熱處理是為提高鋼材(工件)機械性能而不可缺少的工藝技術。但是，要將工件加熱到適當(目標)的處理溫度，需要大量能源。在全社會要求保護地球環境的背景下，“削減能源消耗量及提高生產效率”是熱處理工作者永恒的主題。本文就本田技研工業公司在傳動齒輪熱處理技術中“引入真空滲碳爐”及其應用效果及經驗進行介紹。
一、齒輪滲碳淬火的未來發展趨勢
本田技研工業公司熱處理部門對齒輪表面硬化處理的滲碳淬火技術“未來發展趨勢”作了如下描述。
傳統熱處理開始時分成前、后工序，對任何零部件，都要考慮用相同的熱處理設備來處理。但是，這樣就阻礙了前后工序的同步性，產生許多工件的庫存，成為全部零件提高生產率的障礙。未來熱處理的發展態勢應該是向串接式(直通式)處理發展，重要的是找到適合被加工零件的最佳熱處理生產線形式以及相關技術(見圖1)。
圖1 滲碳淬火工藝未來發展態勢及相關技術
熱處理的串接化(直通化)要如何壓縮前后工序的生產節拍差以及縮短滲碳時間是一個至關重要的課題。對此，高溫滲碳是有效的方法(在生產方面，真空滲碳可通過真空絕熱形成高溫以謀求縮短處理時間),就熱理設備而言，應該擁有耐受高溫式結構和具有容易真空滲碳的有利條件。
二、引進真空滲碳爐的目的與優缺點
由于熱處理設備的危險性以及操作上需要專業的知識與技能等原因，多數企業將熱處理設備集中在1處地方進行管理。該公司也自創始以來基于同樣的考慮，設置熱處理車間，按照“(熱處理)工序完成方式”開展生產活動。但是，隨著當初規劃的生產量的增加，物流效率差的問題突顯出來，因此，在重新評估(修改)企業內的綜合物流的同時，研究了向“熱處理車間完成方式”的轉換。
為了避免在同一企業內分散設置氣體滲碳爐的風險，分析結果認定真空滲碳方式是最佳的，在為適應增產需求而引進新滲碳設備時，選擇了引進真空滲碳爐。
此外，將在各工廠(車間)設置傳統的氣體滲碳爐的情況與設置真空滲碳爐的情況進行了比較，在基本建設投資方面，真空滲碳爐的費用較高，但由于無須在包括周末在內的節假日等配備保安人員看護，所以，根據25年間總經費相比較，判斷真空滲碳爐具有優勢。在熱處理件質量上最大的優點在于不產生晶界氧化層，真空滲碳件比氣體滲碳件(平面) 的強度可提高10%(見圖2,小野式旋轉彎曲疲勞試驗)。
圖2 旋轉彎曲疲勞強度試驗結果
由于沒有氣體滲碳那種布德奧反應(指碳的氧化反應即貝-波反應),所以，真空滲碳產品的銳角部位容易形成過滲碳，存在受到滲碳條件的設定及產品形狀制約的問題(見圖3)。
圖3 基于邊角的強度比較
三、真空滲碳的應用與效果
真空滲碳設備引進日程：這次引入的真空滲碳爐相比于連續氣體滲碳爐可以大幅度縮短引進設備的時間。其原因是在設備制造廠家內設置了專用的試驗爐，在設備制造(訂 購)過程中，可以著手開展各種試驗。這種方式能夠做到試驗爐與購入爐的質量沒有改變，能夠重新確認產品質量重現性的程度。
質量達標(成熟)的日程：真空滲碳關鍵是如何針對產品的表面積引入適當的滲碳氣體。假如滲碳氣體量低于需求的量，則爐內氣氛失去均勻性，會產生工件的局部滲碳不均勻等問題，相反，如果滲碳氣體過多，會產生不利于滲碳的碳黑(煤煙子),導致排氣系統堵塞，工藝性能惡化。因此，最佳的滲碳氣體量的設定是至關重要的(通常的方法是工件加熱到規定的溫度，均熱后，將滲碳氣體直接導入爐內滲碳，然后，停止供氣作擴散處理，將高的碳密度調整為恰當的碳質量密度，要合理設定滲碳時間及擴散時間)。
但是，生產的零部件多種多樣，要確定適合各種零部件的熱處理條件，需要非常多的人力。這次引進的真空滲碳爐附帶設定熱處理條件的仿真軟件， 通過輸入產品必需的信息，能計算出滲碳氣體導入量、滲碳時間、次數等必要的熱處理參數。
由于輸入產品的信息是材質和產品總表面積 (單個工件的表面積×1批次處理工件數),所以，正確把握產品的表面積是最重要的。在該公司，像齒輪這種外形復雜的零件，也使用3D(三維)圖紙，因此，對齒輪表面積的獲取是以3D圖紙的計算值為基礎的(見圖4)。
