聯動公司先后進行了五一廠齒輪、美國齒輪、株洲汽車齒輪等多種零件的試制、小批量生產以及批量生產。委托加工零件的廠家對零件的熱處理質量要求很高。除了要求零件加工的尺寸完全合格以外，對零件的金相組織和滲層深度都要求很嚴格。在對五一廠齒輪、美國齒輪、株洲汽車齒輪的試制和小批量生產過程中都出現過金相組織和滲層深度不合格的現象。

1.關于碳勢的控制

（1）碳勢在滲碳和氰化熱處理中的作用及碳勢控制的目標 碳勢是表征含碳氣氛在一定溫度下改變工件表面含碳量能力的參數，通常可用低碳鋼箔在氣氛中的平衡來表示。在實際上生產中，常用鋼箔定碳的方法測定碳勢或校對碳勢。鋼箔定碳是在滲碳溫度下將鋼箔吊入滲碳爐內，保溫一段時間后取出，采用化學分析法或稱重法測定鋼箔的含碳量，即為當時爐內的碳勢。在一定溫度下加熱工件，若爐內氣氛碳勢高于鋼的含碳量，工件表面滲入碳原子；反之則脫碳。碳勢是滲碳和氰化熱處理中十分重要的工藝參數，碳勢控制的好壞直接決定著零件的熱處理質量（金相組織的好壞和滲層的深度）。

滲碳層碳濃度是獲得一定滲層組織的前提條件。碳勢控制的目標是：

①零件表層的碳濃度為0.8%～1.0%，而且要求零件表層的碳濃度呈較平穩的下降梯度；淬火后零件的表層的金相組織應為細小的殘留奧氏體+細小的針狀馬氏體+細小的碳化物。零件表層的碳濃度低于0.8%，會出現零件的表面硬度低的現象；零件表層的碳濃度高于于1.0%，會出現零件表層的殘留奧氏體、針狀馬氏體、碳化物粗大，零件表面的組織性能差，而且殘留奧氏體過于粗大也會造成零件的表面硬度低。

②零件的滲碳層分共析層、過共析層和擴散層，過共析層為最外層，共析層在中間。滲層深度為共析層、過共析層深度加擴散層的一半（金相法），零件的共析層、過共析層的深度應為總深度35%～45%比較合適。對于滲層深度為0.3～0.6mm的零件，共析層、過共析層的深度太淺將造成零件的表面硬度低。只有選用適當的溫度、碳勢和時間等參數，并嚴格地控制這些參數，才能生產出金相組織好且硬度、滲層深度合格的熱處理產品。

（2）多用爐碳勢控制原理及方法

我們熱處理廠的多用爐采用氧探頭測定碳勢。氧探頭測定碳勢的方法具有反應靈敏、測量準確和便于自動化控制等優點。

氧探頭測定碳勢的原理：氧探頭是根據氧化鋯（ZrO2）在高溫情況下氧離子能在其中產生定向移動，產生一定的電勢（起電力）。在滲碳爐氣氛中，CO濃度一定的情況下，氧探頭的起電力與熱電偶的溫度信號組合運算，就能得出氣氛中的碳濃度。 附圖是氧探頭氣體分析裝置簡圖。

測量碳勢時，氧探頭將起電力信號輸入CP演算器，熱電偶將溫度信號輸入CP演算器，CP演算器通過內設的程序將氧探頭的起電力與熱電偶的溫度信號組合運算，就能得出氣氛中的碳濃度；然后CP演算器將結果輸給微機和記錄儀，微機通過顯示儀表顯示當時的碳勢值，而記錄儀將結果記錄在記錄紙上。這個過程是連續進行的。我們熱處理廠的多用爐采用甲醇作載體氣（起稀釋碳濃度及保持爐內氣壓的作用，熱處理過程中它的流量基本保持不變），采用丙酮作為富化氣（滲碳劑），通過改變丙酮的流量就能改變爐內的碳勢。

