汽車零部件熱處理車間的管控技術(shù)

天津天海同步科技股份有限公司（301600）劉繼武

我公司現(xiàn)為國內(nèi)最大的汽車同步器零部件配套制造商，加工的產(chǎn)品主要包括同步器產(chǎn)品、行星排產(chǎn)品及差速器產(chǎn)品。以上產(chǎn)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(shù)或氮化技術(shù)。其他產(chǎn)品的熱處理多數(shù)選用滲碳淬火工藝，即工件毛坯的預(yù)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(yè)中的“節(jié)能降耗、綠色熱處理”已成為我們提出并解決的一個(gè)重要課題。在我國現(xiàn)代熱處理工業(yè)起步較晚，以及設(shè)備配置還沒有普遍領(lǐng)先世界的大環(huán)境下，我們應(yīng)怎樣去積極的有所作為？

也有人曾提出過這樣一個(gè)問題：在歐洲當(dāng)你駕駛一輛純電動(dòng)汽車時(shí)能否說明你是一位環(huán)保人士？正確的答案應(yīng)該有兩種：即當(dāng)你采用風(fēng)力電去充電時(shí)可以說是環(huán)保人士，而當(dāng)你用火力電去充電用時(shí)并不證明你是環(huán)保人士。當(dāng)然國情的不同我們不能簡單按照一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來定義類似事情。但這個(gè)例子也同樣給我們一個(gè)啟示，那就是我們的“節(jié)能減排”并非只是多配備先進(jìn)設(shè)備那樣簡單，我們在生產(chǎn)過程中采取的具體措施同樣是評價(jià)“節(jié)能降耗”的重要因素。我公司的熱處理車間經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在滲碳方面現(xiàn)已具有一定規(guī)模。在這個(gè)期間我們積累了一些熱處理經(jīng)驗(yàn)及應(yīng)用技術(shù)，也固化了一些流程。

一、原材料控制與毛坯熱處理的規(guī)范

實(shí)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(shí)不僅要參考國標(biāo)、用戶標(biāo)準(zhǔn)外，有時(shí)還要根據(jù)所加工零件的特點(diǎn)來對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，形成與鋼廠特定的標(biāo)準(zhǔn)。檢驗(yàn)控制的項(xiàng)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(jìn)廠檢測與工件毛坯的檢測，我們分別由質(zhì)量部門的理化組和金相組來具體負(fù)責(zé)。我們特別外委單位設(shè)計(jì)了鋼材監(jiān)控的應(yīng)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(chǎn)生。

圖1

該軟件的應(yīng)用為我們在材料跟蹤、換料試驗(yàn)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(xiàn)象，對穩(wěn)定質(zhì)量起到了積極作用。該標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行對提高熱前機(jī)工序的質(zhì)量穩(wěn)定性起到了很好的作用。

二、熱處理工藝的調(diào)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(jī)加工應(yīng)力等諸多因素有關(guān)。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(yàn)。這種工藝都是針對工件精度要求特別高的轎車產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)一般為不對稱結(jié)構(gòu)的薄壁件；另一種是直淬工藝，即滲碳→淬火→回火→拋丸→檢驗(yàn)。

按照不同的滲碳設(shè)備，我們都分別執(zhí)行著兩套標(biāo)準(zhǔn)的典型工藝。一個(gè)適用于有效硬化層要求深的高溫滲碳工藝，一個(gè)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(fā)展起來的，所以在設(shè)備配置方面并沒有形成完整的統(tǒng)一性。既有氮甲醇?xì)夥招蜖t，也有單獨(dú)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(gè)最大的特點(diǎn)就是易形成炭黑，這不僅影響滲碳質(zhì)量，同時(shí)也是一種浪費(fèi)。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(yàn)來對丙酮的流量進(jìn)行調(diào)整。將箱式滲碳爐、L20型連續(xù)滲碳生產(chǎn)線的丙酮流量逐漸下調(diào)，當(dāng)流量剛好能夠維持住設(shè)定碳勢時(shí)，即空氣調(diào)節(jié)閥剛好有一點(diǎn)動(dòng)作其頻率較低時(shí)，進(jìn)入設(shè)備的空氣量較少，我們把這時(shí)的丙酮流量記下作為標(biāo)準(zhǔn)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(jù)爐壓的狀態(tài)我們也同樣對L20型的連續(xù)滲碳線甲醇量進(jìn)行了下調(diào)。試驗(yàn)結(jié)果錄入典型工藝進(jìn)行固化，以此來指導(dǎo)現(xiàn)場的生產(chǎn)。同時(shí)，在流量計(jì)上標(biāo)注刻度范圍，職工定時(shí)對其進(jìn)行點(diǎn)檢調(diào)節(jié)。

圖2

三、熱處理掛具的改進(jìn)

起初我們對于工件熱處理時(shí)所使用工裝的選用側(cè)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(chǎn)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(chǎn)品供貨比例的提高，此項(xiàng)矛盾日顯突出，有時(shí)甚至影響到了我們的發(fā)貨進(jìn)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(yàn)后分析得出：提高一次合格率的關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)是根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)將之分類，然后采用針對性的熱處理工裝分別進(jìn)行了改進(jìn)才會奏效。我們先后設(shè)計(jì)了幾種典型工裝，實(shí)際使用后都達(dá)到了預(yù)期的效果。有些產(chǎn)品的一次淬火合格率接近100%，值得一提的是我們設(shè)計(jì)采購的工裝并非都是高端用戶的專用料盤，一些設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、采購價(jià)格低廉的工裝同樣也達(dá)到了理想效果，其使用壽命達(dá)到兩年。

