随着汽车零部件产品要求的复杂化，需要同时攻克产品质量、成本、产品率、交货期、环境友好、安全性能等一系列课题。在此，就汽车自动变速器（以下称AT）研发实例进行介绍，同时对热处理技术与汽车零部件的进步进行论述。1 AT产品制造环境的变化爱信AW有4速、5速、6速、8速AT以及CVT（无极变速器）等。伴随着时代的需求，爱信不断地开发、生产出AT新产品，对AT的动力性能、燃油性能、平顺性、耐久性、尺寸、重量等品质特性以及包括成本、交货期等的要求越来越苛刻。2002年，世界上最先实现商品化的前端发动机传动式（以下称FF）6速AT，其内部构造是以前4速、5速AT所没有的复杂形状，增加了高功能零部件。同时为实现轻量化、小型化增加了超薄形状的零部件，主要零部件数量超过500，应保产品质量特性超过1万项。这些特性中任何一项有欠缺，就不能达到AT性能的需求，成为不良品。对产品质量的要求极其严格。近年来，除产品质量之外，产品制造方面QCDES（产品：强度提高18%和变形降低40%、生产技术：处理时间缩短55%、空间：产线缩短40%和交货期大幅缩短、环境：CO2降低40%和稀有金属用Mo替换、安全：无烟、无油）多项难题必须同时攻克，要求产品制造高精度化。2生产革新2.1产品制造课题以前的产品制造是忠实地按照设计图制造。设计基准是以原来的工作方案为基准确立，按照这种设计基准设计的产品图进行生产，和以前的工作方案对应就可以了。但上述FF 6AT等要求严格的产品，采用以前的设计基准以及设计实际成果范围内的设计，很难制造出产品。这样的部件采用以前工作方案制造产品是行不通的。为了实现部件的高强度化，需要采取延长热处理时间、材料中需要添加很多的稀有金属等手段。这种手段尽管能够确保产品特性，但会造成工序的能耗增加，导致产品成本上升。另外，由于稀有金属消耗增多，CO2排放量增加，导致环境负荷增大。为了生产出轻量化、小型化、超薄形状的部件，热处理应变增加，引起精度不良，通过全数检查选择，不良品增加。同时由于增加了全数检查工序，成本上升，降低产品竞争力。2.2生产革新的实现为了同时攻克QCDES难题，必须进行“生产革新”。而推进产品制造技术的进步，需要探索革新性工作方法。从计划阶段开始到产品设计、实施设计变革（以下称SE活动），以革新的工作方法为前提的产品图纸制作效果俱佳。这种做法是产品图设计出来后，与产品制造的基础性课题配研，实现生产革新的完成并进入生产线。通过追求产品制造技术的提高与以SE活动为中心的生产革新，逐步达到QCDES课题内容同时攻克的效果。3致力于低渗碳爱信AW研发了低碳渗碳工序（以下称低渗碳）。采用以前工艺方法气体渗碳淬火的FF 6速AT部件，通过SE提案实施了设计变更，自2006年采用了低渗碳，达到了量产化。3.1低渗碳的概要所谓的低渗碳就是能够短时间处理，节能，并且采用绿色的“高频淬火”，与弥补其弱项的“真空渗碳”组合成的复合热处理。3.2 低渗碳的革新性能3.2.1水淬的探讨低渗碳淬火工序是内置于高频加热装置的“单腔流”水淬。这种水淬与以前气体渗碳所采用的油淬相比，冷却速度快，可以实现原材料的低合金化与减少渗碳量。相对于以前气体渗碳表面碳浓度（约0.8%），低渗碳时可实现0.6%的轻渗碳化，且渗碳时间大幅缩短。3.2.2小型真空渗碳装置通过水淬实现了轻渗碳化，即使渗碳与扩散加起来也只需约1h短时间处理。如此短的处理时间，即使是小型真空渗碳装置，也能确保高生产率。另外，如果实现表面碳浓度约0.6%的轻渗碳，即使斜齿轮等有锐角棱的部件，过剩渗碳的担忧减少。而且，没有必要在真空渗碳装置附近设置淬火装置。真空渗碳装置设计简单，实用性强。因此，真空渗碳室与后面工序的为了缓冷的氮气冷却室共用。小型、简单的低渗碳装置是与IHZ共同开发成功的。由此实现了无车架、无油式、无槽、无不稳定的热处理环境。渗碳工序两段设置，即使设置后，也可以变化设置方案。3.2.3小型高频淬火装置追求高强度、高精度的汽车零部件高频淬火，以前采用高频率、大功率的高频电源，通过短时间加热，常规方法是将表层高频淬火，利用表层与内部金相组织差导致的体积差，在淬火表层给予压缩残留应力，同时实现高强度化与高精度化。但这种方法必须在较短的时间内奥氏体化，针对高频淬火原材料实施预先调质，将金相组织细分，高频加热温度取奥氏体区域的高温侧，必须在短时间内奥氏体化。比如，斜齿轮进行高频淬火时，针对原材料调质时的弊端，必须留意热处理前的切齿轮工序时刃具寿命短缩或生产率降低。同时也必须注意高频加热时锐角棱部的过热熔化。原材料、机械加工、高频淬火各工序中必须进行经验性高精度微调。低渗碳高频淬火预先在高频原材料外表层存在有0.6%的碳。