如果多用爐打到了碳勢自動控制擋，當爐內的碳勢高于一定值（比設定值稍高）時，微機就發出指令關閉丙酮流量控制電磁閥，從而降低爐內的碳勢；當爐內的碳勢低于一定值（比設定值稍低）時，微機就發出指令打開丙酮流量控制電磁閥，使爐內的碳勢升高，從而使爐內的碳勢穩定在設定值附近，達到控制碳勢的目的。

2.未改進前的質量狀況

五一廠齒輪多次因滲層深度不合格，只能辦理超差處理。

第一爐美國齒輪500余件因滲層深度超深而影響了生產的進度。最后通過協商，客戶答應接收，才將零件交出去。

株洲汽車齒輪廠委托我們加工的多爐太陽輪共500余件（其中兩爐各50件，兩爐各200件）因表層金相組織殘留奧氏體（5～6級）、針狀馬氏體粗大（5～6級），碳化物顆粒超級（4～5級）而不能交貨（太陽輪的熱處理技術要求是：殘留奧氏體1～5級；針狀馬氏體≤5級；碳化物顆粒≤4級；心部鐵素體≤5級；心部硬度為33～45HRC）。最后耽擱了一個多月才將恰當的返修工藝制定好，將這些零件進行返修。

3.分析滲層深度超差、金相組織不合格的原因

通過分析，我們認為有設備老化、人員調動，以及碳勢控制存在較多的缺陷等方面的原因。碳勢控制不好將導致滲層深度控制不穩定，滲層深度控制精度差，很容易造成零件滲層深度超差。同時，碳勢控制不好將造成零件表層碳濃度過高或過低，導致零件表層組織差或硬度低。因此，多用爐碳勢控制不好是造成這些質量問題的主要原因。

我們認真地分析了滲碳熱處理過程中的每個環節，包括工藝、設備和生產操作，發現我們熱處理廠的多用爐碳勢控制主要存在以下幾個方面的問題：

（1）多用爐的氧探頭使用時間過長，已經老化失效，造成儀表所顯示的碳勢值不能準確、真實地反映爐內的實際碳勢。

（2）由于種種原因，多年來已經沒有進行測定碳勢的工作，不能及時發現碳勢不準并且及時校正儀表的碳勢顯示值，使儀表所顯示的碳勢值與爐內的實際碳勢一致。

（3）多用爐的CP演算器使用時間很久了，內部演算程序系統已經被破壞，不能正確地將氧探頭所測得的輸出毫伏值和熱電偶測得的溫度轉換成儀表的碳勢顯示值。

（4）對氧探頭的維護和保養措施不到位。

①工作一段時間（一般是每隔4h）后氧探頭頭部的鋯頭處將積累一些碳黑，需要進行燒碳（就是將空氣送入氧探頭的頭部清洗氧探頭鋯頭處的積碳，也叫探頭吹洗）。以前的燒碳操作很不規范，對什么時候燒碳以及燒碳的持續時間都沒有明確的規定，有時甚至幾天都沒有進行燒碳。氧探頭鋯頭處積累碳黑太多，將直接影響碳勢測量的準確性，而且氧探頭鋯頭處長期積累過多碳黑將加速鋯頭的老化，大大縮短氧探頭的使用壽命。

②氧探頭出現問題后，常由于考慮到生產成本的問題而沒有及時進行更換。碳勢控制采取手動控制方式，通過控制丙酮流量計控制丙酮流量的大小，操作工人完全憑經驗控制碳勢。

（5）程序設定不完善。當程序設定碳勢值減小時，爐內碳勢下降慢。特別是滲碳、氰化階段結束后的降溫過程中，爐內碳勢下降很慢，往往是直到零件出爐淬火，爐內的碳勢還不能降到設定的碳勢值。這就很容易造成零件的表層組織殘留奧氏體、針狀馬氏體粗大。

