将近100年来，欧瑞康费尔菲尔德(Oerlikon Fairfield Manufacturing)始终是齿轮和传动设计的技术领先者和产品创新者。公司依靠自己的员工、知识和资源针对众多应用需要提供独特的方案。

　　依靠设在美国、印度和中国的制造厂，欧瑞康费尔菲尔德有能力生产AGMA 14级定制齿轮，包括直径从20毫米直到2米的正齿轮、斜齿轮和锥齿轮。

　　公司还为移动式设备和固定式工业机械设计和制造输出扭矩从800牛米直到超过4,000,000牛米的定制传动。

　　另外，公司还设计并提供机械、液压或电气传动系统集成方案，包括采用Torque Hub®行星传动、低输出轴变速器、直角传动、分动器、特种传动、差速器和差速器支架组件、机壳和定制型传动组件。

　　气体渗碳需求

　　为了满足客户对产品性能和使用寿命的要求，部件需要坚硬耐磨的表面和延展性良好的柔韧内芯，不仅要能耐受轮齿承载齿面上存在的极高赫兹应力，而且要能承受齿根部位的极大弯曲应力。

　　气体渗碳是满足这些要求的一种理想的低成本技术方案。因此，欧瑞康费尔菲尔德拥有一个大型热处理车间，使用许多间歇式和连续式炉在吸热性气氛下每天24小时连续进行处理。

　　增效调查

　　欧瑞康费尔菲尔德决定对Heavy Carbon有限责任公司(美国密歇根州匹兹福德)提供的一种工艺技术“Endocarb”进行考察，该技术据称能够显著缩短工艺时间。它交替提高和降低炉内的碳势，因而能够更快地完成部件的处理。

　　Endocarb在几个重要的方面有别于传统的气体渗碳系统：

　　1. Endocarb是对工艺气体的来源进行控制。它直接安装在炉体顶部，简化了气体管路，避免了在输送过程中出现问题。距离靠近还显著降低了泄漏的风险，减少了系统需要的维修工作量。系统能够很方便地设定，而渗碳炉只需要较小的气体流量。

　　2. 在925°C(1,700°F)时，工艺可以在碳势设定为1.5%的情况下进行，这明显高于传统工艺的水平(典型值为1.05 – 1.10%，肯定不超过1.2%)。

　　3. 碳势提高使炉料的处理时间得以缩短，达到2.3毫米有效硬化层深度的渗碳时间缩短了将近18%。

　　传统的渗碳工艺在强渗期保持碳势不变，而Endocarb采用了“循环碳势”(即工艺开始时碳势很高，然后迅速降低到远小于初始设定点的水平)。这一循环在整个工艺过程中始终进行。

　　另外，在特定时刻向炉内通入空气，执行一种“控制清理”操作。这样，气氛得到更新，而炉膛本身得以保持清洁，不产生积炭。图1给出了典型的Heavy Carbon工艺与传统气体渗碳工艺的比较。

　　图1. 传统和Heavy Carbon方法的比较

　　试验计划

　　由于在相同的工艺温度下缩短了周期时间，加上提高了炉膛清洁性，Endocarb能够比传统渗碳工艺更快地收回投资。

　　为了评估在相同甚至更高质量水平下的成本节约潜力，欧瑞康费尔菲尔德决定通过试验来验证，缩短时间的目标能否在不影响冶金质量或齿轮性能的前提下达到。

　　为了进行试验，选择了两组完全相同的齿轮，5种不同材质的试棒(8620、4320、8822、4820和4817)，还有8个不同径节齿轮的不同片断。选择的齿轮是一种230千克的大齿轮(图2)。

　　图2. 渗碳后的大齿轮

　　将冶金结果同内部和客户的规范进行了比较，包括对表面和芯部硬度(齿面和齿根)、有效硬化层深度(齿顶、齿面和齿根)、表面层和芯部微观结构、碳化物形貌、表面碳含量、残余奥氏体百分数、NMTP(渗碳层贝氏体数量)百分数、脱碳程度和IGO/IGA(晶间氧化/晶间腐蚀)进行的检查。

