離子氮化在汽車齒輪批量生產中的應用

季中輝

JI Zhong-hui

（神龍汽車有限公司，武漢 430056）

0 引言

離子氮化屬于現代材料表面改性技術，又稱為離子沖擊（或轟擊）擴滲技術或離子沖擊表面處理技術，能夠顯著提高鋼鐵零件表面硬度、耐磨損、耐疲勞和耐腐蝕性能的化學熱處理工藝。該技術是將待處理零件置于真空狀態下，由于電場作用，爐內稀薄氣體(NH3或H2+N2)被電離，氮離子定向撞擊陰極，零件表面產生輝光放電并被加熱，在一定氣氛和一定溫度下，零件表面復合、吸收氮原子，形成高濃度的含氮層并向心部擴散從而得到所需要的氮化層的處理工藝。具有效率高、耗能少、變形小、無污染等傳統熱處理工藝無法比擬的優點，所以得到迅速的推廣與應用。

目前國內的離子氮化技術發展很快，但是大部分還是處在小批量、試驗性的階段，尚未得到批量的生產應用。神龍汽車有限公司在引入一種AEB平衡箱的產品時，通過不斷的研究與試驗，成功的將離子氮化技術應用到汽車行業，在齒輪零件的工業化生產中得到大批量應用。

1 設備選型

在生產準備之初，我們對國外、國內的離子氮化現狀進行了調查，發現國內大多還停留在小批量、人工控制的階段，質量狀況不穩定。選用國外設備又要面臨造價高昂，設備維護保養困難等問題。為兼顧各方面的利益，我們最終選擇本地公司進行合作開發，該公司依托高校科研、技術優勢，在離子氮化設備生產方面具有豐富經驗，同時地域接近，安裝調試方便，費用約為國外同類設備的60%左右。

根據我們產品的特點以及產能規劃，該設備在選型設計時應滿足以下要求：

1）產品質量滿足圖紙要求，質量水平穩定；

2）產能滿足規劃目標，同時具有提升產量的能力；

3）操作簡單、規范；

4）設備工作穩定，符合安全要求；

5）低碳、環保，耗能少，無污染物排放。

1.1 質量保證

需要氮化的毛坯材料為27MnCr5，經過退火處理后加工出齒型，然后進行離子氮化。產品要求為表面硬度＞600HV1；齒面上距齒根2.5mm處氮化層（白亮層）深度3～10μm；齒面及齒根處氮化層深度EC（400HV0.3）＞0.1mm。根據調研，目前在國內普遍使用調質材料進行離子氮化，對氮化層只有下限要求，同時不考核齒根處氮化指標。

為滿足產品要求，需要對影響質量的溫度、時間等相關參數進行精確匹配，確保各項指標合格。同時，設備要具有同一性，即每爐零件的質量波動幅度都要穩定在可接受狀態。

1.2 產能規劃

按照產能規劃，一期要求年產齒輪33萬件，這就要求設備結構要合理、裝爐量大、運行可靠、RS要求達到0.8以上。同時，還要具備有提升產量的能力。

對如此高的產量來說，傳統的清洗方法，即人工使用純度較高的汽油（酒精、丙酮）中浸泡，清洗干凈取出放在空氣里涼干然后裝爐，這樣的方式肯定不能滿足我們的需要，為此，清洗方法問題也是需要重點研究的對象。

1.3 操作簡單、規范

國內的離子氮化設備還處在人工監控的狀態，即溫度、真空度、氣體流量等主要依靠操作者的經驗來調節，每爐的質量狀況都存在不確定性。為了適應大批量的生產，要求新設備必須能夠按照預設的參數自動運行，各參數要能實施監控并反饋，為此，需要在離子氮化設備上使用了全閉環控制，這在國內離子氮化行業尚屬首次。

1.4 設備穩定、安全

安全是生產的前提，包括人身安全、設備安全和工件安全，對于熱處理設備來說，安全問題尤為重要。為此，要求選用國內外成熟的元器件，配置必要的安全元件、警告、提醒標識，所有動作都要有監控，自動化程序的聯鎖、互鎖功能完善。

1.5 節能環保

離子氮化設備在升溫過程中，工件溫度主要靠離子轟擊產生的熱量來升溫，這與傳統熱處理設備相比具有無可比擬的節能優勢，除此之外，活化屏、雙陰極等國外新技術的應用也可大大降低能耗。

環保方面，主要是氣體介質的選擇。國內多數離子氮化是使用氨氣，氨氣無毒、易揮發，具有刺激性氣味，長期暴露在氨氣環境中會引起人體機能受損，但氨氣價格便宜，易于采購和運輸，使用成本低。考慮到環保和人身安全，我們選擇了H2+N2的方案，雖然需要兩路流量控制，設備較為復雜，但更易于控制氣體含量，更有利于人身、環境安全。

