CN101180416A - 低压渗碳氮化方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对放置在保持降低内压力的炉膛(14)中的钢工件渗碳氮化的方法，其中该工件保持一定的温度等级。本发明的方法包括第一和第二步骤的交替，只在第一步骤期间，渗碳气体注入到炉膛内，而只在至少两个第二步骤中至少一部分期间，氮化气体注入到炉膛内。

Description

低压渗碳氮化方法和设备
技术领域
本发明涉及用于加工钢工件的方法，更具体地说，本发明涉及渗碳氮化方法，即把碳和氮引入钢工件表面上，以提高它们的硬度和疲劳特性。
背景技术
目前有几种用于渗碳氮化钢工件的方法，这些方法能够把碳和氮引入在工件表面上，可渗入到数百微米的深度。
第一类渗碳氮化方法即所谓的高压渗碳氮化方法，这是由于在整个加工时间里，容纳要加工工件的炉膛维持在通常接近大气压力的压力。例如，这种方法包括：把工件保持在例如大约880℃的温度等级，同时把由甲醇和氨形成的气体混合物供应给炉膛。渗碳氮化步骤后面接着进行淬火步骤，例如油淬火以及可能的话使加工工件加工硬化。
第二类渗碳氮化方法即所谓的低压或者降低压力渗碳氮化方法，这是由于包含要处理工件的炉膛维持在几百帕斯卡(几毫巴)以下的压力。
第2004/0187966号美国公开文件描述了低压渗碳氮化方法的两个实例。
图1相应于第2004/0187966号美国专利申请的图5(a)，示出了在炉膛内温度变化曲线10，其中，根据第一实施例的渗碳氮化方法包括实施七个连续步骤I至VII。要处理的工件受热(步骤I)直到温度等级12，并维持在该温度等级12(步骤II)以获得工件的温度补偿。通过把乙烯和氢气混合物注入到炉膛内，在温度等级12进行渗碳步骤(步骤III)，然后在温度等级12执行扩散步骤(步骤IV)。炉膛的温度接着降低(步骤V)到温度等级12以下的温度等级14。通过把氨气注入炉膛内，在温度等级14执行氮化步骤(步骤VI)。工件最终例如通过油淬火步骤被淬火(步骤VII)。
图2相应于第2004/0187966号美国专利申请的图5(b)，示出了在炉膛内温度变化曲线16，其中根据第二实施例的渗碳氮化方法包括实施四个连续步骤I′-IV′。步骤I′和II′分别相应于第一实施例的步骤I和II。步骤III′相应于在温度等级18执行的渗碳氮化步骤，在此步骤期间，乙烯、氢气和氨气的气体混合物被注入到炉膛内。步骤IV′相应于油淬火步骤。
第2004/0187966号美国公开文件中描述的第一渗碳氮化方法实例的缺陷在于，在渗碳温度等级以下的温度等级，在渗碳步骤后执行氮化步骤。总处理时间因此过长，这使这种方法在工业范围内的应用变得困难。
在第2004/0187966号美国公开文件中描述的第二渗碳氮化方法实例的缺陷是由于渗碳和氮化气体同时注入炉膛内而导致。因此很难精确控制炉膛内的气体环境，因此也就很难精确和可重复地控制在已处理工件中获得的氮和碳的浓度分布。
发明内容
本发明提供一种钢工件的低压渗碳氮化方法，其中该方法能够在已处理工件中精确和可重复地获得期望的碳和氮浓度分布。
本发明的另一个目的是提供一种具有与在工业领域中钢工件处理匹配的设备的渗碳氮化方法。
本发明还旨在提供一种低压钢工件渗碳氮化炉，其中该炉能够在已处理工件中精确和可重复地获得期望的碳和氮分布。
本发明的另一个目的是提供一种简单设计的低压渗碳氮化炉。
