全性目標(biāo)。盡管歐幾里德熱處理公司使用該方法已有若干年，但還需要更多的研究以確保安全合規(guī)。

　　•環(huán)境 – 吸熱性氣氛的直接噴吹能夠減少潛在的管路泄漏，而目前的方法需要對(duì)管路持續(xù)維護(hù)和監(jiān)測(cè)。Endocarb需要使用的氣體量也少于傳統(tǒng)滲碳方法，因此，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的空氣質(zhì)量將會(huì)總體改善。

　　•質(zhì)量 – Endocarb處理的部件能夠達(dá)到與采用傳統(tǒng)氣體滲碳同樣的質(zhì)量水平。

　　•成本 – 對(duì)于本文分析的具體部件，Endocarb的典型處理時(shí)間比傳統(tǒng)氣體滲碳縮短了18%。用更少的時(shí)間對(duì)更多的部件進(jìn)行滲碳處理的能力，顯然有助于更快地收回投資。維修方面的節(jié)省也很可觀。

　　•交付成果 – Endocarb處理的產(chǎn)品能夠用比傳統(tǒng)氣體滲碳更短的時(shí)間達(dá)到甚至超出客戶的預(yù)期。兩種方法達(dá)到的表面層硬度和有效硬化層深度幾乎相同。

　　•士氣 – Endocarb直接安裝在爐體上，容易接近，方便了技術(shù)人員操作。由于簡(jiǎn)化了工藝，員工士氣將會(huì)隨時(shí)間而提高。

　　因此，由于能夠更快和更高效地得到總體質(zhì)量相同的部件，Endocarb從成本和質(zhì)量?jī)煞矫鎭?lái)說(shuō)都符合SEQCDM模型。

　　結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)在這些試驗(yàn)中對(duì)部件的分析研究，確認(rèn)了Endocarb系統(tǒng)能夠達(dá)到與傳統(tǒng)的吸熱式氣體滲碳相同的結(jié)果。由此得出的主要結(jié)論是：

　　•碳勢(shì) – 在整個(gè)工藝過(guò)程中碳勢(shì)設(shè)定點(diǎn)的高低變化使?fàn)t內(nèi)減少了積炭產(chǎn)生，減少了操作人員的清理工作。在傳統(tǒng)工藝中，積炭能夠造成嚴(yán)重的設(shè)備問(wèn)題和工藝波動(dòng)。

　　•溫度 – 控制碳勢(shì)設(shè)定點(diǎn)變化所必需的溫度波動(dòng)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量有不利影響。

　　•時(shí)間 – 氣體滲碳的工藝時(shí)間比傳統(tǒng)方法縮短了大約18%，因而能夠提高生產(chǎn)效率和降低工藝成本。

　　•微觀結(jié)構(gòu)，表面層深度，表面硬度，殘余奧氏體 – 傳統(tǒng)和Heavy Carbon方法處理的部件分析結(jié)果表明微觀結(jié)構(gòu)相近。采用兩種工藝處理的相同部件預(yù)計(jì)機(jī)械性能沒(méi)有明顯差別。

　　鑒于Endocarb看起來(lái)能夠以更短的時(shí)間和更低的成本達(dá)到同樣的質(zhì)量，熱處理部門將能夠更高效地生產(chǎn)，加快交貨進(jìn)度，同時(shí)仍然保證達(dá)到甚至超出客戶的期望。