2 設計制造

設備基本原則確定之后，首先使用同等材料在通用離子氮化設備上進行了數次試驗，摸索出了該材料適合的溫度、時間范圍，為設備設計提供了基礎資料。

2.1 設備結構

在充分消化、吸收國內外離子氮化設備優點的基礎上，該設備引入了活化屏、雙陰極、第二代脈沖離子電源等先進技術，使設備密封性能、保溫條件等性能大幅提升；雙層爐壁中間有兩路工藝循環水系統，可以保護設備不受高溫影響，降溫迅速。另外還有一個大流量氣體輸入接口，配以軸流風機、熱交換系統，實現快速降溫、縮短輔助時間，同時還可實施部分材料的淬火工藝。

為確保安全、高效，擯棄了傳統的行車起吊爐體的裝料方式，創新的使用了爐體固定，底盤升降，小車輸送的方式，這種結構可以實現底盤和爐體的自動對接，連接可靠，不需要行車等吊裝設備。同時，精心的設計還為以后新增產能預留了一拖二的功能，通過簡單改造，即可在新增40%投資的情況下將產能提升至現在的2.5倍以上如圖1所示。

圖1 設備結構簡圖

爐內分為上、中、下三區，加入了三路輔助加熱系統，可以使升溫更快，采用三路熱電偶測量爐內不同位置的溫度，通過控制系統可自動調節各處電壓、電流，使爐內各處溫度均勻，并與工件溫度保持一致。電極使用水冷保護，延長使用壽命；陽極輸電采用氣隙保護，更加高效、安全、穩定。

使用兩路美國Alicat公司的質量流量控制器，分別控制H2和N2的流量，并可根據各階段不同需要而自動調節比例。同時，這種配置還為進行不同熱處理工藝、采用不同材料預留了空間。

2.2 電源及控制系統

電源系統的主要元件，如可控硅、二極管和斬波電路的功率電子開關器件IGBT、快恢復二極管模塊等，全部采用進口模塊，體積小、一致性好、可靠性高、穩定性好、結構簡單、維修方便。

脈沖型離子電源的整流變壓器采用我國新一代變壓器制造方法，漏磁、損耗小，功耗低；整流電路采用兩組三相全控橋可控整流電路串聯，對器件的耐壓要求適中，同時有更好的紋波系數，整流電壓更平穩；整流電路中的模塊式可控硅的散熱片與電回路絕緣，因而具有同步性好和方便維修的優點；為了保證整流電壓的穩定，采用隔離型電壓負反饋控制電路，這就既保證了整流電壓不因輝光電流變化而變化，又保證了整流電壓控制器的弱電電路板不帶高壓電，保證了設備和維修人員的人身安全。

斬波電路的主電路和控制器采用獨特的設計，操作簡單、工作穩定、滅弧迅速，保護可靠，即使在離子電源陰陽極出現短路時仍有可靠的保護而不會出現損壞工件及設備的情況。弧源能量等級檢測裝置使設備在工作時可選擇調節弧源檢測靈敏度，適應不同的精細加工要求。

加熱電源采用隔離的低電壓、大電流工作方式（避免真空放電與脈沖離子電源干擾），通過電流調節器實現恒流控制，可根據升溫功率的需要手動或自動從零至最大調節加熱電流。該控制方案可更好的避免過流現象的出現，即使在加熱元件出現局部短路時仍能避免過流現象的出現。

自動控制系統采用全閉環控制，預設好工藝參數與加工過程后，可實現無人生產，具有完善的故障診斷、報警功能，同時，可通過攝像頭、通訊網絡實現遠程控制如圖2所示。

圖2 控制系統框圖

2.3 真空系統

選配德國萊寶機械旋片式真空泵二臺，配以真空蝶閥、真空計等組成真空系統，準備階段兩臺泵同時啟動，生產過程中一臺工作，一臺備用，可實現真空度≤6.67Pa，壓升率≤1.3×10-1Pa/min的指標。

3 生產調試

設備安裝就位后即進入生產調試階段，按照單件、小批量、滿爐的順序進行。調試過程中發現爐內單件和小批量狀態生產的零件符合技術要求，但隨著裝爐量的增大，發現同爐零件質量狀況不一致，同時齒根部也不滿足技術要求，并且沒有規律可循。通過分析、試驗，終于找到了不合格原因。

3.1 工藝參數

在調試之初，經常遇到氮化層深和化合物層深不合格的問題，為此，對影響質量的各參數，如溫度、時間、壓力、電壓、電流等參數分別調整。如根據鐵碳合金相圖首先確定溫度范圍，因為氮化層的硬度和滲層與溫度、時間、濃度有極值關系，所以根據毛坯材料及預先熱處理特點，經過多輪實驗，終于確定氮化溫度，驗證合格后予以固化，然后再改變其他參數進行實驗，最終摸索出全部工藝參數控制范圍。