为此，本发明提供一种用于对布置在保持降低内压力的炉膛中的钢工件渗碳氮化的方法，该工件保持一定的温度等级。该方法包括第一和第二步骤的交替，只在第一步骤期间，渗碳气体注入到炉膛内，而只在至少两个第二步骤中至少一部分期间，氮化气体注入到炉膛内。
根据实施例，渗碳气体为丙烷或者乙炔，而氮化气体为氨气。
根据实施例，中性气体与氮化气体同时注入到炉膛内。
根据实施例，在至少第二步骤期间，在比所述第二步骤持续时间较短的时间里，氮化气体注入到炉膛内，第二步骤的其余过程在中性气体存在下进行。
根据实施例，第一和第二步骤在低于1,500帕斯卡的恒定压力下进行。
根据实施例，温度等级范围在800℃和1050℃之间。
根据实施例，温度等级高于900℃。
本发明还提供一种用于接纳钢工件的渗碳氮化炉，该炉与气体引入和气体抽取装置连接，被控制成保持降低的内部压力，以及包括用于把该工件保持在一定温度等级的加热装置。该引入装置包括在所述温度等级下进行第一和第二步骤的交替期间、用于只在第一步骤引入渗碳气体和只在至少两个第二步骤的至少一部分期间引入氮化气体的装置。
根据实施例，该引入装置包括用于引入中性气体的装置。
附图说明
在下面连同附图的具体实施例的非限制描述中，将详细论述本发明的上述及其他目的、特征和优点，在这些附图中：
图1和2，前面描述过，示出了传统的低压渗碳氮化方法的实例；
图3示意地示出了根据本发明的低压渗碳氮化炉的实施例；
图4示出了根据本发明的低压渗碳氮化方法的实例；
图5示出了根据发明低压渗碳氮化方法的实例在已处理钢工件中获得的氮浓度分布实例；
图6、7和8分别示出了根据本发明的渗碳氮化方法的另外实例和对于这种渗碳氮化方法而获得的碳和氮浓度分布图；以及
图9、10和11分别示出了根据本发明的渗碳氮化方法的另外实例和对于这种渗碳氮化方法而获得的碳和氮浓度分布图。
具体实施方式
本发明包括：在维持基本恒温的装有待处理钢工件的炉膛内，实施碳富集步骤以及碳扩散步骤的交替，在实施碳富集步骤期间，渗碳气体在降低压力条件下被注入到炉膛内；在实施碳扩散步骤期间，渗碳气体注入被间断。本发明包括将碳扩散步骤的全部或者一部分中使用的氮化气体注入到炉膛内。碳富集步骤然后相应于氮扩散步骤。在至少两个碳扩散步骤的至少一部分期间，即在两个碳富集步骤之间的碳扩散步骤的至少一部分期间，注入氮化气体。这样处理的优点是，由于氮化气体注入与渗碳气体注入分开进行，因此这能够精确地和可重复地控制在已处理工件中获得的碳和氮浓度分布。此外，由于氮化气体注入在碳扩散步骤期间进行，因此渗碳氮化处理总时间大致与传统的渗碳过程类似。
图3示意地示出了根据本发明的低压渗碳氮化炉10的实施例。炉10包括限定内部炉膛14的密封壁12，其中布置待处理的负载16，该负载通常是布置在适当支撑物上的大量工件。通过连接到抽取器20上抽气管18，在炉膛14内维持几百帕斯卡(几毫巴)数量级的真空。注入器22能够以分布方式将气体引入到炉膛14内。分别由阀门30、32、34 36控制的气体入口22、24、26、28已经作为实例示出。在炉膛14中的温度可通过加热装置38设定。
图4示出了根据发明渗碳氮化方法实例的在渗碳氮化循环期间、在图3的渗碳氮化炉10的炉膛14中温度变化曲线40。该方法包括起始步骤H，该步骤对应于在装有负载16的炉膛14中直到温度等级44的温度上升阶段42，在该实例中，温度等级44等于930℃，并且通常对应于在大约800℃和大约1050℃之间的温度范围。步骤H后面进行步骤PH，是在温度等级44下对负载16的工件进行温度补偿。在中性气体存在下进行步骤H和PH，其中还原气体可加入到该中性气体中。该中性气体例如为氮气(N2)。例如是氢气(H2)的还原气体可根据在从中性气体体积的1％到5％范围内变化比例来添加。为了安全，期望的是，把氢气比例限制成低于大约5％，以阻止在氢气偶然接触到周围空气的情况中产生任何爆炸的危险。