　　为了便于对照，两组试验采用了相同的奥氏体化和渗碳温度。两组部件在渗碳后都在炉内冷却，然后再放到同一台炉内加热和淬火，以消除淬火工艺的任何差异。

　　试验结果

　　样品被送到商业热处理企业欧几里德热处理公司(Euclid Heat Treating，位于美国俄亥俄州欧几里德)，在安装了Endocarb装置的渗碳炉内处理。

　　对这些样品的碳含量进行了分析，并且同样分析了在欧瑞康费尔菲尔德进行试验的样品。

　　为了便于说明，在欧瑞康费尔菲尔德进行的试验被称为“传统”试验，而在欧几里德热处理公司进行的试验被称为“Heavy Carbon”试验。

　　分析了不同深度的碳含量，将两家工厂试验的相同样品的结果绘成曲线进行比较，如图3所示。

　　图3. 欧几里德热处理(Endocarb)和欧瑞康费尔菲尔德(传统渗碳)试验样品碳含量的比较

　　从图3可以看到，相同样品不同深度的碳含量没有明显差别。这表明，传统和Endocarb渗碳方法处理的产品在碳的成分变化上没有区别，意味着两组样品的表面碳、0.40%碳的硬化层深度和用来确定部件机械性能的其他碳势指标基本一致。

　　两种渗碳方法得到的部件有效硬化层深度(ECD，50 HRC)和表面硬度的结果也进行了比较(分别见表1和2)，两种方法得到的样品分别由欧瑞康费尔菲尔德、欧几里德热处理和独立第三方The HERRING集团有限公司(伊利诺伊斯州埃尔姆赫斯特)进行了测试。

　　数据再次表明，大齿轮的每个齿进行的全部4次测试之间基本没有差别。试验结果的主要差别(超过10%或3 HRC)出现在大齿轮2号轮齿(或欧瑞康费尔菲尔德所称的样品B)的ECD测量值上。

　　不过，在两种试验中，第三方对这个轮齿的ECD测量结果非常接近。总的来说，测量结果之间只有很小的差别，再次确认了采用这两种渗碳方法处理的部件基本性能相差无几。

　　虽然所有测试结果(这里没有全部列出)都支持这一结论，但还是进一步进行了浸蚀前后的微观结构分析(图4 – 6)。

　　图4. 两家工厂试验的大齿轮2号轮齿晶间氧化(IGO)的比较

　　图5. 两家工厂试验的大齿轮2号轮齿齿面(中点)的比较

　　图6. 两家试验的大齿轮2号轮齿齿根中心的比较

　　不同样品的微观结构没有差别(图6的颜色差异是浸蚀效果和照明条件不同造成的)。这些微观结构确认了两种方法处理的部件之间基本没有差别。

　　商业案例

　　为了证明渗碳工艺变化的合理性，必须使用SEQCDM(安全，环境，质量，成本，交付成果，士气)模型建立一个商业案例。

　　•安全 – 由于气体质量更容易监测，并且和以前的方法执行同样的质量标准，预计项目能够达到安全性目标。尽管欧几里德热处理公司使用该方法已有若干年，但还需要更多的研究以确保安全合规。

　　•环境 – 吸热性气氛的直接喷吹能够减少潜在的管路泄漏，而目前的方法需要对管路持续维护和监测。Endocarb需要使用的气体量也少于传统渗碳方法，因此，生产现场的空气质量将会总体改善。

　　•质量 – Endocarb处理的部件能够达到与采用传统气体渗碳同样的质量水平。

　　•成本 – 对于本文分析的具体部件，Endocarb的典型处理时间比传统气体渗碳缩短了18%。用更少的时间对更多的部件进行渗碳处理的能力，显然有助于更快地收回投资。维修方面的节省也很可观。

　　•交付成果 – Endocarb处理的产品能够用比传统气体渗碳更短的时间达到甚至超出客户的预期。两种方法达到的表面层硬度和有效硬化层深度几乎相同。

　　•士气 – Endocarb直接安装在炉体上，容易接近，方便了技术人员操作。由于简化了工艺，员工士气将会随时间而提高。

　　因此，由于能够更快和更高效地得到总体质量相同的部件，Endocarb从成本和质量两方面来说都符合SEQCDM模型。

　　结语

　　通过在这些试验中对部件的分析研究，确认了Endocarb系统能够达到与传统的吸热式气体渗碳相同的结果。由此得出的主要结论是：

　　•碳势 – 在整个工艺过程中碳势设定点的高低变化使炉内减少了积炭产生，减少了操作人员的清理工作。在传统工艺中，积炭能够造成严重的设备问题和工艺波动。

　　•温度 – 控制碳势设定点变化所必需的温度波动没有发现对热处理产品的质量有不利影响。

　　•时间 – 气体渗碳的工艺时间比传统方法缩短了大约18%，因而能够提高生产效率和降低工艺成本。

　　•微观结构，表面层深度，表面硬度，残余奥氏体 – 传统和Heavy Carbon方法处理的部件分析结果表明微观结构相近。采用两种工艺处理的相同部件预计机械性能没有明显差别。

　　鉴于Endocarb看起来能够以更短的时间和更低的成本达到同样的质量，热处理部门将能够更高效地生产，加快交货进度，同时仍然保证达到甚至超出客户的期望。