輸入軸的防滲碳涂料自動涂敷設(shè)備設(shè)計開發(fā)和應(yīng)用

夏曉宇， 范 欣， 韋漢偉

(廣州豐東熱煉有限公司， 廣東 廣州 510880)

輸入軸是變速箱動力輸入的關(guān)鍵零件，既要具有優(yōu)良的耐磨性，又要具備高的抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞性[1]，因此對輸入軸表面進行滲碳熱處理來提高表面的性能。本輸入軸的法蘭部與對手件需要焊接成形，焊接部位不允許被滲碳，否則會導(dǎo)致焊接裂紋，從而使得輸入軸在服役時產(chǎn)生失效，故輸入軸的法蘭局部要采取有效的保護措施，防止碳的滲入[2]，比如采用防滲碳涂料對該部位進行涂敷保護[3]。

目前常用的防滲碳方式有機械加工法、局部鍍銅、防滲碳涂料[4]。機械加工法一般要在滲碳后不淬火，用機械加工的方法切削掉滲碳層，該法費時、費工序，較少用。鍍銅的方法可靠，但成本高，還有三廢的問題。防滲碳涂料工藝相對成熟、質(zhì)量可控[5]。根據(jù)輸入軸的結(jié)構(gòu)特點，現(xiàn)行的涂料防滲方式可滿足要求，且相對于其他兩種防滲方式，可靠性好、效率高。

涂料的涂敷方式有刷涂、噴涂、浸涂等[6-8]。汽車產(chǎn)品對涂敷可靠性和可控性的要求高，有必要研究開發(fā)專用的涂敷設(shè)備來代替手工涂敷。自動化設(shè)備涂敷代替手工作業(yè)解決了涂敷過程不可控、重復(fù)性差、效率低的問題。避免了人工涂敷的可靠性差，涂層厚度不均勻，容易產(chǎn)生漏滲碳的現(xiàn)象。本次針對汽車輸入軸產(chǎn)品法蘭部防滲碳的涂敷要求，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范和人體工程學(xué)要求設(shè)計開發(fā)了輸入軸的防滲碳涂料A-C-1-2自動涂敷、快速干燥的專用設(shè)備并實現(xiàn)量產(chǎn)[9-10]。

1 產(chǎn)品輸入軸

輸入軸選用SCr420H鋼制造，其化學(xué)成分見表1，與國內(nèi)20Cr鋼相近，生產(chǎn)工藝為：熱軋棒料—下料—車削—局部防滲碳涂料—滲碳熱處理—去除涂料—回火—矯直—精車(磨削)—焊接—組裝。

表1 輸入軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

該產(chǎn)品屬于汽車變速箱內(nèi)的動力輸入軸，其外形如圖1(a)所示。產(chǎn)品的防滲碳范圍和要求如圖1(b)所示，其中粗實線表示需要防滲的范圍，RR面指倒角面，F(xiàn)R面指法蘭面，防滲碳范圍公差小、形狀復(fù)雜(有多個回轉(zhuǎn)面)。

圖1 輸入軸的外觀(a)及產(chǎn)品防滲位置及范圍要求(b)示意圖Fig.1 Sketch map of the input shaft(a) and technical specifications of product anti-seepage position and scope requirements(b)

2 防滲碳方法的選用

防滲碳涂料的選擇需從涂料的涂敷性、防滲碳效果、去除性、環(huán)境性等綜合考量，根據(jù)JB/T 9199—2008《防滲涂料 技術(shù)條件》第4部分的分類方法，對選出的兩類涂料再甄別，如表2所示。A-C-1-2類涂料屬硼酸鹽系的涂料，防滲碳效果好，滲碳后易去除涂敷層，涂敷時對環(huán)境溫濕度敏感，對爐內(nèi)滲碳氛圍氣和設(shè)備有影響。A-C-0-3類涂料屬硅酸鹽系涂料，防滲碳效果較好，易涂敷，但淬火時易部分剝落入淬火油，滲碳后涂敷層去除難，需要噴砂或拋丸去除，且考慮到輸入軸有盲孔，容易殘留有砂粒、鋼丸等。

表2 不同類別防滲碳涂料的綜合考量情況

結(jié)合本輸入軸的防滲碳范圍和技術(shù)要求，選用防滲效果較好的A-C-1-2類硼酸涂料和專用稀釋劑，其可靠性、再現(xiàn)性好、去除方便。涂料去除方法選用真空溶劑清洗+溫水浸泡，真空清洗去除淬火油，溫水浸泡去除防滲碳涂料。其選用涂料及稀釋劑成分如表3所示。

A-C-1-2類硼酸系防滲涂料的準備過程：通過涂料和稀釋劑配比，充分混合攪拌，再利用VT-04F粘度測量儀(3號轉(zhuǎn)子，測量范圍0.3～13 dPa·s)測量涂料的粘度值，使其粘度值在所需的使用范圍內(nèi)。

