传统的齿轮轴热处理工艺靠气氛渗碳、油淬火、回火等工艺来获得满足设计要求的零件，但热处理设备开停炉时间周期长，满载生产时设备故障往往会导致大批零件报废，产生大量的二氧化碳气体排放，该热处理方式的零件往往需添加清理抛丸工序去除热处理后残留的油垢和氧化皮，员工作业环境较差，使用不便的同时大大增加了零件生产成本及周期。本文主要介绍目前世界上具有先进水平的真空热处理加工生产线在双离合变速箱齿轮轴热处理上的应用优势。真空是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态，即一个标准大气压：1.013×105Pa。真空状态与大气状态相比，主要特点：单位体积中分子数量较少；在气体内部气体分子之间碰撞的次数较少；气体分子撞击容器壁的次数较少。真空状态下气体的稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示，真空的类型及压力单位换算见表1。表1 真空类型
注：1bar=1000mbar=0.1MPa≈1个标准大气压。
我公司于2015年引进德国ALD模块化真空热处理生产线，系统布局如图1所示。
该套系统由前清洗机、预氧化炉、渗碳主炉、淬火室和回火炉组成，外围包含真空泵组系统、氦气回收系统和冷却系统等辅助设备。
该生产线渗碳工步由单独的炉室完成，可根据产品产量需求自由选择渗碳主炉数量，一条线最高可同时对应13台渗碳主炉的生产；淬火系统由淬火室和移动室组成，淬火室负责零件淬火工步，移动室负责与渗碳主炉之间的物料运输；前清洗机、预氧化炉及回火炉采用爱协林常规热处理设备，渗碳主炉、淬火室及生产线控制系统采用德国ALD，前清洗与预氧化、预氧化与渗碳主炉、淬火室与回火炉之间由ETS小车运输连接。
该系统是在低压真空下，采用脉冲渗碳方式，通过多个强渗（通入渗碳介质乙炔）+扩散（通入保护气体氮气）与一个集中扩散过程，实现渗碳过程并满足产品渗碳层深度和金相组织的要求。零件渗碳完毕后通过移动室进入淬火室，瞬间通入大量氦气并使气体高速流转达到冷却淬火目的，具体工艺过程如图2所示。
脉冲渗碳工艺参数根据零件装炉的表面积总和、零件材质、层深要求由模拟软件模拟得出，参数包括渗碳温度、渗碳脉冲次数、脉冲时间和脉冲工艺气体流量等。
根据使用真空热处理生产线和双规连续式气氛热处理生产线后对比总结，真空热处理生产优势如下：
（1）连续炉热处理零件出炉后有氧化皮及油垢残留；而真空生产线渗碳在真空环境中进行，并采用气体淬火，全过程无氧化，无淬火油，故出炉后零件表面光洁，无氧化皮，呈“土豪金”颜色，如图3所示。
图3 出炉后颜色
（2）金相组织无晶间氧化，零件表面抗疲劳性能好。连续炉生产非马氏体组织常在0.02~0.025mm之间，而真空热处理零件几乎无非马氏体组织及内氧化，如图4所示。
图4 金相组织
（3）真空炉零件较连续炉零件热变形小。真空炉采用气体淬火，全程只有对流冷却过程，热传导系数始终保持不变，而油淬火冷却过程有膜沸腾、泡沸腾、对流三个阶段，各阶段传热系数都不相同，如图5所示。
（4）生产相同的零件工艺时间短，能效高。我公司连续炉与真空炉生产效率对比，根据零件所要求的有效硬化渗层不同，真空炉生产零件的时间比传统的连续炉要节省40%～60%，装炉量比传统连续炉多50%～60%，且真空炉的最高渗碳温度可达1050℃，大大提高了渗碳效率，且工艺灵活可调，真空炉想要达到不同的渗层，只需调整单个工艺过程中的气体流量及时间，无需像连续炉要等待空炉、切换程序、稳定碳势这样复杂过程，效率对比如图6所示。
（5）作业环境好，生产污染少。传统的连续炉（见图7）需明火烧炉内废气，有二氧化碳排放，需要大量清洗剂清洗热处理后零件，整体作业环境较差。
真空炉则不会存在相关问题，全程无油、无氧化，零件不需清洗，我公司真空炉采用乙炔作为渗碳介质，无二氧化碳排放，乙炔分解公式如下：C2H2→[C]+H2
6DCT250双离合变速器内输入轴结构如图8所示，其热处理车间生产工艺流程为：热处理→清理抛丸→强力抛丸→校直→内孔清洗。
因零件结构及传统热处理工艺限制，导致该零件清理抛丸后中心孔内会残留大量钢丸粘附，严重影响该零件装配质量，为解决该问题，我公司前期特意增加一道内孔清洗工序，进行100%人工清洗该零件内孔，不仅劳动强度大，且工作效率低下。我公司引进真空热处理线后，计划将该零件转产至真空炉热处理，真空热处理零件表面光洁，无需清理抛丸工序，零件中心孔内不会有钢丸残留，无需人工100%清洗内孔。转产后该零件工艺流程如下：热处理→强力抛丸→校直。转产后大大提升了该零件的生产效率，降低了生产成本。以下是验证过程。（1）挑选两根内轴搭载真空炉正产，有效硬化层深要求相同的轴类零件进炉热处理，初步观察该零件真空热处理的金相组织状态，金相组织合格，表面硬度合格，心部硬度合格但偏下限（心部硬度影响因素为材质淬透性、淬火压力等），见表3。
表3 金相报告数据
（2）设计采购一套专用工装进行九点及满足试验，考虑该零件的结构、装炉量及真空炉的渗碳淬火方式，本次工装不采用立柱中心孔定位，而是采用大联齿轮端面定位，如图9所示。
图9 工装
1.锁扣 2.承重盘 3.隔套70 4.隔套100 5.立柱 6.底盘
（3）第二轮热处理九点验证，确定调整后机加工参数、热处理工艺参数后，其中淬火压力由10MPa变更为14MPa，零件热处理后轴向尺寸、金相报告合格，心部硬度较高，见表4。表4 金相报告数据
（4）满炉小批量试制，跟踪九点热变形情况，同时跟踪零件装机情况。小批量试制合格，如图10所示，为真空热处理后零件状态（表面光洁，呈“土豪金”颜色）。
图10 真空热处理后输入轴
（5）因热处理属特殊加工过程，基于上述数据该变更上升至设计变更会议评审，确认做两台DP2（齿轮轴耐久性试验）试验，耐久试验合格，试验后拆解零件如图11所示。
图11 试验后齿轮
（6）变更实施，相关效益见表5，初步可节省约50万元。表5 DCT250内轴转真空炉改善效益
通过以上理论及实例介绍，大家应该可以初步了解真空热处理及真空生产线的优势。我国在20世纪70年代就开始引进真空热处理设备，经过多年吸收发展，在真空热处理领域取得了长足进步，但与世界先进水平相比还有一定差距。类似本文所述的大型真空热处理生产线较少，相关方面人才储备也不多，导致对该类生产线的相关经验较少。我公司当初引进真空热处理生产线时，因为对该类生产系统熟知程度低，各类人员均是远赴欧洲本部学习了解真空生产线，项目时期全程跟踪学习总结，方能在既定时间内完成项目工作，经过近3年的使用积累了一点经验，在此基础上完成本文，希望为行业内同仁提供借鉴与参考！