步骤PH后面是在此期间将渗碳气体注入炉膛14内的碳富集步骤C1到C4以及在此期间渗碳气体不再注入炉膛14内的碳扩散步骤D1到D4的交替。例如，在图4中示出了四个富集步骤C1到C4和四个扩散步骤D1到D4。通过把在炉膛14内的温度保持在温度等级44而进行富集和扩散步骤。在扩散步骤D1到D4期间，把氮化气体注入到炉膛14。对负载10进行淬火的步骤Q(例如气冷淬火)结束了渗碳氮化循环。在步骤H、PH、富集步骤C1到C4和扩散步骤D1到D4期间，在几百帕斯卡(几毫巴)压力下，在炉膛14内维持真空。根据发明的变型，在每个渗碳步骤期间，渗碳气体注入通过脉冲进行。
该渗碳气体例如是丙烷(C3H8)或者乙炔(C2H2)。还可以是任何其他碳氢化合物(CXHY)，这些碳氢化合物可能在炉膛温度下分解，以使待处理工件表面渗碳。该氮化气体例如为氨气(NH3)。参见图3中示意图，碳氢化合物(CXHY)可被供应到达阀门30入口22，氮气可被供应到达阀门32的入口24，氢气可被供应到达阀门34的入口36，而氨气可被供应到达阀门36的入口28。
在一些扩散步骤期间只进行氮化注入。此外，在氮化气体注入的扩散步骤期间，氮化气体注入可只进行扩散步骤的一部分。仅仅在扩散步骤期间，或者仅仅在扩散步骤一部分期间，对于所有富集和扩散步骤，可注入例如氮气(N2)的中性气体。中性气体注入被调节，以保持在炉膛14中的压力恒定。当氮化气体和中性气体同时注入时，该氮化气体和中性气体的相对比例根据在处理工件中期望的氮浓度分布来确定。此外，在氮化气体和中性气体同时注入炉膛14期间，对于每个扩散步骤，氮化气体和中性气体的相对比例可以不同。
根据本发明的可替代实施例，注入炉10的炉膛14内的所有气体或者其中一些可在注入炉膛14前混合。在温度上升步骤H和温度补偿步骤PH步骤，这种变型例如能够直接把包含氢气比例低于5％(体积比)的氮气和氢气混合物注入炉膛14内，这种氢气比例排除了任何爆炸危险。
根据本发明的本实施例，渗碳氮化方法在没有压力变化情况下实施，在富集和扩散步骤期间，渗碳气体和氮化气体(可能的话和/或中性气体)的注入是连续的，而在渗碳气体和氮化气体(可能的话和/或中性气体)之间的替换可能非常迅速发生。
图5示出了根据从工件表面测量的扩散到已处理工件内的氮元素质量浓度的深度分布图的实例，此时渗碳气体为丙烷而氮化气体为氨气。
图6、7和8分别示出了根据本发明渗碳氮化方法的实例以及对于这种渗碳氮化方法得到的碳和氮浓度的分布图，其中该渗碳气体为乙炔，而氮化气体为氨气。在该实例中，在880℃温度等级下进行渗碳氮化。作为一个实例，加热步骤H和温度补偿步骤PH持续20分钟，然后是三个富集步骤C1、C2、C3(分别为123秒、51秒和49秒)和三个扩散步骤D1、D2、D3(分别为194秒、286秒、2,957秒)交替。