圖4 齒輪熱處理條件仿真軟件應用實例
根據該計算結果進行試驗，確認了可以在1次試驗中獲得與氣體滲碳同等的品質。但是，在齒尖(齒頂)銳角部容易產生滲碳體(Cementite),解決這一問題需要耗費許多時間。
由于真空滲碳的滲碳工藝與氣體滲碳有所不同，所以，可以解決工件銳角部位容易引起碳集中的問題。解決方案是可采用脈沖滲碳方法，在進行仿真計算時，不但對工件的平面部(例如齒輪的輪齒中部)進行仿真，而且，也要將齒面銳角部位的碳質量濃度變化作為仿真對象，進行熱處理條件的設定。 在氣體滲碳中產品整個表面的碳質量濃度是大致相同的，而真空滲碳在理論上是做不到的。因此，規定在真空滲碳處理時，工件平面部碳質量濃度的設定比氣體滲碳時低。
通常情況下，只要碳質量濃度達到0.6%以上時，工件的硬度就會是相同的，確認了碳質量濃度達到0.6%以上的程度，即便降低碳質量濃度，對產品質量也不會造成影響。
操作人員熟練掌握技術的時間：引進的真空滲碳處理設備在壓縮操作人員熟練掌握操作技術的時間方面，也是具有優勢的。這次，考慮引進設備運轉的需要，針對沒有熱處理經驗的操作人員做了上崗前培訓，即從熱處理工件質量確認到設備操作的全過程進行技術培訓，做到了在3個月的短時間內，達到熟練掌握操作技能，且由1人即能單獨操控設備運轉的水平。其原因在于真空滲碳爐內在減壓條件下只有微量的滲碳氣體，即使萬一發生故障，也不需要處理滲碳氣體方面的知識。 在操作普通氣體滲碳爐中最難以熟練掌握的技能 (技巧),即應對故障的培訓和教育，而在使用真空滲碳爐時無須進行，這對于設備管理監督人員而言減輕了很大壓力。
此外，針對發生設備異常，可按其使用指南(手冊)的提示處理方法實施維修保養，所以，操作人員通過這樣的“危險性少的設備”以及“生產支援系統”,能夠安心地進行設備操作。
環保性能：接下來，介紹真空滲碳爐的環保性能。對該企業擁有6條滲碳爐熱處理生產線(含氣體滲碳爐和真空滲碳爐)進行了比較。按照處理1kg產品(工件)產生多少CO2來評價能量消耗率。得知這次引進的真空滲碳爐相比其氣體滲碳爐效率是最好的設備，可以獲得削減CO2排放量50%的效果。而最大的不同是該設備本身還有絕熱性高等特征，在休息日的保溫能量消耗少從而實現節能。
設備引進時的問題及性能維持：關于設備的制造與規格，由于是日本首批真空滲碳爐發生過圖紙設計階段的問題。定期更換零部件未達到規定工作壽命等有設備特有的問題。但是，通過改進措施，并向設計制造部門反饋信息，進而達到設計圖紙規格要求，同時改善消耗件的規格， 不斷延長其工作壽命，目前沒有大的遺留問題。
但是，設備本身的檢修還缺乏經驗，對今后應實行怎樣的判斷，正在開展討論。在決定真空滲碳工件質量的主要原因中，影響最大的是由于設備老化造成的溫度波動，溫度波動如不實施設備檢修是不能恢復正常的。因此，每個設備的絕熱性是重要的管理項目，可以預測各個滲碳室內絕熱性的老化程度并不相同。因此，考慮將每小時的消耗電能趨勢管理作為實驗檢修時的判斷依據(材料，見圖5),由于只有爐內的損傷狀況(信息)，并不能對氣體滲碳爐故障進行客觀的判定，所以，今后如果能將(考慮了消耗電能)這種判斷方法有效應用于氣體滲碳爐，則判定結果會更準確。
圖5 判斷真空滲爐的大修 (Overhaul:OH)時的思路
對后續工序的影響：真空滲碳不同于氣體滲碳的最大亮點是：工件表面不會引起晶界氧化，不會產生淬火異常層。至于工件外觀上的差異，在滲碳淬火處理后經回火處理，真空滲碳件展示出高亮度的特點。乍一看，經真空滲碳處理的工件，呈現出極高亮度的美感，而在后續加工工序中在加工部位時，有時候會受其很大影響。尤其是在普通的切削及磨削加工情況下，原來擔心對刀具壽命及加工時間產生影響，但卻反倒獲得了良好的效果。但是，通過真空滲碳處理，并不會產生柔軟的淬火異常層，所以，像內孔珩磨加工那種加工余量少，在采用不提高切削速度的加工方法時， 容易受到加工時間增加等的影響。