圖3 根據(jù)工件特點(diǎn)設(shè)計(jì)的三種典型工裝的應(yīng)用

為提高產(chǎn)能，降低單位產(chǎn)品的消耗，對滲碳空冷的工裝我們也進(jìn)行到了改進(jìn)，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(shù)量的同時(shí)還減輕了整體裝爐重量，增效的同時(shí)也節(jié)省了部分電能，真正達(dá)到了提效降耗的目的。

四、設(shè)備改善方面的應(yīng)用

1.轉(zhuǎn)體爐成套壓淬設(shè)備改進(jìn)

我公司現(xiàn)有5套轉(zhuǎn)體爐成套壓淬設(shè)備，最早配備的兩套轉(zhuǎn)體爐成套壓淬設(shè)備，其轉(zhuǎn)體加熱爐的保護(hù)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(xù)生產(chǎn)線的氣氛控制方式相同。我們曾提過合理地調(diào)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(zhuǎn)體爐來講，因?yàn)檗D(zhuǎn)體爐工作時(shí)節(jié)拍較快，即爐門的開關(guān)頻繁，開門時(shí)爐內(nèi)的碳勢下降的很快，關(guān)門后要有較大流量的滴入丙酮才能恢復(fù)碳勢。但當(dāng)人們調(diào)整工件時(shí)，爐門關(guān)閉等待的時(shí)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(diào)節(jié)流量不具有可操作性。所以該設(shè)備使用初期生成的炭黑很多，每半年我們都要進(jìn)行一次徹底燒炭，持續(xù)一天。后來我們效仿其他后購進(jìn)設(shè)備，設(shè)計(jì)將丙酮的流量改為自動(dòng)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(qū)動(dòng)電磁閥控制丙酮流量，這樣當(dāng)爐內(nèi)碳勢達(dá)到一定范圍時(shí)會停止丙酮的滴注，炭黑明顯減少，兩臺設(shè)備單此一項(xiàng)每月能為公司節(jié)約一萬余元的消耗。

再者對于轉(zhuǎn)體爐來講，開關(guān)門時(shí)為保護(hù)爐內(nèi)氣氛，減少空氣中氧進(jìn)入爐內(nèi)，廠家采用了在爐門底部燃燒液化氣以火簾進(jìn)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(jù)統(tǒng)計(jì)，公司2013年全年僅液化氣的消耗就達(dá)90萬元，后期我們嘗試用氮?dú)膺M(jìn)行封門（見圖5c），只有點(diǎn)火嘴處消耗一點(diǎn)液化氣，經(jīng)過近一年的實(shí)踐同樣達(dá)到了預(yù)期的效果，每年能為公司節(jié)約一筆可觀的費(fèi)用。

圖5

2.L20型連續(xù)滲碳生產(chǎn)線改進(jìn)

合理地調(diào)整工藝可以提高丙酮的裂解率，但對于L20型連續(xù)滲碳生產(chǎn)線來講仍然會在料筐上方中間部位有一點(diǎn)殘留炭黑，原因是按照以前的設(shè)計(jì)方案，丙酮滴入口下方雖有一個(gè)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(jìn)行了改進(jìn)，把滴注口引到了相近循環(huán)風(fēng)扇的扇葉方位上，這樣一來滴入爐內(nèi)的丙酮會立刻被高速旋轉(zhuǎn)的扇葉打散，使得丙酮裂解徹底，我們現(xiàn)在很少見到出爐料筐上方有炭黑的現(xiàn)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(qū)，按照HES體系的標(biāo)準(zhǔn)要求，車間沒有配廢液排放管道，所有的廢液都要回收后進(jìn)行集中處理。盡管我們后期購進(jìn)的滲碳設(shè)備都是相對先進(jìn)的，但對于清洗機(jī)除油處理功能來講，其效果并非理想。具體表現(xiàn)為排出的廢液中含有過多的水分，同時(shí)撇油帶的使用壽命短。為解決此項(xiàng)問題，我們嘗試了很多方法，最終自行設(shè)計(jì)制作了廢液清理裝置，現(xiàn)我廠已經(jīng)將所有滲碳設(shè)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(shí)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(diào)整也很方便，一條撇油帶的使用壽命可達(dá)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(jīng)過分離后，白色的清洗液回流到清洗機(jī)，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(xiàng)措施實(shí)現(xiàn)了真正意義上的零排污。

五、結(jié)語

（1）鋼材監(jiān)控系統(tǒng)軟件的應(yīng)用對控制鋼材的采購質(zhì)量和毛坯熱處理質(zhì)量很奏效，操作方便。為了提高整體金屬加工質(zhì)量，有時(shí)需要對現(xiàn)行一些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。

（2）科學(xué)的工藝可提高熱處理過程的穩(wěn)定性，同時(shí)也能降低部分消耗。

（3）選擇合理的裝爐方式，有針對性地設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)制作的清洗機(jī)除油裝置結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用效果明顯，可借鑒推廣。

（5）我國熱處理生產(chǎn)單位應(yīng)挖掘自身的潛力積極行動(dòng)，努力為行業(yè)的節(jié)能降耗做貢獻(xiàn)。