輸入軸的防滲碳涂料自動涂敷設備設計開發和應用

夏曉宇， 范 欣， 韋漢偉

(廣州豐東熱煉有限公司， 廣東 廣州 510880)

輸入軸是變速箱動力輸入的關鍵零件，既要具有優良的耐磨性，又要具備高的抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞性[1]，因此對輸入軸表面進行滲碳熱處理來提高表面的性能。本輸入軸的法蘭部與對手件需要焊接成形，焊接部位不允許被滲碳，否則會導致焊接裂紋，從而使得輸入軸在服役時產生失效，故輸入軸的法蘭局部要采取有效的保護措施，防止碳的滲入[2]，比如采用防滲碳涂料對該部位進行涂敷保護[3]。

目前常用的防滲碳方式有機械加工法、局部鍍銅、防滲碳涂料[4]。機械加工法一般要在滲碳后不淬火，用機械加工的方法切削掉滲碳層，該法費時、費工序，較少用。鍍銅的方法可靠，但成本高，還有三廢的問題。防滲碳涂料工藝相對成熟、質量可控[5]。根據輸入軸的結構特點，現行的涂料防滲方式可滿足要求，且相對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]。汽車產品對涂敷可靠性和可控性的要求高，有必要研究開發專用的涂敷設備來代替手工涂敷。自動化設備涂敷代替手工作業解決了涂敷過程不可控、重復性差、效率低的問題。避免了人工涂敷的可靠性差，涂層厚度不均勻，容易產生漏滲碳的現象。本次針對汽車輸入軸產品法蘭部防滲碳的涂敷要求，根據現有的技術規范和人體工程學要求設計開發了輸入軸的防滲碳涂料A-C-1-2自動涂敷、快速干燥的專用設備并實現量產[9-10]。

1 產品輸入軸

輸入軸選用SCr420H鋼制造，其化學成分見表1，與國內20Cr鋼相近，生產工藝為：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 輸入軸的化學成分(質量分數，%)

該產品屬于汽車變速箱內的動力輸入軸，其外形如圖1(a)所示。產品的防滲碳范圍和要求如圖1(b)所示，其中粗實線表示需要防滲的范圍，RR面指倒角面，FR面指法蘭面，防滲碳范圍公差小、形狀復雜(有多個回轉面)。

圖1 輸入軸的外觀(a)及產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)

2 防滲碳方法的選用

防滲碳涂料的選擇需從涂料的涂敷性、防滲碳效果、去除性、環境性等綜合考量，根據JB/T 9199—2008《防滲涂料 技術條件》第4部分的分類方法，對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，涂敷時對環境溫濕度敏感，對爐內滲碳氛圍氣和設備有影響。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

結合本輸入軸的防滲碳范圍和技術要求，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備過程：通過涂料和稀釋劑配比，充分混合攪拌，再利用VT-04F粘度測量儀(3號轉子，測量范圍0.3～13 dPa·s)測量涂料的粘度值，使其粘度值在所需的使用范圍內。

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域，且在高溫滲碳氣氛中起到阻隔活性碳滲入的效果，根據JB/T 9199—2008分析在自動涂敷中需充分注意的幾項風險如表4所示。之后清洗時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。

3 自動涂敷方案設計

3.1 自動化涂敷方案的選用

涂敷設備的設計思路：針對涂料的特點及涂敷風險分析，選擇合適的自動涂敷方式才能避免人為作業時產生的不可控因素，為此提出了兩個可行方案：

1)自動注射涂料方案。如圖2所示，涂敷精度高、重現性好、專機定制，設備設計制作和管理維護成本高，注射涂敷加工效率稍慢。

圖2 自動注射涂敷設備Fig.2 Automatic injection coating equipment

2)防滲碳涂料自動涂敷方案。根據產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，將產品與水平線呈24°～37°傾角范圍，在此傾角范圍產品防滲區域可浸入涂料深D后，通過旋轉產品能均勻涂上涂料，且多個產品同時涂

表4 防滲碳涂料自動涂敷中出現的風險

圖4 自動涂敷設備(a)和裝夾產品(b)Fig.4 Automatic coating equipment(a) and clamping product(b)