表3 防滲碳涂料及稀釋劑成分

如何均勻地將防滲碳涂料涂敷到防滲碳區(qū)域，且在高溫滲碳氣氛中起到阻隔活性碳滲入的效果，根據(jù)JB/T 9199—2008分析在自動涂敷中需充分注意的幾項風(fēng)險如表4所示。之后清洗時遇到涂料難脫落去除的情況，高壓噴射清洗方法可提高去除效果。

3 自動涂敷方案設(shè)計

3.1 自動化涂敷方案的選用

涂敷設(shè)備的設(shè)計思路：針對涂料的特點及涂敷風(fēng)險分析，選擇合適的自動涂敷方式才能避免人為作業(yè)時產(chǎn)生的不可控因素，為此提出了兩個可行方案：

1)自動注射涂料方案。如圖2所示，涂敷精度高、重現(xiàn)性好、專機定制，設(shè)備設(shè)計制作和管理維護成本高，注射涂敷加工效率稍慢。

圖2 自動注射涂敷設(shè)備Fig.2 Automatic injection coating equipment

2)防滲碳涂料自動涂敷方案。根據(jù)產(chǎn)品形狀及涂敷范圍特征，如圖3(a)所示，考慮RR面與FR面允許防滲碳范圍的差異，將產(chǎn)品與水平線呈24°～37°傾角范圍，在此傾角范圍產(chǎn)品防滲區(qū)域可浸入涂料深D后，通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)品能均勻涂上涂料，且多個產(chǎn)品同時涂

表4 防滲碳涂料自動涂敷中出現(xiàn)的風(fēng)險

圖4 自動涂敷設(shè)備(a)和裝夾產(chǎn)品(b)Fig.4 Automatic coating equipment(a) and clamping product(b)

敷，如圖3(b)所示。根據(jù)涂敷效率、效果和設(shè)備投入成本，本次采用防滲碳涂料自動涂敷方法。

圖3 傾角范圍和浸深D示意圖(a)及 防滲碳涂料自動涂敷設(shè)備(b)Fig.3 Sketch map of dip angle range and immersion deepness D(a) and automatic coating equipment for anti-carburizing paint(b)

3.2 防滲碳涂料自動涂敷設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計自動涂覆設(shè)備，總體外觀如圖4(a)所示。設(shè)備整體由裝夾產(chǎn)品組件、涂料升降組件、測距系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)組成，其中裝夾產(chǎn)品組件處于涂料升降組件上方，測距系統(tǒng)連接控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制驅(qū)動系統(tǒng)。

為了解決單個涂敷效率低下的問題，裝夾產(chǎn)品組件需設(shè)計在同一水平面的4個回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)針，轉(zhuǎn)針分別插入產(chǎn)品兩端的頂針孔定位、固定，并實現(xiàn)伺服馬達控制產(chǎn)品同步精準回轉(zhuǎn)的周數(shù)。裝夾產(chǎn)品的組件部分，設(shè)計了既可傾角可調(diào)，又可快速水平滴液的特殊基座，如圖4(b)所示。

由于裝夾產(chǎn)品組件固定在某一高度和角度，通過控制涂料盒上升高度控制涂料浸深，在使用過程中涂料的液面難保持一定高度，需要通過測距系統(tǒng)測量液面高度。測距系統(tǒng)采用高精度的超聲波測距傳感器，通過實時探測與防滲涂料液面的距離，控制系統(tǒng)顯示運算后，由升降伺服馬達實現(xiàn)涂料盒高度的精確控制，其結(jié)構(gòu)及位置如圖5(a)所示。工作時，通過一鍵啟動，控制系統(tǒng)根據(jù)測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋，控制驅(qū)動系統(tǒng)，執(zhí)行如圖6設(shè)定好的程序，完成后，裝夾產(chǎn)品組件置水平滴液，浸料結(jié)束后保持組件水平狀態(tài)下完成。涂敷完成后，由于涂敷效率高，涂料自然干燥的節(jié)律可能受氣候影響與之不能匹配，需要設(shè)計烘干裝置對涂敷完成的產(chǎn)品進行輔助烘干，如圖5(b)所示，整個生產(chǎn)過程建議在獨立溫濕度管理的空間里完成。

圖5 防滲碳涂料升降組件上升過程中超聲波測距(a)和輔助干燥機(b)Fig.5 Ultrasonic distance measurement during rising process of anti-carburizing paint lifting(a) and auxiliary dryer(b)