通過磨具(砂輪)及改善加工條件，也能夠實現接近于氣體滲碳工件的加工時間，但是，這需要精加工技術人員的理解與支持等，不是只靠熱處理能解決的問題。以上論述了對后續工序的影響，對于組合型的零部件，有時也會受到制約。由于真空滲碳零件的外表面較堅硬;所以，當其配對零件是以氣體滲碳為基礎進行設計的情況下;有時，配對零件的硬度，也會設定得低一些。這種情況下會增加配對零件的磨耗量。所以，與研磨表面等精加工面相接觸的零部件還好，但是與滲碳淬火表面直接接觸的零件，在應用時需要進行充分確認。工件質量保證方法：就氣體滲碳而言，對于齒輪多采用5點法及10點法(1批工件中抽取5或10個試樣做檢測)進行質量確認。那是由于裝爐的工件中心部的溫度上升最慢，從而在工件的端部位置溫度上升最快的緣故。氣體滲碳時，由于默認爐內的熱處理氣氛是均勻的，通常利用這種溫度波動(或偏差),把握工件質量的波動。但是，真空滲碳條件下，爐內溫度達到均勻時還沒有開始滲碳，所以，用這種方法保證滲碳齒輪的質量并不合適。在真空滲碳的情況下，必須對整個零部件做破壞檢查(指每1批次處理工件抽取5~10個工件做試樣進行破壞試驗),但在實際操作中進行這種檢查需要很多時間，在批量生產現場是不可行的。如果擁有可以在短時間內對全部齒輪及全部齒輪的輪齒進行測試的計測設備，上述方法才可行，而現實中并沒有滿足該公司要求的測試設備，在此背景下，該公司進行了如圖6所示的齒輪非破壞測試裝置的開發。
圖6 齒輪用硬化層深度的無損測定裝置
該公司對真空滲碳爐處理的各零件進行條件設定時，要運用本測試裝置測試全部齒輪、全部輪齒，確認每1批次裝爐工件內的質量波動。這種情況下，要對被認為滲碳層最深的齒輪的輪齒和被認為滲碳層最淺的齒輪的輪齒進行破壞檢查，以把握同一批次裝爐并處理工件內的滲碳深度的波動。根據該方法，以往1批裝爐工件中要抽取10個樣品進行破壞檢查，而現在1批裝爐并處理的工件中抽取2個樣品進行破壞檢查，就能夠充分保證產品質量。
真空滲碳爐是再現性非常高的設備，日常最大的變動點是節假日處理爐停止工作。因此，該公司規定，針對休假結束后復產的第1批次裝爐處理工件，進行實物的質量確認。因為該設備可以查出滲碳深度變淺的部位，用無損檢測設備對該部位所屬工件進行測試，規定要對被判斷為滲碳深度最淺的齒輪的輪齒進行檢測。
其他方面，按照一定的頻度處理專用試件(test piece),從設備的管理項目無異常的專用試件的質量發展趨勢管理，到有條件管理進行實物的質量保證(確認)的方法都在應用。由于真空滲碳與氣體滲碳工藝在同一批次裝爐處理工件內發生滲碳層深度波動原因不同，所以，適應于真空滲碳的質量保證方法是不可缺少的(見圖7)。
圖7 真空滲碳爐工件質量保證方法
耐銹蝕的能力(堅韌性)：由于氣體滲碳是在還原性氣體中進行滲碳，所以， 一般來說產品表面耐銹蝕能力較強。也有文獻指出，相反，表面上有氧化膜時，在同一條件下硬化層深度更深。
那么，真空滲碳對銹蝕的影響會是怎樣呢?在同一產品的半周使之生成紅銹，驗證了該情況下銹蝕對硬化層深度的影響。驗證結果如有關文獻所述 一致，表面出現氧化的部分對碳的吸附良好，相比沒有紅銹的部位，硬化層深度更深。
如想象中的有紅銹部位的吸附率更高那樣，產品表面生成了紅銹的部位，可看到有明顯的碳黑附著。真空滲碳也同樣獲得相同品質，其耐銹蝕能力并不差。不過，相比氣體滲碳真空滲碳，工件表面碳黑的附著更多些，在真空滲碳處理中導人最佳滲碳氣體數量的條件下，若工件上存在許多嚴重的銹蝕， 硬化層深度也會變淺。
推測在批量生產現場并沒有需要處理大量生銹的產品，處理這種零部件時，需要增加日常檢查中的檢查數量(加大工作量),真空滲碳工藝有效應用于批量生產中的時間并不長，即使在日本，實際應用的實例也不多。
總之，熱處理工藝也還有掌握不到的一些層面， 在技術人員中也有不適應技術發展的趨勢。但是，由于普通氣體滲碳中，所期待的條件管理遇到瓶頸，因而氣體滲碳技術停滯不前。而真空滲碳需要將滲碳氣體削減到極限，為了解決由此而產生的眾多課題，需要集思廣益，攻堅克難。