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(dòng)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(duì)輸入軸表面進(jìn)行滲碳熱處理來(lái)提高表面的性能。本輸入軸的法蘭部與對(duì)手件需要焊接成形,焊接部位不允許被滲碳,否則會(huì)導(dǎo)致焊接裂紋,從而使得輸入軸在服役時(shí)產(chǎn)生失效,故輸入軸的法蘭局部要采取有效的保護(hù)措施,防止碳的滲入[2],比如采用防滲碳涂料對(duì)該部位進(jìn)行涂敷保護(hù)[3]。
目前常用的防滲碳方式有機(jī)械加工法、局部鍍銅、防滲碳涂料[4]。機(jī)械加工法一般要在滲碳后不淬火,用機(jī)械加工的方法切削掉滲碳層,該法費(fèi)時(shí)、費(fèi)工序,較少用。鍍銅的方法可靠,但成本高,還有三廢的問(wèn)題。防滲碳涂料工藝相對(duì)成熟、質(zhì)量可控[5]。根據(jù)輸入軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),現(xiàn)行的涂料防滲方式可滿足要求,且相對(duì)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(duì)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(lái)代替手工涂敷。自動(dòng)化設(shè)備涂敷代替手工作業(yè)解決了涂敷過(guò)程不可控、重復(fù)性差、效率低的問(wèn)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(duì)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(jì)開發(fā)了輸入軸的防滲碳涂料A-C-1-2自動(dòng)涂敷、快速干燥的專用設(shè)備并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[9-10]。
輸入軸選用SCr420H鋼制造,其化學(xué)成分見表1,與國(guó)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?jǐn)?shù),%)
該產(chǎn)品屬于汽車變速箱內(nèi)的動(dòng)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(shí)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(gè)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)
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(duì)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(shí)對(duì)環(huán)境溫濕度敏感,對(duì)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(shí)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(zhǔn)備過(guò)程:通過(guò)涂料和稀釋劑配比,充分混合攪拌,再利用VT-04F粘度測(cè)量?jī)x(3號(hào)轉(zhuǎn)子,測(cè)量范圍0.3~13 dPa·s)測(cè)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?xì)夥罩衅鸬阶韪艋钚蕴紳B入的效果,根據(jù)JB/T 9199—2008分析在自動(dòng)涂敷中需充分注意的幾項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)如表4所示。之后清洗時(shí)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。
涂敷設(shè)備的設(shè)計(jì)思路:針對(duì)涂料的特點(diǎn)及涂敷風(fēng)險(xiǎn)分析,選擇合適的自動(dòng)涂敷方式才能避免人為作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的不可控因素,為此提出了兩個(gè)可行方案:
1)自動(dòng)注射涂料方案。如圖2所示,涂敷精度高、重現(xiàn)性好、專機(jī)定制,設(shè)備設(shè)計(jì)制作和管理維護(hù)成本高,注射涂敷加工效率稍慢。
圖2 自動(dòng)注射涂敷設(shè)備Fig.2 Automatic injection coating equipment
2)防滲碳涂料自動(dòng)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(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)品能均勻涂上涂料,且多個(gè)產(chǎn)品同時(shí)涂
表4 防滲碳涂料自動(dòng)涂敷中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)
圖4 自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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)
根據(jù)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性,設(shè)計(jì)自動(dòng)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(cè)距系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)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(cè)距系統(tǒng)連接控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
為了解決單個(gè)涂敷效率低下的問(wèn)題,裝夾產(chǎn)品組件需設(shè)計(jì)在同一水平面的4個(gè)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)針,轉(zhuǎn)針?lè)謩e插入產(chǎn)品兩端的頂針孔定位、固定,并實(shí)現(xiàn)伺服馬達(dá)控制產(chǎn)品同步精準(zhǔn)回轉(zhuǎn)的周數(shù)。裝夾產(chǎn)品的組件部分,設(shè)計(jì)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(guò)控制涂料盒上升高度控制涂料浸深,在使用過(guò)程中涂料的液面難保持一定高度,需要通過(guò)測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量液面高度。測(cè)距系統(tǒng)采用高精度的超聲波測(cè)距傳感器,通過(guò)實(shí)時(shí)探測(cè)與防滲涂料液面的距離,控制系統(tǒng)顯示運(yùn)算后,由升降伺服馬達(dá)實(shí)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(shí),通過(guò)一鍵啟動(dòng),控制系統(tǒng)根據(jù)測(cè)距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋,控制驅(qū)動(dòng)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(jì)烘干裝置對(duì)涂敷完成的產(chǎn)品進(jìn)行輔助烘干,如圖5(b)所示,整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程建議在獨(dú)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(guò)程中超聲波測(cè)距(a)和輔助干燥機(jī)(b)Fig.5 Ultrasonic distance measurement during rising process of anti-carburizing paint lifting(a) and auxiliary dryer(b)