3.3 防滲碳涂料自動涂敷設(shè)備構(gòu)思

將4支產(chǎn)品裝入帶有勻速轉(zhuǎn)動機構(gòu)的專用治具，設(shè)定好產(chǎn)品的傾角，程序設(shè)定好浸泡深度、工件轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、滯留時間，將裝有調(diào)配好粘度的涂料盒由伺服馬達驅(qū)動上升到產(chǎn)品浸到程序設(shè)定的深度，正向旋轉(zhuǎn)幾周讓浸泡在槽中的產(chǎn)品在防滲碳范圍內(nèi)均勻被涂上涂料，涂料盒下降，產(chǎn)品置水平，往復(fù)的旋轉(zhuǎn)-停止，如圖6(a)所示，利用重力去除多余的防滲碳涂料，轉(zhuǎn)移產(chǎn)品到帶有輔熱的干燥機上完成自然干燥，完成一次防滲碳過程，對于防滲碳要求比較高的產(chǎn)品，需要增加涂敷厚度，充分自然干燥后，二次涂敷，過程如圖6(b)所示，這個過程對于本產(chǎn)品必不可少。涂敷過厚或過薄，自然和強制干燥過程中涂料容易開裂、剝落，影響防滲碳的效果，不同季節(jié)、地區(qū)、溫濕度下，需要調(diào)整涂料的涂敷粘度及自然干燥時間、強制干燥溫度及時間。經(jīng)過測試試驗，本產(chǎn)品的涂敷工藝見表5和圖6。

表5 不同季節(jié)、溫濕度下所需防滲碳涂料的粘度范圍

圖6 防滲碳涂料第一次涂敷(a)及第二次涂敷(b)過程圖Fig.6 Coating process of anti-carburizing paint for the first time(a) and the second time(b)

3.4 自動涂敷設(shè)備涂料浸入深度D公差驗證

通過試驗驗證同一組件中的4支產(chǎn)品在浸入深度設(shè)定公差內(nèi)，其他設(shè)定條件不變，涂料涂敷范圍目測、膜厚檢證，滲碳后的防滲碳實際效果和顯微組織腐蝕后的防滲碳范圍檢證，以驗證浸入深度范圍設(shè)定合理性，檢證方法見圖1(b)及圖7的要求，驗證結(jié)果如圖8 所示。

圖7 滲碳后工件的組織及防滲碳范圍Fig.7 Microstructure and range of anti-seepage of carburization work-piece

根據(jù)圖8所示，在浸深為2.4 mm時，產(chǎn)品的RR面防滲碳范圍超下限，浸深為4.9 mm時，RR面超上限，F(xiàn)R面接近上限，最佳浸入深度設(shè)定范圍為2.9～4.4 mm。一次涂敷的4支產(chǎn)品的防滲碳范圍檢證差異小，符合圖1(b)及圖7的防滲碳范圍要求。

3.5 防滲碳的涂料阻硬率驗證

本產(chǎn)品滲碳后表面滲碳層組織主要以片狀馬氏體為主，且有細小Fe3C析出，均勻分布在滲碳層表面，根據(jù)GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》屬于1級碳化物分布，如圖9(a)所示；與被滲碳面的顯微組織對比，防滲碳面的顯微組織主要由板條馬氏體為主，無Fe3C析出，防滲碳涂料效果明顯，如圖9(b)所示；心部的顯微組織主要以板條馬氏體為主，其中含有微量未溶鐵素體和珠光體，心部組織屬于1級，如圖9(c)所示。

如圖9(d)所示，從硬度梯度分布可以看出被滲碳表面硬度明顯提高，比防滲面的表面硬度高約有280 HV0.3，根據(jù)JB/T 9199—2008第5部分防滲性能要求，碳的涂料用阻硬率h來表示，規(guī)定h≥80%為合格。h值按式(1)計算∶

(1)

式中：x為工件防滲面硬度；y為工件心部硬度。其中x=501 HV0.3，y=432 HV0.3，則h=84%≥80%，合格，可以滿足防滲碳要求。

圖8 浸入深度D對RR面(a)和FR面(b) 防滲范圍公差驗證結(jié)果Fig.8 Results of tolerance verification of immersion depth D range of anti-seepage on RR face(a) and FR face(b)

圖9 輸入軸不同位置的顯微組織(a～c)及表層硬度梯度(d)(a)滲碳層；(b)防滲碳區(qū)域；(c)心部Fig.9 Microstructure(a-c) and surface hardness gradient(d) in different position of input shaft(a) carburized layer； (b) anti-seepage carbon region； (c) heart

圖10 強滲180 min時刻點記錄每一爐的CP值及各氣體組分的變化趨勢Fig.10 CP and variation trend of gas components in each lot of carburizing after 180 min