4.改進措施

針對以上的問題，我們采取了以下措施：

（1）及時更換多用爐的氧探頭。

（2）定期進行箔片定碳，測定爐內的實際碳勢，及時校正儀表的碳勢顯示值，使儀表所顯示的碳勢值與爐內的實際碳勢一致，并將每次的定碳結果在記錄本上登記，以便將來查看。并編制了《定碳操作說明書》，對什么情況下需要進行定碳，定碳操作應注意的事項以及箔片在爐內的保持時間進行了詳細的規定，使定碳操作規范化，確保定碳的準確性。

（3）更換CP演算器。

（4）加強氧探頭的維護和保養。規定零件加熱到溫后的均溫階段對氧探頭進行燒碳；要求將燒碳記錄登記在專用的記錄本上。當氧探頭出現老化或出現故障時，要求盡快更換或送廠家進行修理，并要求熱處理廠多買一根氧探頭作為備用件，以便出現故障時及時進行更換。

從前面的氧探頭氣體分析裝置圖可以看出：氧探頭工作時需要基準氣體（干凈的空氣），基準氣體和爐內氣體分別與氧探頭的鋯頭兩極接觸，產生起電力。所以，保證基準氣體的供給非常重要。氧探頭進行燒碳時需要燒碳氣體。為此，我們更換了多用爐的空氣壓縮泵和氧探頭的進氣管，保證氧探頭基準氣體和燒碳氣體的供給。

（5）針對程序設定碳勢值減小時爐內碳勢下降慢，發現以前設置的程序不完整，即當程序設定碳勢值減小時，缺少一段向爐內通空氣的指令。因此，我們在原來的程序中增加了向爐內通空氣的指令（這條程序指令是CH2：FNC K SEL 1 ENT）。從前面的氧探頭氣體分析裝置圖可以看出：當程序設定碳勢值減小時，微機將發出指令，打開空氣平衡電磁閥，向爐內通空氣，從而加快碳勢的下降速度，碳勢控制得到了加強。

5.改進后的效果

通過以上措施，保證了氧探頭的正常工作，并確保了CP演算器將氧探頭輸出的起電力正確地轉換為碳勢顯示值，從而確保了多用爐碳勢的準確性和可靠性；在程序中增加向爐內通空氣的指令，加快了碳勢的下降速度，加強了對碳勢的控制。實施改進措施后，零件的熱處理質量有了很大的提高，效果十分明顯：

（1）五一廠齒輪從2011年2月到現在，沒有因為滲層深度不合格而辦理超差處理。

（2）美國齒輪經過及時采取措施，將碳勢控制好，后面的零件比較順利地進行了熱處理，零件的滲層深度、表面硬度均達到了客戶的要求，保證了零件的及時交貨，避免了因時間到期不能及時交貨而受到客戶的索賠。

（3）株洲汽車齒輪廠的太陽輪在后來的批量生產中除了有一爐因為淬火時在中門被卡住，不能及時進行淬火，造成心部鐵素體超級、有效淬硬層偏淺外，其他爐次零件的表層組織殘留奧氏體、針狀馬氏體、碳化物均合格，心部組織也完全合格。

（4）在株洲汽車齒輪廠行星輪的試制過程中，因為碳勢控制較好，使得行星輪的熱處理試驗較為順利，為公司行星輪的試制成功做出了較大的貢獻。目前，公司行星輪的產量已達到月產1萬多件，已成為公司的支柱產品。我們進行熱處理的行星輪的金相組織和滲層深度都十分穩定，完全達到對方廠家的要求（見附表）。

改進前后行星輪的金相組織對比表

6.結語

通過認真分析滲碳熱處理出現的一些質量問題的原因，得出了“多用爐碳勢控制不嚴是造成這些質量問題的主要原因”的結論。根據原因，采取了更換氧探頭，定期進行箔片定碳，更換多用爐的CP演算器等措施。通過這些改進措施，滲碳零件的熱處理質量有了很大的提高。