本文主要介绍我司汽车变速器齿轮渗碳淬火、渗碳不均及表面挂彩的课题。分析验证结果表明，齿轮表面覆盖热前切削液等残留物，因工艺设备的特殊性，炉内无法烧损并阻碍渗碳。通过分析验证采取成本最优的对策，即试验选择不阻碍渗碳的新型切削液，解决此问题。

　　齿轮渗碳不均是一种常见的热处理缺陷，直接影响齿轮耐久寿命，若流入市场，很可能会造成早期失效，如齿面磨损、齿面点蚀剥落、总成异响甚至断齿。引起渗碳不均的因素有很多，如：零件形状、前清洗效果差、装炉量过多、装料方式不合理、加热温度不均匀、炉内气氛均匀性差、材料偏析等。

　　针对我司箱式多用炉热处理特殊工艺，热前切削液等残留物覆盖齿轮表面，无法烧损，阻碍渗碳。齿轮热处理量产后，该现象时有发生，多次造成批量报废。经检测，渗碳不均多伴随表面挂彩，表面挂彩现象与零件种类、批次、炉号、清洗机号等无明显对应关系，长期以来原因不明且有恶化趋势，严重影响生产效率。

　　一、渗碳不良现状分析

　　热处理工艺概况

　　我司热处理设备为箱式多用炉，单门进出结构，RX气+丙烷碳氮共渗工艺，渗碳前清洗采用VCH真空碳氢溶剂清洗机。

　　热处理不良状态

　　热处理后目视检查，部分零件表面有形状不规则的挂彩现象，即蓝色或彩色膜状覆盖物，位置不固定，端面、齿顶、齿面、齿根均有发生，外观不符合常规基准(灰白色)，见图1。

　　挂彩部位切割金相检查，发现有渗碳不均现象，局部位置(齿顶、齿根、端面)完全无渗碳层。同时，无渗碳层的表面有挂彩，其余表面无挂彩位置，渗碳层检测合格，见图2。

　　对挂彩无渗碳层区域检测表面硬度，最低只有527HV(规格要求680 ~ 900HV)，比心部硬度稍高，而相邻渗碳正常(无挂彩)区域表面硬度高达810HV，硬度梯度符合要求，见图3。

　　结果表明，渗碳不均与挂彩有对应关系。

　　二、挂彩原因调查

　　针对我司现有齿轮加工工艺，对热前、热处理各工序做渗碳不均和表面挂彩原理原则分析。调查热前切削液浓度、换液周期、热处理清洗剂外观、清洗时间和温度等相关参数均符合要求;热处理碳氢清洗机过滤装置、喷嘴外观、喷射压力等检查也未发现有异常;更换全新碳氢清洗剂、延长前清洗时间也未能改善。内部调查课题没有突破，考虑调研同行业进行对比分析。

　　热处理交叉验证

　　据悉，佛山某公司与我司有类似热处理工艺，即同样是VCH真空碳氢溶剂清洗机、同一型号碳氢清洗剂、RX发生器+碳氮共渗多用炉配置，但其齿轮类零件从未发生渗碳不均和挂彩现象。因此，将我司和佛山某公司热处理工艺进行交叉验证分析，即将我司1档、5档两种挂彩频次较多的齿轮，分别在两个公司VCH前清洗，并分别在两个公司进行热处理，方案如下：

　　交叉验证结果如下：

　　1)经两公司VCH前清洗，零件表面均有不同程度的白色残留物。证明残留物来自前工序，两公司渗碳前清洗机能力无差异，见图4。

　　2)表面有残留物的零件，分别交叉进行热处理，经我司热处理零件有表面挂彩，而经佛山某司热处理零件表面无挂彩。经差异分析，我司和佛山某司炉型有差异，佛山某司为贯通炉，我司为单门炉。佛山某司贯通炉加热室开门进料时，会通入一定量空气，升温期间，零件表面残留物烧损，形成蓬松点状碳化残留物，无挂彩。我司单门炉进料时，一直通入RX气置换，加热室内完全杜绝空气，属还原性气氛，升温期间，零件表面残留物无法氧化烧损，形成挂彩，见图5。

　　交叉验证结果推测，零件表面残留物，VCH热前清洗不干净，随零件进入炉内，不能烧损，形成挂彩并阻碍渗碳。

　　残留物阻碍渗碳的验证分析

　　针对我司炉型特点，室内还原性气氛，无法烧损的表面残留物阻碍渗碳，进一步验证分析。

　　将清洗后表面仍有残留物的零件，放入箱式电阻炉内，进行450℃预氧化(保温1h)，零件表面残留物完全被烧损，除了少量点状碳化物，基体表面呈现均匀灰白色，然后常规热处理出炉，零件表面没有挂彩且检测表面硬度正常(渗碳层合格)，见图6。