渗碳层之内是母材碳素量。如果是通常的粗糙过烧钢，只存在0.15%-0.25%的碳。这样如果是高频原材料，即使不特意通过短时间加热进行表层高频淬火，而是进行比较深范围或者是部件整体加热，对应表层部分的渗碳层，能够得到极其清晰的硬化层，使表层部分的压缩残留应力也得到稳定。即，高频加热时间只要调整为均匀奥氏体化所需的充足时间即可，未必需要高频大功率电源。这样，能够省去原材料的调质，可以选择实施机械加工性良好的原材料。另外，原材料锻造工序也无需选择冷热。低渗碳采用共同开发的较小功率、低频、价格低于以前产品的小型高频淬火装置。这种小型高频淬火装置内置有过电式非破坏检查功能来保证产品质量。由以前的筛选保证发展到全数保证，保证水平提高。包括低渗碳的高频淬火，没有以前那种制约条件，能够比较容易地得到高强度、高精度以及高质量产品。3.2.4热处理变形控制低渗碳时，通过真空渗碳缓冷与高频淬火双热工序，会发生两次热处理变形。如何控制这种热处理变形成为低渗碳的关键。第一次热工序是真空渗碳，渗碳处理后的冷却采用大气压以下氮气减压缓冷。此时，没有发生马氏体转变，主要是珠光体转变。虽然说是珠光体转变，通过氮气流上风、下风的冷却速度差，相变开始同步偏移产生热处理变形。解决策略是利用真空渗碳装置的特征，从缓冷开始直到渗碳层开始转变，用减压氮气缓慢地冷却。这样缓冷可以将热处理变形降低一半。第二次热工序是高频淬火，一直以来热处理变形控制积累了丰富的经验。另外，低渗碳时，无需短时间加热，奥氏体区可以使用防止过热现象发生的低温均热加热，热处理变形控制的自由度增加了。FF 6速AT出现的复杂形状及超薄零部件，通过采用低渗碳以及控制热处理变形，能够确保比较高的精度。3.2.5高强度化实施低渗碳的零部件与原来气体渗碳零部件相比，实现了高强度化。其主要因素有以下4种：1）通过采用真空渗碳、排除晶界氧化；2）通过真空渗碳+水淬组合排除渗碳异常层；3）通过渗碳+高频淬火的复合作用，形成轮廓硬化层（零部件表面能够实现高硬度且具有压缩残留应力）；4）通过两次热处理工序，晶粒细微化、均匀。这样，低渗碳通过利用两次热处理，发挥了良好的复合作用，比原来气体渗碳的零部件耐疲劳强度提高了13%。并且，通过与低合金钢MSB20组合，耐疲劳强度提高18%。3.2.6低渗碳专用低合金钢MSB20的开发本公司和新日铁住金、爱知制钢共同开发了低渗碳专用、修改了合金设计的低合金MSB20钢（见表1）。这种低合金钢的主要特征有4点：1）不含钼、铬；2）通过添加硼达到晶界强化；3） 通过添加硅赋予退火软化阻抗；4）渗碳时没有特别的结晶粗大化。由于低渗碳是真空渗碳与水淬的复合处理，这样的合金设计成为可能。这种钢材使用低渗碳，与以前气体渗碳相比，疲劳强度约提高18%，同时降低了稀有金属消费量。当然热处理工序之前的机械加工性能良好。3.3低渗碳的成果3.3.1热处理技术与AT部件的进步低渗碳是“高频淬火”，与弥补其弱项的“真空渗碳”组合的双热负荷热处理。最初只着重于这一点开发。到2006年，上述的FF 6速AT行星式内齿轮使用低渗碳达到了量产化。而这种行星式内齿轮使用以前的制造方法，存在强度不达标、精度不良的情况。但是用低渗碳，QCDES课题内容同时攻克。之后，积极致力于生产革新，随着技术开发不断推进，整合渗碳与高频双热处理的原理、规则，探讨热处理、材料技术，加之SE活动的推进，通过使用材料的低合金化及热处理变形的控制，攻克了高精度化、超高强度化，高频淬火装置与低渗碳装置的更加小型化等多项技术难题。随着低渗碳的推进以及零部件的SE活动积极展开，反而设计的自由度增加了。之后低渗碳的适用部件增加了。如今，出现了以事先低渗碳得到的特性为目标设计的零部件，如果没有低渗碳就不能成立。低渗碳使复杂化的AT零部件的设计成为可能。3.3.2产品制造现场的变化烟雾、油远离了热处理现场，低渗碳工序与机械加工工序不分离，设置在其生产线侧就可以操作。另外，如果生产设备台数发生变动，车间线路可以重新设置，而以前气体渗碳时线路移动几乎是不可能的。低渗碳时生产线可以移动，可以设置在车间的第二层。产品制造方面QCDES难题也可以同时攻克。通过这种生产革新，改变了以前渗碳淬火概念的热处理诞生，从而改变了产品制造的现场。4结语复杂化的QCDES难题同时攻克必须积极致力于生产革新。本文介绍了低渗碳工艺，但还有很多课题需要探讨。今后我们将坚持不懈地致力于生产革新，继续探索没有攻克的近终形产品制造，确立近终形热处理技术，实现汽车零部件的更加完美化。
来源：世界金属导报
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