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聯(lián)動公司先后進行了五一廠齒輪、美國齒輪、株洲汽車齒輪等多種零件的試制、小批量生產(chǎn)以及批量生產(chǎn)。委托加工零件的廠家對零件的熱處理質(zhì)量要求很高。除了要求零件加工的尺寸完全合格以外，對零件的金相組織和滲層深度都要求很嚴格。在對五一廠齒輪、美國齒輪、株洲汽車齒輪的試制和小批量生產(chǎn)過程中都出現(xiàn)過金相組織和滲層深度不合格的現(xiàn)象。

 

1.關(guān)于碳勢的控制

（1）碳勢在滲碳和氰化熱處理中的作用及碳勢控制的目標 碳勢是表征含碳氣氛在一定溫度下改變工件表面含碳量能力的參數(shù)，通?？捎玫吞间摬跉夥罩械钠胶鈦肀硎尽Ｔ趯嶋H上生產(chǎn)中，常用鋼箔定碳的方法測定碳勢或校對碳勢。鋼箔定碳是在滲碳溫度下將鋼箔吊入滲碳爐內(nèi)，保溫一段時間后取出，采用化學(xué)分析法或稱重法測定鋼箔的含碳量，即為當時爐內(nèi)的碳勢。在一定溫度下加熱工件，若爐內(nèi)氣氛碳勢高于鋼的含碳量，工件表面滲入碳原子；反之則脫碳。碳勢是滲碳和氰化熱處理中十分重要的工藝參數(shù)，碳勢控制的好壞直接決定著零件的熱處理質(zhì)量（金相組織的好壞和滲層的深度）。

 

滲碳層碳濃度是獲得一定滲層組織的前提條件。碳勢控制的目標是：

①零件表層的碳濃度為0.8%～1.0%，而且要求零件表層的碳濃度呈較平穩(wěn)的下降梯度；淬火后零件的表層的金相組織應(yīng)為細小的殘留奧氏體+細小的針狀馬氏體+細小的碳化物。零件表層的碳濃度低于0.8%，會出現(xiàn)零件的表面硬度低的現(xiàn)象；零件表層的碳濃度高于于1.0%，會出現(xiàn)零件表層的殘留奧氏體、針狀馬氏體、碳化物粗大，零件表面的組織性能差，而且殘留奧氏體過于粗大也會造成零件的表面硬度低。

 

②零件的滲碳層分共析層、過共析層和擴散層，過共析層為最外層，共析層在中間。滲層深度為共析層、過共析層深度加擴散層的一半（金相法），零件的共析層、過共析層的深度應(yīng)為總深度35%～45%比較合適。對于滲層深度為0.3～0.6mm的零件，共析層、過共析層的深度太淺將造成零件的表面硬度低。只有選用適當?shù)臏囟?、碳勢和時間等參數(shù)，并嚴格地控制這些參數(shù)，才能生產(chǎn)出金相組織好且硬度、滲層深度合格的熱處理產(chǎn)品。

 

（2）多用爐碳勢控制原理及方法

我們熱處理廠的多用爐采用氧探頭測定碳勢。氧探頭測定碳勢的方法具有反應(yīng)靈敏、測量準確和便于自動化控制等優(yōu)點。

 

氧探頭測定碳勢的原理：氧探頭是根據(jù)氧化鋯（ZrO2）在高溫情況下氧離子能在其中產(chǎn)生定向移動，產(chǎn)生一定的電勢（起電力）。在滲碳爐氣氛中，CO濃度一定的情況下，氧探頭的起電力與熱電偶的溫度信號組合運算，就能得出氣氛中的碳濃度。 附圖是氧探頭氣體分析裝置簡圖。

測量碳勢時，氧探頭將起電力信號輸入CP演算器，熱電偶將溫度信號輸入CP演算器，CP演算器通過內(nèi)設(shè)的程序?qū)⒀跆筋^的起電力與熱電偶的溫度信號組合運算，就能得出氣氛中的碳濃度；然后CP演算器將結(jié)果輸給微機和記錄儀，微機通過顯示儀表顯示當時的碳勢值，而記錄儀將結(jié)果記錄在記錄紙上。這個過程是連續(xù)進行的。我們熱處理廠的多用爐采用甲醇作載體氣（起稀釋碳濃度及保持爐內(nèi)氣壓的作用，熱處理過程中它的流量基本保持不變），采用丙酮作為富化氣（滲碳劑），通過改變丙酮的流量就能改變爐內(nèi)的碳勢。

 

