联动公司先后进行了五一厂齿轮、美国齿轮、株洲汽车齿轮等多种零件的试制、小批量生产以及批量生产。委托加工零件的厂家对零件的热处理质量要求很高。除了要求零件加工的尺寸完全合格以外，对零件的金相组织和渗层深度都要求很严格。在对五一厂齿轮、美国齿轮、株洲汽车齿轮的试制和小批量生产过程中都出现过金相组织和渗层深度不合格的现象。

1.关于碳势的控制

（1）碳势在渗碳和氰化热处理中的作用及碳势控制的目标 碳势是表征含碳气氛在一定温度下改变工件表面含碳量能力的参数，通常可用低碳钢箔在气氛中的平衡来表示。在实际上生产中，常用钢箔定碳的方法测定碳势或校对碳势。钢箔定碳是在渗碳温度下将钢箔吊入渗碳炉内，保温一段时间后取出，采用化学分析法或称重法测定钢箔的含碳量，即为当时炉内的碳势。在一定温度下加热工件，若炉内气氛碳势高于钢的含碳量，工件表面渗入碳原子；反之则脱碳。碳势是渗碳和氰化热处理中十分重要的工艺参数，碳势控制的好坏直接决定着零件的热处理质量（金相组织的好坏和渗层的深度）。

渗碳层碳浓度是获得一定渗层组织的前提条件。碳势控制的目标是：

①零件表层的碳浓度为0.8%～1.0%，而且要求零件表层的碳浓度呈较平稳的下降梯度；淬火后零件的表层的金相组织应为细小的残留奥氏体+细小的针状马氏体+细小的碳化物。零件表层的碳浓度低于0.8%，会出现零件的表面硬度低的现象；零件表层的碳浓度高于于1.0%，会出现零件表层的残留奥氏体、针状马氏体、碳化物粗大，零件表面的组织性能差，而且残留奥氏体过于粗大也会造成零件的表面硬度低。

②零件的渗碳层分共析层、过共析层和扩散层，过共析层为最外层，共析层在中间。渗层深度为共析层、过共析层深度加扩散层的一半（金相法），零件的共析层、过共析层的深度应为总深度35%～45%比较合适。对于渗层深度为0.3～0.6mm的零件，共析层、过共析层的深度太浅将造成零件的表面硬度低。只有选用适当的温度、碳势和时间等参数，并严格地控制这些参数，才能生产出金相组织好且硬度、渗层深度合格的热处理产品。

（2）多用炉碳势控制原理及方法

我们热处理厂的多用炉采用氧探头测定碳势。氧探头测定碳势的方法具有反应灵敏、测量准确和便于自动化控制等优点。

氧探头测定碳势的原理：氧探头是根据氧化锆（ZrO2）在高温情况下氧离子能在其中产生定向移动，产生一定的电势（起电力）。在渗碳炉气氛中，CO浓度一定的情况下，氧探头的起电力与热电偶的温度信号组合运算，就能得出气氛中的碳浓度。 附图是氧探头气体分析装置简图。

测量碳势时，氧探头将起电力信号输入CP演算器，热电偶将温度信号输入CP演算器，CP演算器通过内设的程序将氧探头的起电力与热电偶的温度信号组合运算，就能得出气氛中的碳浓度；然后CP演算器将结果输给微机和记录仪，微机通过显示仪表显示当时的碳势值，而记录仪将结果记录在记录纸上。这个过程是连续进行的。我们热处理厂的多用炉采用甲醇作载体气（起稀释碳浓度及保持炉内气压的作用，热处理过程中它的流量基本保持不变），采用丙酮作为富化气（渗碳剂），通过改变丙酮的流量就能改变炉内的碳势。

如果多用炉打到了碳势自动控制挡，当炉内的碳势高于一定值（比设定值稍高）时，微机就发出指令关闭丙酮流量控制电磁阀，从而降低炉内的碳势；当炉内的碳势低于一定值（比设定值稍低）时，微机就发出指令打开丙酮流量控制电磁阀，使炉内的碳势升高，从而使炉内的碳势稳定在设定值附近，达到控制碳势的目的。

2.未改进前的质量状况

五一厂齿轮多次因渗层深度不合格，只能办理超差处理。

第一炉美国齿轮500余件因渗层深度超深而影响了生产的进度。最后通过协商，客户答应接收，才将零件交出去。

株洲汽车齿轮厂委托我们加工的多炉太阳轮共500余件（其中两炉各50件，两炉各200件）因表层金相组织残留奥氏体（5～6级）、针状马氏体粗大（5～6级），碳化物颗粒超级（4～5级）而不能交货（太阳轮的热处理技术要求是：残留奥氏体1～5级；针状马氏体≤5级；碳化物颗粒≤4级；心部铁素体≤5级；心部硬度为33～45HRC）。最后耽搁了一个多月才将恰当的返修工艺制定好，将这些零件进行返修。

3.分析渗层深度超差、金相组织不合格的原因

通过分析，我们认为有设备老化、人员调动，以及碳势控制存在较多的缺陷等方面的原因。碳势控制不好将导致渗层深度控制不稳定，渗层深度控制精度差，很容易造成零件渗层深度超差。同时，碳势控制不好将造成零件表层碳浓度过高或过低，导致零件表层组织差或硬度低。因此，多用炉碳势控制不好是造成这些质量问题的主要原因。