4 防滲涂料的高溫分解物對氛圍氣和設(shè)備的影響

甲醇滴注式滲碳氣氛中，目前碳勢的檢測控制有CO2紅外儀、氧探頭、露點儀，在實際應(yīng)用中氧探頭響應(yīng)快、檢測碳勢便捷而被廣泛使用。

針對本產(chǎn)品所使用的防滲碳涂料，在滴注式UBE-1000設(shè)備滲碳過程中使用近3年的每一爐的設(shè)定碳勢、氧探頭檢測碳勢、紅外儀檢測碳勢、定碳片的計算碳勢和CO、CO2、CH4含量，整理記錄如圖10所示，并將設(shè)備爐磚更換時間點也記錄在同一圖中。

甲醇滴注式滲碳氣氛在高溫下的相互反應(yīng)是十分復(fù)雜的，基本可歸納為以下的方程式:

2CO=〔C〕+CO2

(2)

CO+H2=〔C〕+H2O

(3)

(4)

CH4=〔C〕+2 H2

(5)

C3H8=〔C〕+C2H6+H2

(6)

H2+CO2=CO+H2O

(7)

CH4+CO2=2CO+2 H2

(8)

經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)：使用A-C-1-2涂料后，防滲碳涂料中殘留的有機溶劑，高溫下分解產(chǎn)物CH4的含量達14%～21%，正常滴注式滲碳氣氛中CH4含量2%～8%左右。高濃度的CH4對正常滲碳氣氛產(chǎn)生了干擾：

CH4的副反應(yīng)(5)式會直接影響滲碳的氛圍氣，因為這時的氛圍氣不再是單純的滲碳氣氛(2)、(3)、(4)、(6)、(7)的反應(yīng)，防滲碳涂料中溶劑分解物(5)、(8)的副反應(yīng)也參與，故氧探頭、紅外儀的演算模式變化，自然也就不能直接反應(yīng)爐內(nèi)實際碳勢，實時定碳的結(jié)果也佐證了這一點。過量使用該防滲碳涂料后，爐內(nèi)的耐火材料易玻璃化、壽命明顯縮短。而且隨著殘留物的增多，進出爐時高溫熔融玻璃體粘連底盤，CH4含量≥18.7%，滲碳產(chǎn)品表面碳化物出現(xiàn)幾率增加。

防滲碳涂料中的無機揮發(fā)物及爐磚表面的無機物在爐內(nèi)氧化氣氛的作用下，形成了偏硅酸鹽，高溫下呈熔融狀態(tài)，常溫下為玻璃態(tài)。這是長時間使用防滲涂料A-C-1-2，爐內(nèi)殘留無機物過多引起。以UBE-1000為例，每爐使用量建議≤2.5 kg，若每爐使用量5 kg，抗?jié)B碳磚的玻璃化為10個月左右。爐內(nèi)殘留無機物增多，CH4值也會逐步從14%上升到18.7%～21%，這時會影響產(chǎn)品的滲碳層深，如若每隔5爐增加了一次burn-off(燒炭)，CH4值下降后仍會上升，burn-off應(yīng)對CH4的下降不再起作用，更換抗?jié)B碳爐磚后，才會恢復(fù)正常。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)產(chǎn)品的防滲碳范圍要求、防滲碳涂料的特性和涂敷風(fēng)險，自行設(shè)計開發(fā)制作了自動涂敷設(shè)備，滿足了自動涂敷工藝的要求，符合國家標準及人體工程學(xué)的要求；利用浸入深度設(shè)定公差驗證了設(shè)備的工程能力、重復(fù)性、再現(xiàn)性；均達成后，進入批量化生產(chǎn)至今。

2) 根據(jù)本產(chǎn)品防滲碳的范圍及技術(shù)要求，選擇合適的防滲碳涂料，在使用專用設(shè)備涂敷本產(chǎn)品的過程中，因季節(jié)、涂敷次數(shù)變化摸索出了不同的涂敷粘度和自動涂敷工藝；防滲碳的效果根據(jù)JB/T 9199—2008《防滲涂料 技術(shù)條件》第5部分，防滲碳的涂料阻硬率驗證h=84%，合格。

3) 根據(jù)記錄每一爐的設(shè)定碳勢、氧探頭檢測碳勢、紅外儀檢測碳勢、定碳片的計算碳勢和CO、CO2、CH4含量，分析各種組分的趨勢與品質(zhì)關(guān)聯(lián)性。為防止不良情況的發(fā)生，可做出如下一些防范:

①進行多因素趨勢管理，控制爐內(nèi)的實際碳勢，減少異常滲碳組織產(chǎn)生。

②爐內(nèi)的碳化硅導(dǎo)軌更換為耐熱鋼鑄件，可以減少高溫下熔融玻璃態(tài)物質(zhì)對設(shè)備機械動作的影響。

③需要定期修正、更換氧探頭。

④增加微氣泡或超聲波裝置，可以有效清除輸入軸滲完碳后的防滲涂料。