热处理是为提高钢材(工件)机械性能而不可缺少的工艺技术。但是，要将工件加热到适当(目标)的处理温度，需要大量能源。在全社会要求保护地球环境的背景下，“削减能源消耗量及提高生产效率”是热处理工作者永恒的主题。本文就本田技研工业公司在传动齿轮热处理技术中“引入真空渗碳炉”及其应用效果及经验进行介绍。
一、齿轮渗碳淬火的未来发展趋势
本田技研工业公司热处理部门对齿轮表面硬化处理的渗碳淬火技术“未来发展趋势”作了如下描述。
传统热处理开始时分成前、后工序，对任何零部件，都要考虑用相同的热处理设备来处理。但是，这样就阻碍了前后工序的同步性，产生许多工件的库存，成为全部零件提高生产率的障碍。未来热处理的发展态势应该是向串接式(直通式)处理发展，重要的是找到适合被加工零件的最佳热处理生产线形式以及相关技术(见图1)。
图1 渗碳淬火工艺未来发展态势及相关技术
热处理的串接化(直通化)要如何压缩前后工序的生产节拍差以及缩短渗碳时间是一个至关重要的课题。对此，高温渗碳是有效的方法(在生产方面，真空渗碳可通过真空绝热形成高温以谋求缩短处理时间),就热理设备而言，应该拥有耐受高温式结构和具有容易真空渗碳的有利条件。
二、引进真空渗碳炉的目的与优缺点
由于热处理设备的危险性以及操作上需要专业的知识与技能等原因，多数企业将热处理设备集中在1处地方进行管理。该公司也自创始以来基于同样的考虑，设置热处理车间，按照“(热处理)工序完成方式”开展生产活动。但是，随着当初规划的生产量的增加，物流效率差的问题突显出来，因此，在重新评估(修改)企业内的综合物流的同时，研究了向“热处理车间完成方式”的转换。
为了避免在同一企业内分散设置气体渗碳炉的风险，分析结果认定真空渗碳方式是最佳的，在为适应增产需求而引进新渗碳设备时，选择了引进真空渗碳炉。
此外，将在各工厂(车间)设置传统的气体渗碳炉的情况与设置真空渗碳炉的情况进行了比较，在基本建设投资方面，真空渗碳炉的费用较高，但由于无须在包括周末在内的节假日等配备保安人员看护，所以，根据25年间总经费相比较，判断真空渗碳炉具有优势。在热处理件质量上最大的优点在于不产生晶界氧化层，真空渗碳件比气体渗碳件(平面) 的强度可提高10%(见图2,小野式旋转弯曲疲劳试验)。
图2 旋转弯曲疲劳强度试验结果
由于没有气体渗碳那种布德奥反应(指碳的氧化反应即贝-波反应),所以，真空渗碳产品的锐角部位容易形成过渗碳，存在受到渗碳条件的设定及产品形状制约的问题(见图3)。
图3 基于边角的强度比较
三、真空渗碳的应用与效果
真空渗碳设备引进日程：这次引入的真空渗碳炉相比于连续气体渗碳炉可以大幅度缩短引进设备的时间。其原因是在设备制造厂家内设置了专用的试验炉，在设备制造(订 购)过程中，可以着手开展各种试验。这种方式能够做到试验炉与购入炉的质量没有改变，能够重新确认产品质量重现性的程度。
质量达标(成熟)的日程：真空渗碳关键是如何针对产品的表面积引入适当的渗碳气体。假如渗碳气体量低于需求的量，则炉内气氛失去均匀性，会产生工件的局部渗碳不均匀等问题，相反，如果渗碳气体过多，会产生不利于渗碳的碳黑(煤烟子),导致排气系统堵塞，工艺性能恶化。因此，最佳的渗碳气体量的设定是至关重要的(通常的方法是工件加热到规定的温度，均热后，将渗碳气体直接导入炉内渗碳，然后，停止供气作扩散处理，将高的碳密度调整为恰当的碳质量密度，要合理设定渗碳时间及扩散时间)。
但是，生产的零部件多种多样，要确定适合各种零部件的热处理条件，需要非常多的人力。这次引进的真空渗碳炉附带设定热处理条件的仿真软件， 通过输入产品必需的信息，能计算出渗碳气体导入量、渗碳时间、次数等必要的热处理参数。
由于输入产品的信息是材质和产品总表面积 (单个工件的表面积×1批次处理工件数),所以，正确把握产品的表面积是最重要的。在该公司，像齿轮这种外形复杂的零件，也使用3D(三维)图纸，因此，对齿轮表面积的获取是以3D图纸的计算值为基础的(见图4)。