我们认真地分析了渗碳热处理过程中的每个环节，包括工艺、设备和生产操作，发现我们热处理厂的多用炉碳势控制主要存在以下几个方面的问题：

（1）多用炉的氧探头使用时间过长，已经老化失效，造成仪表所显示的碳势值不能准确、真实地反映炉内的实际碳势。

（2）由于种种原因，多年来已经没有进行测定碳势的工作，不能及时发现碳势不准并且及时校正仪表的碳势显示值，使仪表所显示的碳势值与炉内的实际碳势一致。

（3）多用炉的CP演算器使用时间很久了，内部演算程序系统已经被破坏，不能正确地将氧探头所测得的输出毫伏值和热电偶测得的温度转换成仪表的碳势显示值。

（4）对氧探头的维护和保养措施不到位。

①工作一段时间（一般是每隔4h）后氧探头头部的锆头处将积累一些碳黑，需要进行烧碳（就是将空气送入氧探头的头部清洗氧探头锆头处的积碳，也叫探头吹洗）。以前的烧碳操作很不规范，对什么时候烧碳以及烧碳的持续时间都没有明确的规定，有时甚至几天都没有进行烧碳。氧探头锆头处积累碳黑太多，将直接影响碳势测量的准确性，而且氧探头锆头处长期积累过多碳黑将加速锆头的老化，大大缩短氧探头的使用寿命。

②氧探头出现问题后，常由于考虑到生产成本的问题而没有及时进行更换。碳势控制采取手动控制方式，通过控制丙酮流量计控制丙酮流量的大小，操作工人完全凭经验控制碳势。

（5）程序设定不完善。当程序设定碳势值减小时，炉内碳势下降慢。特别是渗碳、氰化阶段结束后的降温过程中，炉内碳势下降很慢，往往是直到零件出炉淬火，炉内的碳势还不能降到设定的碳势值。这就很容易造成零件的表层组织残留奥氏体、针状马氏体粗大。

4.改进措施

针对以上的问题，我们采取了以下措施：

（1）及时更换多用炉的氧探头。

（2）定期进行箔片定碳，测定炉内的实际碳势，及时校正仪表的碳势显示值，使仪表所显示的碳势值与炉内的实际碳势一致，并将每次的定碳结果在记录本上登记，以便将来查看。并编制了《定碳操作说明书》，对什么情况下需要进行定碳，定碳操作应注意的事项以及箔片在炉内的保持时间进行了详细的规定，使定碳操作规范化，确保定碳的准确性。

（3）更换CP演算器。

（4）加强氧探头的维护和保养。规定零件加热到温后的均温阶段对氧探头进行烧碳；要求将烧碳记录登记在专用的记录本上。当氧探头出现老化或出现故障时，要求尽快更换或送厂家进行修理，并要求热处理厂多买一根氧探头作为备用件，以便出现故障时及时进行更换。

从前面的氧探头气体分析装置图可以看出：氧探头工作时需要基准气体（干净的空气），基准气体和炉内气体分别与氧探头的锆头两极接触，产生起电力。所以，保证基准气体的供给非常重要。氧探头进行烧碳时需要烧碳气体。为此，我们更换了多用炉的空气压缩泵和氧探头的进气管，保证氧探头基准气体和烧碳气体的供给。

（5）针对程序设定碳势值减小时炉内碳势下降慢，发现以前设置的程序不完整，即当程序设定碳势值减小时，缺少一段向炉内通空气的指令。因此，我们在原来的程序中增加了向炉内通空气的指令（这条程序指令是CH2：FNC K SEL 1 ENT）。从前面的氧探头气体分析装置图可以看出：当程序设定碳势值减小时，微机将发出指令，打开空气平衡电磁阀，向炉内通空气，从而加快碳势的下降速度，碳势控制得到了加强。

5.改进后的效果

通过以上措施，保证了氧探头的正常工作，并确保了CP演算器将氧探头输出的起电力正确地转换为碳势显示值，从而确保了多用炉碳势的准确性和可靠性；在程序中增加向炉内通空气的指令，加快了碳势的下降速度，加强了对碳势的控制。实施改进措施后，零件的热处理质量有了很大的提高，效果十分明显：

（1）五一厂齿轮从2011年2月到现在，没有因为渗层深度不合格而办理超差处理。

（2）美国齿轮经过及时采取措施，将碳势控制好，后面的零件比较顺利地进行了热处理，零件的渗层深度、表面硬度均达到了客户的要求，保证了零件的及时交货，避免了因时间到期不能及时交货而受到客户的索赔。

（3）株洲汽车齿轮厂的太阳轮在后来的批量生产中除了有一炉因为淬火时在中门被卡住，不能及时进行淬火，造成心部铁素体超级、有效淬硬层偏浅外，其他炉次零件的表层组织残留奥氏体、针状马氏体、碳化物均合格，心部组织也完全合格。

（4）在株洲汽车齿轮厂行星轮的试制过程中，因为碳势控制较好，使得行星轮的热处理试验较为顺利，为公司行星轮的试制成功做出了较大的贡献。目前，公司行星轮的产量已达到月产1万多件，已成为公司的支柱产品。我们进行热处理的行星轮的金相组织和渗层深度都十分稳定，完全达到对方厂家的要求（见附表）。

改进前后行星轮的金相组织对比表

6.结语

通过认真分析渗碳热处理出现的一些质量问题的原因，得出了“多用炉碳势控制不严是造成这些质量问题的主要原因”的结论。根据原因，采取了更换氧探头，定期进行箔片定碳，更换多用炉的CP演算器等措施。通过这些改进措施，渗碳零件的热处理质量有了很大的提高。