敷，如圖3(b)所示。根據涂敷效率、效果和設備投入成本，本次采用防滲碳涂料自動涂敷方法。

圖3 傾角范圍和浸深D示意圖(a)及 防滲碳涂料自動涂敷設備(b)Fig.3 Sketch map of dip angle range and immersion deepness D(a) and automatic coating equipment for anti-carburizing paint(b)

3.2 防滲碳涂料自動涂敷設備結構設計

根據該產品的結構特性，設計自動涂覆設備，總體外觀如圖4(a)所示。設備整體由裝夾產品組件、涂料升降組件、測距系統、控制系統、驅動系統組成，其中裝夾產品組件處于涂料升降組件上方，測距系統連接控制系統，控制系統控制驅動系統。

為了解決單個涂敷效率低下的問題，裝夾產品組件需設計在同一水平面的4個回轉轉針，轉針分別插入產品兩端的頂針孔定位、固定，并實現伺服馬達控制產品同步精準回轉的周數。裝夾產品的組件部分，設計了既可傾角可調，又可快速水平滴液的特殊基座，如圖4(b)所示。

由于裝夾產品組件固定在某一高度和角度，通過控制涂料盒上升高度控制涂料浸深，在使用過程中涂料的液面難保持一定高度，需要通過測距系統測量液面高度。測距系統采用高精度的超聲波測距傳感器，通過實時探測與防滲涂料液面的距離，控制系統顯示運算后，由升降伺服馬達實現涂料盒高度的精確控制，其結構及位置如圖5(a)所示。工作時，通過一鍵啟動，控制系統根據測距系統的數據反饋，控制驅動系統，執行如圖6設定好的程序，完成后，裝夾產品組件置水平滴液，浸料結束后保持組件水平狀態下完成。涂敷完成后，由于涂敷效率高，涂料自然干燥的節律可能受氣候影響與之不能匹配，需要設計烘干裝置對涂敷完成的產品進行輔助烘干，如圖5(b)所示，整個生產過程建議在獨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程中超聲波測距(a)和輔助干燥機(b)Fig.5 Ultrasonic distance measurement during rising process of anti-carburizing paint lifting(a) and auxiliary dryer(b)

3.3 防滲碳涂料自動涂敷設備構思

將4支產品裝入帶有勻速轉動機構的專用治具，設定好產品的傾角，程序設定好浸泡深度、工件轉速、旋轉角度、滯留時間，將裝有調配好粘度的涂料盒由伺服馬達驅動上升到產品浸到程序設定的深度，正向旋轉幾周讓浸泡在槽中的產品在防滲碳范圍內均勻被涂上涂料，涂料盒下降，產品置水平，往復的旋轉-停止，如圖6(a)所示，利用重力去除多余的防滲碳涂料，轉移產品到帶有輔熱的干燥機上完成自然干燥，完成一次防滲碳過程，對于防滲碳要求比較高的產品，需要增加涂敷厚度，充分自然干燥后，二次涂敷，過程如圖6(b)所示，這個過程對于本產品必不可少。涂敷過厚或過薄，自然和強制干燥過程中涂料容易開裂、剝落，影響防滲碳的效果，不同季節、地區、溫濕度下，需要調整涂料的涂敷粘度及自然干燥時間、強制干燥溫度及時間。經過測試試驗，本產品的涂敷工藝見表5和圖6。

表5 不同季節、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)過程圖Fig.6 Coating process of anti-carburizing paint for the first time(a) and the second time(b)

3.4 自動涂敷設備涂料浸入深度D公差驗證

通過試驗驗證同一組件中的4支產品在浸入深度設定公差內，其他設定條件不變，涂料涂敷范圍目測、膜厚檢證，滲碳后的防滲碳實際效果和顯微組織腐蝕后的防滲碳范圍檢證，以驗證浸入深度范圍設定合理性，檢證方法見圖1(b)及圖7的要求，驗證結果如圖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

根據圖8所示，在浸深為2.4 mm時，產品的RR面防滲碳范圍超下限，浸深為4.9 mm時，RR面超上限，FR面接近上限，最佳浸入深度設定范圍為2.9～4.4 mm。一次涂敷的4支產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。