將4支產(chǎn)品裝入帶有勻速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)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(shí)間,將裝有調(diào)配好粘度的涂料盒由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(jī)上完成自然干燥,完成一次防滲碳過(guò)程,對(duì)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(guò)程如圖6(b)所示,這個(gè)過(guò)程對(duì)于本產(chǎn)品必不可少。涂敷過(guò)厚或過(guò)薄,自然和強(qiáng)制干燥過(guò)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(shí)間、強(qiáng)制干燥溫度及時(shí)間。經(jīng)過(guò)測(cè)試試驗(yàn),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(guò)程圖Fig.6 Coating process of anti-carburizing paint for the first time(a) and the second time(b)
通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(cè)、膜厚檢證,滲碳后的防滲碳實(shí)際效果和顯微組織腐蝕后的防滲碳范圍檢證,以驗(yàn)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(yàn)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(shí),產(chǎn)品的RR面防滲碳范圍超下限,浸深為4.9 mm時(shí),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。
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(xì)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(yàn)》屬于1級(jí)碳化物分布,如圖9(a)所示;與被滲碳面的顯微組織對(duì)比,防滲碳面的顯微組織主要由板條馬氏體為主,無(wú)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(jí),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(lái)表示,規(guī)定h≥80%為合格。h值按式(1)計(jì)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(duì)RR面(a)和FR面(b) 防滲范圍公差驗(yàn)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(qiáng)滲180 min時(shí)刻點(diǎn)記錄每一爐的CP值及各氣體組分的變化趨勢(shì)Fig.10 CP and variation trend of gas components in each lot of carburizing after 180 min
甲醇滴注式滲碳?xì)夥罩?,目前碳?shì)的檢測(cè)控制有CO2紅外儀、氧探頭、露點(diǎn)儀,在實(shí)際應(yīng)用中氧探頭響應(yīng)快、檢測(cè)碳勢(shì)便捷而被廣泛使用。
針對(duì)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(guò)程中使用近3年的每一爐的設(shè)定碳勢(shì)、氧探頭檢測(cè)碳勢(shì)、紅外儀檢測(cè)碳勢(shì)、定碳片的計(jì)算碳勢(shì)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(shí)間點(diǎn)也記錄在同一圖中。
甲醇滴注式滲碳?xì)夥赵诟邷叵碌南嗷シ磻?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(guò)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(jī)溶劑,高溫下分解產(chǎn)物CH4的含量達(dá)14%~21%,正常滴注式滲碳?xì)夥罩蠧H4含量2%~8%左右。高濃度的CH4對(duì)正常滲碳?xì)夥债a(chǎn)生了干擾:
CH4的副反應(yīng)(5)式會(huì)直接影響滲碳的氛圍氣,因?yàn)檫@時(shí)的氛圍氣不再是單純的滲碳?xì)夥?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(shí)際碳勢(shì),實(shí)時(shí)定碳的結(jié)果也佐證了這一點(diǎn)。過(guò)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(jìn)出爐時(shí)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(wú)機(jī)揮發(fā)物及爐磚表面的無(wú)機(jī)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(zhǎng)時(shí)間使用防滲涂料A-C-1-2,爐內(nèi)殘留無(wú)機(jī)物過(guò)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(gè)月左右。爐內(nèi)殘留無(wú)機(jī)物增多,CH4值也會(huì)逐步從14%上升到18.7%~21%,這時(shí)會(huì)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(huì)上升,burn-off應(yīng)對(duì)CH4的下降不再起作用,更換抗?jié)B碳爐磚后,才會(huì)恢復(fù)正常。
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(xiǎn),自行設(shè)計(jì)開發(fā)制作了自動(dòng)涂敷設(shè)備,滿足了自動(dòng)涂敷工藝的要求,符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及人體工程學(xué)的要求;利用浸入深度設(shè)定公差驗(yàn)證了設(shè)備的工程能力、重復(fù)性、再現(xiàn)性;均達(dá)成后,進(jìn)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(guò)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(dòng)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(yàn)證h=84%,合格。
3) 根據(jù)記錄每一爐的設(shè)定碳勢(shì)、氧探頭檢測(cè)碳勢(shì)、紅外儀檢測(cè)碳勢(shì)、定碳片的計(jì)算碳勢(shì)和CO、CO2、CH4含量,分析各種組分的趨勢(shì)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(jìn)行多因素趨勢(shì)管理,控制爐內(nèi)的實(shí)際碳勢(shì),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(duì)設(shè)備機(jī)械動(dòng)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。