图4 齿轮热处理条件仿真软件应用实例
根据该计算结果进行试验，确认了可以在1次试验中获得与气体渗碳同等的品质。但是，在齿尖(齿顶)锐角部容易产生渗碳体(Cementite),解决这一问题需要耗费许多时间。
由于真空渗碳的渗碳工艺与气体渗碳有所不同，所以，可以解决工件锐角部位容易引起碳集中的问题。解决方案是可采用脉冲渗碳方法，在进行仿真计算时，不但对工件的平面部(例如齿轮的轮齿中部)进行仿真，而且，也要将齿面锐角部位的碳质量浓度变化作为仿真对象，进行热处理条件的设定。 在气体渗碳中产品整个表面的碳质量浓度是大致相同的，而真空渗碳在理论上是做不到的。因此，规定在真空渗碳处理时，工件平面部碳质量浓度的设定比气体渗碳时低。
通常情况下，只要碳质量浓度达到0.6%以上时，工件的硬度就会是相同的，确认了碳质量浓度达到0.6%以上的程度，即便降低碳质量浓度，对产品质量也不会造成影响。
操作人员熟练掌握技术的时间：引进的真空渗碳处理设备在压缩操作人员熟练掌握操作技术的时间方面，也是具有优势的。这次，考虑引进设备运转的需要，针对没有热处理经验的操作人员做了上岗前培训，即从热处理工件质量确认到设备操作的全过程进行技术培训，做到了在3个月的短时间内，达到熟练掌握操作技能，且由1人即能单独操控设备运转的水平。其原因在于真空渗碳炉内在减压条件下只有微量的渗碳气体，即使万一发生故障，也不需要处理渗碳气体方面的知识。 在操作普通气体渗碳炉中最难以熟练掌握的技能 (技巧),即应对故障的培训和教育，而在使用真空渗碳炉时无须进行，这对于设备管理监督人员而言减轻了很大压力。
此外，针对发生设备异常，可按其使用指南(手册)的提示处理方法实施维修保养，所以，操作人员通过这样的“危险性少的设备”以及“生产支援系统”,能够安心地进行设备操作。
环保性能：接下来，介绍真空渗碳炉的环保性能。对该企业拥有6条渗碳炉热处理生产线(含气体渗碳炉和真空渗碳炉)进行了比较。按照处理1kg产品(工件)产生多少CO2来评价能量消耗率。得知这次引进的真空渗碳炉相比其气体渗碳炉效率是最好的设备，可以获得削减CO2排放量50%的效果。而最大的不同是该设备本身还有绝热性高等特征，在休息日的保温能量消耗少从而实现节能。
设备引进时的问题及性能维持：关于设备的制造与规格，由于是日本首批真空渗碳炉发生过图纸设计阶段的问题。定期更换零部件未达到规定工作寿命等有设备特有的问题。但是，通过改进措施，并向设计制造部门反馈信息，进而达到设计图纸规格要求，同时改善消耗件的规格， 不断延长其工作寿命，目前没有大的遗留问题。
但是，设备本身的检修还缺乏经验，对今后应实行怎样的判断，正在开展讨论。在决定真空渗碳工件质量的主要原因中，影响最大的是由于设备老化造成的温度波动，温度波动如不实施设备检修是不能恢复正常的。因此，每个设备的绝热性是重要的管理项目，可以预测各个渗碳室内绝热性的老化程度并不相同。因此，考虑将每小时的消耗电能趋势管理作为实验检修时的判断依据(材料，见图5),由于只有炉内的损伤状况(信息)，并不能对气体渗碳炉故障进行客观的判定，所以，今后如果能将(考虑了消耗电能)这种判断方法有效应用于气体渗碳炉，则判定结果会更准确。
图5 判断真空渗炉的大修 (Overhaul:OH)时的思路
对后续工序的影响：真空渗碳不同于气体渗碳的最大亮点是：工件表面不会引起晶界氧化，不会产生淬火异常层。至于工件外观上的差异，在渗碳淬火处理后经回火处理，真空渗碳件展示出高亮度的特点。乍一看，经真空渗碳处理的工件，呈现出极高亮度的美感，而在后续加工工序中在加工部位时，有时候会受其很大影响。尤其是在普通的切削及磨削加工情况下，原来担心对刀具寿命及加工时间产生影响，但却反倒获得了良好的效果。但是，通过真空渗碳处理，并不会产生柔软的淬火异常层，所以，像内孔珩磨加工那种加工余量少，在采用不提高切削速度的加工方法时， 容易受到加工时间增加等的影响。