3.5 防滲碳的涂料阻硬率驗證

本產品滲碳后表面滲碳層組織主要以片狀馬氏體為主，且有細小Fe3C析出，均勻分布在滲碳層表面，根據GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》屬于1級碳化物分布，如圖9(a)所示；與被滲碳面的顯微組織對比，防滲碳面的顯微組織主要由板條馬氏體為主，無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，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JB/T 9199—2008第5部分防滲性能要求，碳的涂料用阻硬率h來表示，規定h≥80%為合格。h值按式(1)計算∶

(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RR面(a)和FR面(b) 防滲范圍公差驗證結果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 強滲180 min時刻點記錄每一爐的CP值及各氣體組分的變化趨勢Fig.10 CP and variation trend of gas components in each lot of carburizing after 180 min

4 防滲涂料的高溫分解物對氛圍氣和設備的影響

甲醇滴注式滲碳氣氛中，目前碳勢的檢測控制有CO2紅外儀、氧探頭、露點儀，在實際應用中氧探頭響應快、檢測碳勢便捷而被廣泛使用。

針對本產品所使用的防滲碳涂料，在滴注式UBE-1000設備滲碳過程中使用近3年的每一爐的設定碳勢、氧探頭檢測碳勢、紅外儀檢測碳勢、定碳片的計算碳勢和CO、CO2、CH4含量，整理記錄如圖10所示，并將設備爐磚更換時間點也記錄在同一圖中。

甲醇滴注式滲碳氣氛在高溫下的相互反應是十分復雜的，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)

經過觀察發現：使用A-C-1-2涂料后，防滲碳涂料中殘留的有機溶劑，高溫下分解產物CH4的含量達14%～21%，正常滴注式滲碳氣氛中CH4含量2%～8%左右。高濃度的CH4對正常滲碳氣氛產生了干擾：

CH4的副反應(5)式會直接影響滲碳的氛圍氣，因為這時的氛圍氣不再是單純的滲碳氣氛(2)、(3)、(4)、(6)、(7)的反應，防滲碳涂料中溶劑分解物(5)、(8)的副反應也參與，故氧探頭、紅外儀的演算模式變化，自然也就不能直接反應爐內實際碳勢，實時定碳的結果也佐證了這一點。過量使用該防滲碳涂料后，爐內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，進出爐時高溫熔融玻璃體粘連底盤，CH4含量≥18.7%，滲碳產品表面碳化物出現幾率增加。

防滲碳涂料中的無機揮發物及爐磚表面的無機物在爐內氧化氣氛的作用下，形成了偏硅酸鹽，高溫下呈熔融狀態，常溫下為玻璃態。這是長時間使用防滲涂料A-C-1-2，爐內殘留無機物過多引起。以UBE-1000為例，每爐使用量建議≤2.5 kg，若每爐使用量5 kg，抗滲碳磚的玻璃化為10個月左右。爐內殘留無機物增多，CH4值也會逐步從14%上升到18.7%～21%，這時會影響產品的滲碳層深，如若每隔5爐增加了一次burn-off(燒炭)，CH4值下降后仍會上升，burn-off應對CH4的下降不再起作用，更換抗滲碳爐磚后，才會恢復正常。

5 結論

1) 根據產品的防滲碳范圍要求、防滲碳涂料的特性和涂敷風險，自行設計開發制作了自動涂敷設備，滿足了自動涂敷工藝的要求，符合國家標準及人體工程學的要求；利用浸入深度設定公差驗證了設備的工程能力、重復性、再現性；均達成后，進入批量化生產至今。

2) 根據本產品防滲碳的范圍及技術要求，選擇合適的防滲碳涂料，在使用專用設備涂敷本產品的過程中，因季節、涂敷次數變化摸索出了不同的涂敷粘度和自動涂敷工藝；防滲碳的效果根據JB/T 9199—2008《防滲涂料 技術條件》第5部分，防滲碳的涂料阻硬率驗證h=84%，合格。

3) 根據記錄每一爐的設定碳勢、氧探頭檢測碳勢、紅外儀檢測碳勢、定碳片的計算碳勢和CO、CO2、CH4含量，分析各種組分的趨勢與品質關聯性。為防止不良情況的發生，可做出如下一些防范:

①進行多因素趨勢管理，控制爐內的實際碳勢，減少異常滲碳組織產生。

②爐內的碳化硅導軌更換為耐熱鋼鑄件，可以減少高溫下熔融玻璃態物質對設備機械動作的影響。

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。