根據大量實驗的結果，發現零件在升溫、保溫過程中采用不同的氣體流量、壓力，對零件的金相組織有影響，同時，也會造成打弧、升溫過程的變化。根據這些規律，又將整個過程劃分為10個階段，各階段分配不同的溫度、壓力、流量及氣體配比，對各階段實現精確控制如表1所示。

國內離子氮化一般應用在如曲軸、氣門頂桿等外圓光滑的零件或者重型汽車齒輪上，在小模數的轎車齒輪還沒有應用。在調試時我們也遇到齒底氮化不到的現象，最初采用增大壓力的方法，以使輝光深入到齒底，結果直至輝光很薄甚至將近熄滅時都不能氮化到齒底，后來就采取相反手段，結果在100pa時達到要求的氮化指標。

3.2 溫度控制

在溫度測量方面，如何在高溫的環境中準確得到工件溫度一直是亟待解決的難題，為了得到準確溫度數值。通過分析，認為造成溫度不準確的原因是在真空環境中，熱傳導只能依靠輻射進行，而零件本身由于離子轟擊有輝光存在，所以工件溫度總是高于熱電偶溫度，每次熱電偶與工件的距離不同就導致測得的數值不同，另外還有如果熱電偶離工件太近也有直接接觸零件的可能，導致幾處測得的溫度不同。后來專門做了測溫工裝，但是由于直接接觸導致熱電偶很快損壞，經反復試制，終于使用一種小孔技術（兩導體之間間隙小于1mm）將此問題突破。針對爐內不同部位質量狀況不同的現狀，將原先爐壁的三路熱電偶調整到上、中、下三區的零件上，重新匹配PID參數，經過試驗，可將四處溫度波動范圍控制在±3℃的范圍內如圖3所示。

表1 脈沖電源對工件升溫、保溫參數設置

3.3 零件清洗

使用工業清洗機，發現零件表面有不能氮化的黑斑，在升溫階段有大量的打弧現象，嚴重的甚至造成零件尖角部位燒蝕，同時表面質量不一致。后經過反復試驗，采用了兩次清洗，即第一次使用傳統清洗劑去除油污雜質，第二次使用去離子水加專門配置的清洗劑保證表面質量，終于一舉獲得成功，徹底改寫了以往手工清洗效率低下、安全條件差、勞動強度大，不能大批量生產的弊端，為批量生產奠定了基礎。

圖3 過程曲線(局部)

在料框的設計上，根據三種零件的特點，設計出一種通用料框，不但節約投資，而且減少占地面積，方便管理。為保證清洗質量，采用了非常規的擺放姿態，確保每個零件表面清潔、干燥。

3.4 裝料方式

在設計之初，計劃是三種零件分別進爐，輪換生產，但由此帶來的庫存、品種數量不匹配等問題困擾著車間。為解決此問題，將工裝稍加改動，實現了三種零件同時進爐，每爐數量一致，做到了均衡生產。

精心設計的工裝，實現了快速裝夾，通用性強，結構簡單，同時增加氣隙保護和導電裝置，保證零件各處電場均勻，同時不會發生打弧短路現象。

3.5 操作模式

設備具有友好的人機對話功能，可方便的實現手動、自動操作，并可隨時轉換工作模式。在自動模式下，除裝卸料外，其他操作可實現全程無人生產，大大節約人力資源，操作者可在遠處通過設備本身的自診斷及報警功能觀察到設備狀態，如遇重大故障，設備能夠自動報警并停機如圖4所示。

圖4 主操作界面

除此之外，人機界面還有參數設置、歷史曲線、報警記錄、系統報表等子界面，將設備運行的全部狀態、參數等反映出來，便于隨時了解設備情況，利用自診斷功能快速、準確的判斷問題。

4 質量狀況

圖5 質量檢驗

通過全閉環控制、規范化的操作、完善合理的工藝設計等手段，保證了生產的一致性，目前，該設備已生產近10萬套汽車齒輪，沒有出現過一次不合格現象，且質量水平都在產品要求的中值附近，波動很小。從圖5(a)中可以看出，在齒面各部位化合物層均勻、穩定，也沒有出現脈狀氮化物；從圖5(b)中看到，整個齒形從齒頂到齒根都被均勻氮化，而內孔和端面則沒有被氮化，保持了原有的機械性能。

5 結束語

離子氮化的應用范圍已經越來越廣，在此次調試過程中也積累了很多經驗，如工藝參數匹配、清洗方法的創新、退火鋼直接氮化等，并形成了具有自主知識產權的新技術、新工藝，在機械、汽車行業的生產中具有寶貴的推廣價值，同時，也使國內的熱處理產業與國際水平的差距越來越小。

[1] 劉永銓. 鋼的熱處理[M]. 北京： 冶金工業出版社,1981.

[2] 云騰,周上祺,等. 純氮離子滲氮工藝及機理研究[J].金屬熱處理,2003,28(4)： 68-72.