　　试验进一步表明，零件表面残留物阻碍渗碳。

　　残留物来源的调查

　　热前加工切屑液、剃齿油取样涂抹零件表面验证，即从各设备取样，均匀涂抹零件表面，进行正常的清洗和热处理。结果见表1。

　　结果表明，切削液残留零件表面有挂彩，同时检测渗碳层不合格。

　　综上验证结果，热前加工切削液残留零件表面，我司热处理工艺不能烧损残留物，在零件表面形成彩色膜，阻碍渗碳。

　　(1)切削液成分调查

　　对设备内切削液取样，做发射光谱仪ICP成分检测，切削液主要含有B、Ca、P、K、Na、S、Si等元素数据，见表2。

　　(2)零件表面挂彩区成分调查

　　将热处理后表面挂彩的零件委托日本某检测机构做电子探针X射线显微分析EPMA，结果见图7。零件表面挂彩区域有大量B、Si、Ca等元素，这些元素含量远超齿轮基体含量，也非渗碳工艺产生，同时与热前切削液ICP分析的元素有共通，这3种元素可能来源于切削液。据文献介绍，B、Si的化合物是热处理防渗碳涂料常用原料之一，如某型号防渗涂料含有石英粉、硅酸钠和硼砂，另一种用于精加工零件的防渗涂料含有硼酐粉和聚醚改性硅消泡剂。而且，该类型硼的化合物与热处理行业渗硼工艺中的渗硼剂成分(如硼铁、B4C)是有区别的，工艺路线也不一样。同时，资料显示，不同厚度的SiO2薄膜，在自然光下会呈现不同颜色。因此，切屑液成分中B、Si等化合物残留零件表面，是形成挂彩和阻碍渗碳的真正原因。

　　三、渗碳不均改善对策

　　根据以上分析，对策从两个方面进行：

　　1) 验证选择新型的热前切削液。

　　2) 增设热处理前的预氧化功能。

　　热前切削液的试验选择

　　现有切削液中含有大量的B、Si等元素，其中B有抑菌作用(同时也对人体有害)，Si是消泡剂主要成分。通过涂抹模拟，热处理验证，最后选择某公司新开发的一种高压低泡的微乳半合成型切削液，不含B和消泡剂成分Si，效果较好，见表3。

　　同时，取一条生产线，将所有车床和加工中心切换成新型切削液，连续确认6个月，零件表面均不出现挂彩，渗碳层检测也合格，见图8。

　　热处理前增设预氧化功能

　　前面原因分析已知，热处理前增加预氧化，可以烧损零件表面残留物。可彻底改善渗碳不良，但面临以下课题：

　　1)设备平面布局需重新规划，需要改造。

　　2)预氧化炉需要投资，投资收益年限长达10年。

　　3)生产运行成本(能耗)增加。

　　综上所述，热处理前增加预氧化功能，虽然也能改善渗碳不良，但可操作性、成本、收益性方面不佳。最终判定，优先采取切换某公司新型切削液，该方案成本最优、风险低、可操作性强，解决问题，不增加额外成本。

　　四、应用小结

　　渗碳不均在热处理行业虽很常见，但我司由于工艺设备的特殊性，切削液残留零件表面形成彩色膜，阻碍渗碳，属行业独特的不良现象。最终通过选择新型的热前加工切削液，不含B、Si等阻碍渗碳的元素，以最优的方案解决课题。

　　1)常规切削液是由基础油和复杂的添加剂组成，如消泡剂、抑菌防臭剂、防锈剂、表面活性剂等，切削液中含有的B、Si类化合物残留，是阻碍渗碳和表面挂彩的主要原因，切削液选型时应考虑对热处理品质的影响。

　　2)溶剂型清洗机对剃齿油有良好效果，但对零件表面残留的切削液等水溶性物质清洗效果不理想。

　　3)密封箱式单门多用炉，保护性气氛RX气的通入，炉内处于密封无氧的还原性气氛，导致零件表面残留物无法烧损，阻碍渗碳并伴有表面挂彩。

　　4)现有热处理工序未配备预氧化炉，若热前清洗不干净就会有品质风险，后续做工艺规划时应考虑是否增设预氧化炉。