汽車零部件熱處理車間的管控技術

天津天海同步科技股份有限公司（301600）劉繼武

我公司現為國內最大的汽車同步器零部件配套制造商，加工的產品主要包括同步器產品、行星排產品及差速器產品。以上產品中轎車同步器中齒轂的熱處理大都采用粉末冶金成形技術或氮化技術。其他產品的熱處理多數選用滲碳淬火工藝，即工件毛坯的預處理采用等溫正火加工，成品熱處理采用滲碳淬火。近年來在熱處理行業中的“節能降耗、綠色熱處理”已成為我們提出并解決的一個重要課題。在我國現代熱處理工業起步較晚，以及設備配置還沒有普遍領先世界的大環境下，我們應怎樣去積極的有所作為？

也有人曾提出過這樣一個問題：在歐洲當你駕駛一輛純電動汽車時能否說明你是一位環保人士？正確的答案應該有兩種：即當你采用風力電去充電時可以說是環保人士，而當你用火力電去充電用時并不證明你是環保人士。當然國情的不同我們不能簡單按照一個標準來定義類似事情。但這個例子也同樣給我們一個啟示，那就是我們的“節能減排”并非只是多配備先進設備那樣簡單，我們在生產過程中采取的具體措施同樣是評價“節能降耗”的重要因素。我公司的熱處理車間經過十幾年的發展，在滲碳方面現已具有一定規模。在這個期間我們積累了一些熱處理經驗及應用技術，也固化了一些流程。

一、原材料控制與毛坯熱處理的規范

實踐證明，工件材料變化的差異對工件熱處理變形影響很大。為了避免因材料引起的變化，我們在材料采購時不僅要參考國標、用戶標準外，有時還要根據所加工零件的特點來對標準進行修訂，形成與鋼廠特定的標準。檢驗控制的項目包括：原材料的成分，淬透性、低倍、夾雜、晶粒度、帶狀組織、毛坯的流線等。對原材料的進廠檢測與工件毛坯的檢測，我們分別由質量部門的理化組和金相組來具體負責。我們特別外委單位設計了鋼材監控的應用軟件（見圖1），固化流程，不合格的材料不能上線加工，減少了不良材料的產生。

圖1

該軟件的應用為我們在材料跟蹤、換料試驗等方面提供了方便，固定的流程也有效杜絕了不合格材料上線加工的現象，對穩定質量起到了積極作用。該標準的執行對提高熱前機工序的質量穩定性起到了很好的作用。

二、熱處理工藝的調整

零件的熱處理變形除受原材料的影響之外，還和熱處理工藝、工裝、機加工應力等諸多因素有關。對于滲碳件的熱處理有兩種加工流程：一種是滲碳→空冷→壓淬→回火→拋丸→檢驗。這種工藝都是針對工件精度要求特別高的轎車產品，其結構一般為不對稱結構的薄壁件；另一種是直淬工藝，即滲碳→淬火→回火→拋丸→檢驗。

按照不同的滲碳設備，我們都分別執行著兩套標準的典型工藝。一個適用于有效硬化層要求深的高溫滲碳工藝，一個是適用于有效硬化層要求較淺的低溫滲碳工藝。我公司的熱處理車間是逐步發展起來的，所以在設備配置方面并沒有形成完整的統一性。既有氮甲醇氣氛型爐，也有單獨滴注丙酮的超級滲碳型爐，但其中富化氣都是選用了丙酮。在丙酮的使用過程有一個最大的特點就是易形成炭黑，這不僅影響滲碳質量，同時也是一種浪費。丙酮一次裂解式：

沒有裂解的丙酮將燃燒掉，最終形成炭黑。

為減少炭黑的形成，提高丙酮的裂解率，我們做了大量的試驗來對丙酮的流量進行調整。將箱式滲碳爐、L20型連續滲碳生產線的丙酮流量逐漸下調，當流量剛好能夠維持住設定碳勢時，即空氣調節閥剛好有一點動作其頻率較低時，進入設備的空氣量較少，我們把這時的丙酮流量記下作為標準來參考（見圖2）。這樣既降低了炭黑的形成，也減少了丙酮的消耗。根據爐壓的狀態我們也同樣對L20型的連續滲碳線甲醇量進行了下調。試驗結果錄入典型工藝進行固化，以此來指導現場的生產。同時，在流量計上標注刻度范圍，職工定時對其進行點檢調節。

圖2

三、熱處理掛具的改進

起初我們對于工件熱處理時所使用工裝的選用側重考慮要素是其是否具有通用性，通用性工裝操作起來比較方便。但從使用的效果上看有明顯的缺陷，那就是薄壁件產品的一次淬火合格率低，工件變形大。尤其是近年來隨著我公司高精度同步器產品供貨比例的提高，此項矛盾日顯突出，有時甚至影響到了我們的發貨進度。因此，提高零件滲碳淬火后的一次合格率成為熱處理工序要解決的頭等大事。