如果多用爐打到了碳勢自動控制擋，當爐內(nèi)的碳勢高于一定值（比設(shè)定值稍高）時，微機就發(fā)出指令關(guān)閉丙酮流量控制電磁閥，從而降低爐內(nèi)的碳勢；當爐內(nèi)的碳勢低于一定值（比設(shè)定值稍低）時，微機就發(fā)出指令打開丙酮流量控制電磁閥，使爐內(nèi)的碳勢升高，從而使爐內(nèi)的碳勢穩(wěn)定在設(shè)定值附近，達到控制碳勢的目的。

 

2.未改進前的質(zhì)量狀況

五一廠齒輪多次因滲層深度不合格，只能辦理超差處理。

 

第一爐美國齒輪500余件因滲層深度超深而影響了生產(chǎn)的進度。最后通過協(xié)商，客戶答應(yīng)接收，才將零件交出去。

 

株洲汽車齒輪廠委托我們加工的多爐太陽輪共500余件（其中兩爐各50件，兩爐各200件）因表層金相組織殘留奧氏體（5～6級）、針狀馬氏體粗大（5～6級），碳化物顆粒超級（4～5級）而不能交貨（太陽輪的熱處理技術(shù)要求是：殘留奧氏體1～5級；針狀馬氏體≤5級；碳化物顆粒≤4級；心部鐵素體≤5級；心部硬度為33～45HRC）。最后耽擱了一個多月才將恰當?shù)姆敌薰に囍贫ê茫瑢⑦@些零件進行返修。

 

3.分析滲層深度超差、金相組織不合格的原因

通過分析，我們認為有設(shè)備老化、人員調(diào)動，以及碳勢控制存在較多的缺陷等方面的原因。碳勢控制不好將導(dǎo)致滲層深度控制不穩(wěn)定，滲層深度控制精度差，很容易造成零件滲層深度超差。同時，碳勢控制不好將造成零件表層碳濃度過高或過低，導(dǎo)致零件表層組織差或硬度低。因此，多用爐碳勢控制不好是造成這些質(zhì)量問題的主要原因。

 

我們認真地分析了滲碳熱處理過程中的每個環(huán)節(jié)，包括工藝、設(shè)備和生產(chǎn)操作，發(fā)現(xiàn)我們熱處理廠的多用爐碳勢控制主要存在以下幾個方面的問題：

 

（1）多用爐的氧探頭使用時間過長，已經(jīng)老化失效，造成儀表所顯示的碳勢值不能準確、真實地反映爐內(nèi)的實際碳勢。

 

（2）由于種種原因，多年來已經(jīng)沒有進行測定碳勢的工作，不能及時發(fā)現(xiàn)碳勢不準并且及時校正儀表的碳勢顯示值，使儀表所顯示的碳勢值與爐內(nèi)的實際碳勢一致。

 

（3）多用爐的CP演算器使用時間很久了，內(nèi)部演算程序系統(tǒng)已經(jīng)被破壞，不能正確地將氧探頭所測得的輸出毫伏值和熱電偶測得的溫度轉(zhuǎn)換成儀表的碳勢顯示值。

 

（4）對氧探頭的維護和保養(yǎng)措施不到位。

①工作一段時間（一般是每隔4h）后氧探頭頭部的鋯頭處將積累一些碳黑，需要進行燒碳（就是將空氣送入氧探頭的頭部清洗氧探頭鋯頭處的積碳，也叫探頭吹洗）。以前的燒碳操作很不規(guī)范，對什么時候燒碳以及燒碳的持續(xù)時間都沒有明確的規(guī)定，有時甚至幾天都沒有進行燒碳。氧探頭鋯頭處積累碳黑太多，將直接影響碳勢測量的準確性，而且氧探頭鋯頭處長期積累過多碳黑將加速鋯頭的老化，大大縮短氧探頭的使用壽命。

 

②氧探頭出現(xiàn)問題后，常由于考慮到生產(chǎn)成本的問題而沒有及時進行更換。碳勢控制采取手動控制方式，通過控制丙酮流量計控制丙酮流量的大小，操作工人完全憑經(jīng)驗控制碳勢。

 

（5）程序設(shè)定不完善。當程序設(shè)定碳勢值減小時，爐內(nèi)碳勢下降慢。特別是滲碳、氰化階段結(jié)束后的降溫過程中，爐內(nèi)碳勢下降很慢，往往是直到零件出爐淬火，爐內(nèi)的碳勢還不能降到設(shè)定的碳勢值。這就很容易造成零件的表層組織殘留奧氏體、針狀馬氏體粗大。

 

4.改進措施

針對以上的問題，我們采取了以下措施：

 

（1）及時更換多用爐的氧探頭。

 