通过磨具(砂轮)及改善加工条件，也能够实现接近于气体渗碳工件的加工时间，但是，这需要精加工技术人员的理解与支持等，不是只靠热处理能解决的问题。以上论述了对后续工序的影响，对于组合型的零部件，有时也会受到制约。由于真空渗碳零件的外表面较坚硬;所以，当其配对零件是以气体渗碳为基础进行设计的情况下;有时，配对零件的硬度，也会设定得低一些。这种情况下会增加配对零件的磨耗量。所以，与研磨表面等精加工面相接触的零部件还好，但是与渗碳淬火表面直接接触的零件，在应用时需要进行充分确认。工件质量保证方法：就气体渗碳而言，对于齿轮多采用5点法及10点法(1批工件中抽取5或10个试样做检测)进行质量确认。那是由于装炉的工件中心部的温度上升最慢，从而在工件的端部位置温度上升最快的缘故。气体渗碳时，由于默认炉内的热处理气氛是均匀的，通常利用这种温度波动(或偏差),把握工件质量的波动。但是，真空渗碳条件下，炉内温度达到均匀时还没有开始渗碳，所以，用这种方法保证渗碳齿轮的质量并不合适。在真空渗碳的情况下，必须对整个零部件做破坏检查(指每1批次处理工件抽取5~10个工件做试样进行破坏试验),但在实际操作中进行这种检查需要很多时间，在批量生产现场是不可行的。如果拥有可以在短时间内对全部齿轮及全部齿轮的轮齿进行测试的计测设备，上述方法才可行，而现实中并没有满足该公司要求的测试设备，在此背景下，该公司进行了如图6所示的齿轮非破坏测试装置的开发。
图6 齿轮用硬化层深度的无损测定装置
该公司对真空渗碳炉处理的各零件进行条件设定时，要运用本测试装置测试全部齿轮、全部轮齿，确认每1批次装炉工件内的质量波动。这种情况下，要对被认为渗碳层最深的齿轮的轮齿和被认为渗碳层最浅的齿轮的轮齿进行破坏检查，以把握同一批次装炉并处理工件内的渗碳深度的波动。根据该方法，以往1批装炉工件中要抽取10个样品进行破坏检查，而现在1批装炉并处理的工件中抽取2个样品进行破坏检查，就能够充分保证产品质量。
真空渗碳炉是再现性非常高的设备，日常最大的变动点是节假日处理炉停止工作。因此，该公司规定，针对休假结束后复产的第1批次装炉处理工件，进行实物的质量确认。因为该设备可以查出渗碳深度变浅的部位，用无损检测设备对该部位所属工件进行测试，规定要对被判断为渗碳深度最浅的齿轮的轮齿进行检测。
其他方面，按照一定的频度处理专用试件(test piece),从设备的管理项目无异常的专用试件的质量发展趋势管理，到有条件管理进行实物的质量保证(确认)的方法都在应用。由于真空渗碳与气体渗碳工艺在同一批次装炉处理工件内发生渗碳层深度波动原因不同，所以，适应于真空渗碳的质量保证方法是不可缺少的(见图7)。
图7 真空渗碳炉工件质量保证方法
耐锈蚀的能力(坚韧性)：由于气体渗碳是在还原性气体中进行渗碳，所以， 一般来说产品表面耐锈蚀能力较强。也有文献指出，相反，表面上有氧化膜时，在同一条件下硬化层深度更深。
那么，真空渗碳对锈蚀的影响会是怎样呢?在同一产品的半周使之生成红锈，验证了该情况下锈蚀对硬化层深度的影响。验证结果如有关文献所述 一致，表面出现氧化的部分对碳的吸附良好，相比没有红锈的部位，硬化层深度更深。
如想象中的有红锈部位的吸附率更高那样，产品表面生成了红锈的部位，可看到有明显的碳黑附着。真空渗碳也同样获得相同品质，其耐锈蚀能力并不差。不过，相比气体渗碳真空渗碳，工件表面碳黑的附着更多些，在真空渗碳处理中导人最佳渗碳气体数量的条件下，若工件上存在许多严重的锈蚀， 硬化层深度也会变浅。
推测在批量生产现场并没有需要处理大量生锈的产品，处理这种零部件时，需要增加日常检查中的检查数量(加大工作量),真空渗碳工艺有效应用于批量生产中的时间并不长，即使在日本，实际应用的实例也不多。
总之，热处理工艺也还有掌握不到的一些层面， 在技术人员中也有不适应技术发展的趋势。但是，由于普通气体渗碳中，所期待的条件管理遇到瓶颈，因而气体渗碳技术停滞不前。而真空渗碳需要将渗碳气体削减到极限，为了解决由此而产生的众多课题，需要集思广益，攻坚克难。