為此，我們在嘗試了大量的試驗后分析得出：提高一次合格率的關鍵點應是根據零件結構的特點將之分類，然后采用針對性的熱處理工裝分別進行了改進才會奏效。我們先后設計了幾種典型工裝，實際使用后都達到了預期的效果。有些產品的一次淬火合格率接近100%，值得一提的是我們設計采購的工裝并非都是高端用戶的專用料盤，一些設計結構簡單、采購價格低廉的工裝同樣也達到了理想效果，其使用壽命達到兩年。

圖3 根據工件特點設計的三種典型工裝的應用

為提高產能，降低單位產品的消耗，對滲碳空冷的工裝我們也進行到了改進，如圖4所示。

圖4

后者的裝爐量明顯高于前者，且后者的總重量之和低于前者。即我們在提高了工件數量的同時還減輕了整體裝爐重量，增效的同時也節省了部分電能，真正達到了提效降耗的目的。

四、設備改善方面的應用

1.轉體爐成套壓淬設備改進

我公司現有5套轉體爐成套壓淬設備，最早配備的兩套轉體爐成套壓淬設備，其轉體加熱爐的保護氣氛采用的是滴注甲醇+丙酮的混合形式，與先期使用的L20型滲碳連續生產線的氣氛控制方式相同。我們曾提過合理地調整丙酮與甲醇的流量，雖能夠起到減少炭黑的形成，但對于轉體爐來講，因為轉體爐工作時節拍較快，即爐門的開關頻繁，開門時爐內的碳勢下降的很快，關門后要有較大流量的滴入丙酮才能恢復碳勢。但當人們調整工件時，爐門關閉等待的時間又較長，只需很小的流量就能維持住碳勢。工人來回頻繁地調節流量不具有可操作性。所以該設備使用初期生成的炭黑很多，每半年我們都要進行一次徹底燒炭，持續一天。后來我們效仿其他后購進設備，設計將丙酮的流量改為自動控制（見圖5a、b）。方法比較簡單，只是利用碳控儀表，通過中間繼電器間接驅動電磁閥控制丙酮流量，這樣當爐內碳勢達到一定范圍時會停止丙酮的滴注，炭黑明顯減少，兩臺設備單此一項每月能為公司節約一萬余元的消耗。

再者對于轉體爐來講，開關門時為保護爐內氣氛，減少空氣中氧進入爐內，廠家采用了在爐門底部燃燒液化氣以火簾進行封門的措施，其效果的確很好，但是這需要消耗大量的液化氣。根據統計，公司2013年全年僅液化氣的消耗就達90萬元，后期我們嘗試用氮氣進行封門（見圖5c），只有點火嘴處消耗一點液化氣，經過近一年的實踐同樣達到了預期的效果，每年能為公司節約一筆可觀的費用。

圖5

2.L20型連續滲碳生產線改進

合理地調整工藝可以提高丙酮的裂解率，但對于L20型連續滲碳生產線來講仍然會在料筐上方中間部位有一點殘留炭黑，原因是按照以前的設計方案，丙酮滴入口下方雖有一個錐形帽起到了分散丙酮的作用，但不是很徹底。為解決此問題，將丙酮的滴注部分進行了改進，把滴注口引到了相近循環風扇的扇葉方位上，這樣一來滴入爐內的丙酮會立刻被高速旋轉的扇葉打散，使得丙酮裂解徹底，我們現在很少見到出爐料筐上方有炭黑的現象了。

3.滲碳后的清洗工序

2007年之前，我公司的熱處理車間有排污管道，但2007年之后熱處理車間搬遷到新廠區，按照HES體系的標準要求，車間沒有配廢液排放管道，所有的廢液都要回收后進行集中處理。盡管我們后期購進的滲碳設備都是相對先進的，但對于清洗機除油處理功能來講，其效果并非理想。具體表現為排出的廢液中含有過多的水分，同時撇油帶的使用壽命短。為解決此項問題，我們嘗試了很多方法，最終自行設計制作了廢液清理裝置，現我廠已經將所有滲碳設備的清洗部分均換成了該種裝置。圖6為除油裝置的原理，圖7為實際使用效果示意。

圖6 除油裝置的原理

圖7

該裝置的除油效果明顯，由于其選用的是不銹鋼鋼帶，使用壽命長，調整也很方便，一條撇油帶的使用壽命可達4年。該裝置的最大益處在于看其簡易的油水分離槽，其撇出來的廢液經過分離后，白色的清洗液回流到清洗機，分離出的深顏色油體直接回收作為次品油處理，可為廠里回收一些資金。該項措施實現了真正意義上的零排污。

五、結語

（1）鋼材監控系統軟件的應用對控制鋼材的采購質量和毛坯熱處理質量很奏效，操作方便。為了提高整體金屬加工質量，有時需要對現行一些標準進行修訂。

（2）科學的工藝可提高熱處理過程的穩定性，同時也能降低部分消耗。

（3）選擇合理的裝爐方式，有針對性地設計掛具，對提高工件的一次淬火合格率尤為重要。

（4）我廠自行設計制作的清洗機除油裝置結構簡單，應用效果明顯，可借鑒推廣。

（5）我國熱處理生產單位應挖掘自身的潛力積極行動，努力為行業的節能降耗做貢獻。