（2）定期進行箔片定碳，測定爐內(nèi)的實際碳勢，及時校正儀表的碳勢顯示值，使儀表所顯示的碳勢值與爐內(nèi)的實際碳勢一致，并將每次的定碳結(jié)果在記錄本上登記，以便將來查看。并編制了《定碳操作說明書》，對什么情況下需要進行定碳，定碳操作應(yīng)注意的事項以及箔片在爐內(nèi)的保持時間進行了詳細的規(guī)定，使定碳操作規(guī)范化，確保定碳的準確性。

 

（3）更換CP演算器。

 

（4）加強氧探頭的維護和保養(yǎng)。規(guī)定零件加熱到溫后的均溫階段對氧探頭進行燒碳；要求將燒碳記錄登記在專用的記錄本上。當氧探頭出現(xiàn)老化或出現(xiàn)故障時，要求盡快更換或送廠家進行修理，并要求熱處理廠多買一根氧探頭作為備用件，以便出現(xiàn)故障時及時進行更換。

 

從前面的氧探頭氣體分析裝置圖可以看出：氧探頭工作時需要基準氣體（干凈的空氣），基準氣體和爐內(nèi)氣體分別與氧探頭的鋯頭兩極接觸，產(chǎn)生起電力。所以，保證基準氣體的供給非常重要。氧探頭進行燒碳時需要燒碳氣體。為此，我們更換了多用爐的空氣壓縮泵和氧探頭的進氣管，保證氧探頭基準氣體和燒碳氣體的供給。

 

（5）針對程序設(shè)定碳勢值減小時爐內(nèi)碳勢下降慢，發(fā)現(xiàn)以前設(shè)置的程序不完整，即當程序設(shè)定碳勢值減小時，缺少一段向爐內(nèi)通空氣的指令。因此，我們在原來的程序中增加了向爐內(nèi)通空氣的指令（這條程序指令是CH2：FNC K SEL 1 ENT）。從前面的氧探頭氣體分析裝置圖可以看出：當程序設(shè)定碳勢值減小時，微機將發(fā)出指令，打開空氣平衡電磁閥，向爐內(nèi)通空氣，從而加快碳勢的下降速度，碳勢控制得到了加強。

 

5.改進后的效果

通過以上措施，保證了氧探頭的正常工作，并確保了CP演算器將氧探頭輸出的起電力正確地轉(zhuǎn)換為碳勢顯示值，從而確保了多用爐碳勢的準確性和可靠性；在程序中增加向爐內(nèi)通空氣的指令，加快了碳勢的下降速度，加強了對碳勢的控制。實施改進措施后，零件的熱處理質(zhì)量有了很大的提高，效果十分明顯：

 

（1）五一廠齒輪從2011年2月到現(xiàn)在，沒有因為滲層深度不合格而辦理超差處理。

 

（2）美國齒輪經(jīng)過及時采取措施，將碳勢控制好，后面的零件比較順利地進行了熱處理，零件的滲層深度、表面硬度均達到了客戶的要求，保證了零件的及時交貨，避免了因時間到期不能及時交貨而受到客戶的索賠。

 

（3）株洲汽車齒輪廠的太陽輪在后來的批量生產(chǎn)中除了有一爐因為淬火時在中門被卡住，不能及時進行淬火，造成心部鐵素體超級、有效淬硬層偏淺外，其他爐次零件的表層組織殘留奧氏體、針狀馬氏體、碳化物均合格，心部組織也完全合格。

 

（4）在株洲汽車齒輪廠行星輪的試制過程中，因為碳勢控制較好，使得行星輪的熱處理試驗較為順利，為公司行星輪的試制成功做出了較大的貢獻。目前，公司行星輪的產(chǎn)量已達到月產(chǎn)1萬多件，已成為公司的支柱產(chǎn)品。我們進行熱處理的行星輪的金相組織和滲層深度都十分穩(wěn)定，完全達到對方廠家的要求（見附表）。

改進前后行星輪的金相組織對比表

	殘留奧氏體	針狀馬氏體	碳化物
改進前	5～6級	5～6級	4～5級
改進后	1～2級	3～4級	1～2級

6.結(jié)語

通過認真分析滲碳熱處理出現(xiàn)的一些質(zhì)量問題的原因，得出了“多用爐碳勢控制不嚴是造成這些質(zhì)量問題的主要原因”的結(jié)論。根據(jù)原因，采取了更換氧探頭，定期進行箔片定碳，更換多用爐的CP演算器等措施。通過這些改進措施，滲碳零件的熱處理質(zhì)量有了很大的提高。