图9、10和11分别示出了根据本发明渗碳氮化方法的实例以及对于这种渗碳氮化方法得到的碳和氮浓度的分布图，其中该渗碳气体为乙炔，而氮化气体为氨气。在该实例中，在930℃温度等级下进行渗碳氮化。加热步骤H和温度补偿步骤PH分别持续29分钟和31分钟，然后是五个富集步骤C1到C5(分别为329秒、91秒、80秒、75秒和71秒)和五个扩散步骤D1到D5(分别为108秒、144秒、176秒、208秒和2,858秒)交替。
申请人已经表明在扩散步骤期间氨气注入能够使具有氮的渗碳层的富集深入到数百微米的深度。对于三个示出的实例，获得的氮含量在几微米深度上重量百分比为0.2％数量级。经过数百微米之后，氮含量然后从0.2％慢慢地降低。作为实例，对于前面针对图6、7和8描述的实例，氮浓度在30μm处为0.2％数量级，在60μm为0.14％，在130μm为0.12％在200μm为0.05％。
根据本发明的变型，在温度上升步骤H期间，在炉膛1 4内温度一超过给定的温度，和/或在温度补偿步骤PH期间，可以注入氮化气体。作为实例，当氮化气体为氨气时，在炉膛14内的温度一超过大约800℃，就进行注入。
在碳扩散步骤期间，注入氮化气体仅仅能够使已处理工件的氮和碳富集更好，并能够精确和重复地获得期望的碳和氮浓度分布。实际上，如果氮化气体与渗碳气体同时注入，则出现渗碳气体和氮化气体的稀释。这个因素没有促进来源于渗碳气体或者氮化气体与待处理工件碳和氮的反应，这使工件对氮和碳的富集减慢。此外，如果渗碳气体和氮化气体混合，它难以精确地控制在炉膛14内的气体环境，这使得工件中氮和碳的浓度分布的精确和可重复获得变得困难。此外，对于在相同处理条件下，由于氮扩散到钢工件比碳扩散快，则在不同步骤的氮化气体和渗碳气体的注入更容易修正每种气体的注入持续时间，同时确保在炉膛14内保持恒定压力。
当然，本发明可能具有各种变化和改型，这对于本领域技术人员来说可以想到。例如，先前描述的气冷淬火步骤可替换为油淬火步骤。

Claims (10)

1.一种用于对放置在保持降低内压力的炉膛(14)中的钢工件进行渗碳氮化的方法，该工件保持一定的温度等级，特征在于，它包括第一和第二步骤的交替，只在第一步骤期间，渗碳气体注入到炉膛内，而只在至少两个第二步骤中的至少一部分期间，氮化气体注入到炉膛内。
2.如权利要求1的方法，其中渗碳气体为丙烷或者乙炔。
3.如权利要求1的方法，其中氮化气体为氨气。
4.如权利要求1的方法，其中中性气体与氮化气体同时注入到炉膛(14)内。
5.如权利要求1的方法，其中在至少第二步骤期间，在比所述第二步骤持续时间较短的时间里，氮化气体注入到炉膛(14)内，第二步骤的其余过程在中性气体存在下进行。
6.如权利要求1的方法，其中第一和第二步骤在低于1,500帕斯卡的恒定压力下进行。
7.如权利要求1的方法，其中温度等级范围在800℃和1050℃之间。
8.如权利要求1的方法，其中温度等级高于900℃。
9.一种用于接纳钢工件的渗碳氮化炉(10)，该炉与气体引入装置(22、24、26、28)和气体抽取(18、20)装置连接，被控制成保持降低的内部压力，并包括用于把该工件保持在一定温度等级的加热装置(38)，特征在于，引入装置包括引入渗碳气体的装置和引入氮化气体的装置(22、28)，在所述温度等级下进行第一和第二步骤的交替期间，只在第一步骤引入渗碳气体，只在至少两个第二步骤的至少一部分期间引入氮化气体。
10.如权利要求9的渗碳氮化炉(10)，其中该引入装置(22、24、26、28)包括用于引入中性气体的装置(24)。
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