CN101809184A - 工件的渗碳方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对钢工件，特别是对具有内置表面和外置表面的工件进行渗碳的方法，其中，将工件在850至1050℃的温度范围内保持在含有气态的碳氢化合物的气氛中。使用至少两种不同的气态的碳氢化合物，和/或交替地在渗碳脉冲(13)期间将工件支承在含有气态的碳氢化合物的气氛中，并且在扩散阶段(15、17)期间将工件保持在无碳氢化合物的气氛中。此外，本发明还包括本方法的应用。
Description
现有技术
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的用于对钢工件，特别是对具有外置表面和内置表面的工件进行渗碳的方法。此外，本发明还涉及该方法的应用。
采用给钢工件渗碳的方法是为了使工件表面硬化。为此在工件硬化之前增加低碳钢的边缘层的碳的含量。
例如渗碳是作为低压渗碳进行。为此，为了进行渗碳将工件放置在一个具有作为室的真空炉中。释放碳的作业气体流过这个作业室，为的是增加工件的边缘层的碳的含量。
在作业室中在作业气体，通常是碳氢化合物热分解时的真空渗碳中在单个的作业步骤期间通常是脉冲式地喷入作业气体，其中，作业室交替地被抽真空，和/或经受氮的冲洗。
例如DE-A 10209382公开了这种类型的方法。其中，如此地变化调节和控制压力脉冲期间的渗碳介质的体积流量，即使得应渗碳的工件达到均匀的渗碳。
然而在有些工件中人们可能希望工件的表面具有不同的硬度。例如在DE-A3536452就描述了这点，在内燃机的喷油嘴中就是这种情况。在这里人们希望阀座区域的硬度比外部区域的要小。其中通过下述措施达到不同的硬度，即在渗碳和渗氮或者氮碳共渗之后在对工件进行硬化之前首先去掉已渗碳和渗氮，或者已氮碳共渗的外部壁区的部分层。
这种做法的缺点是首先必须超过尺寸地制造工件，为的是在渗碳或者渗氮，或者氮碳共渗后还能去掉材料。
发明内容
在根据本发明的用于对钢工件，特别是对具有外置和内置的表面的工件进行渗碳的方法中在850至1050℃的温度范围中将工件保持在含有气态的碳氢化合物的气氛中。使用至少两种不同的气态碳氢化合物，和/或交替地在渗碳脉冲期间将工件保持在含有气态的碳氢化合物的气氛中及在扩散阶段期间将工件保持在一种无碳氢化合物的气氛中。
通过不同的碳氢化合物或者渗碳脉冲可对工件的外置的和内置的表面进行不同强度的渗碳。通常对外置的表面的渗碳强度要比内置的表面大。当需要时，通过根据本发明的方法甚至能在希望时对工件的内置的表面根本不进行渗碳，并且只对工件的外表面进行渗碳。
特别是通过下述措施达到减小内置的表面的渗碳，即在渗碳脉冲中工件被保持在含有气态的碳氢化合物的气氛中，渗碳脉冲的持续时间最大为30秒。当在低压中进行渗碳时最大为30秒的渗碳脉冲持续时间是特别优选的。其中，在渗碳脉冲过程中将气态的碳氢化合物喷射到一个容有待渗碳的工件的炉室中。在渗碳脉冲结束时用一种惰性气体冲洗炉室。代替地也可在渗碳脉冲结束时将该炉室抽真空。在冲洗炉室时优选地用氮进行。和炉室抽真空相比用氮冲洗的优点是在冲洗时可更快地将气态的碳氢化合物从炉室中清除掉。
通过渗碳脉冲-在此脉冲中工件被保持在含有气态的碳氢化合物的气氛中-的最大为30秒的持续时间可主要是有针对性地对工件的外置表面进行渗碳。和这种方法相比较，当脉冲持续时间更长时可使所有的表面达到几乎均匀的渗碳。
为了有针对性地调节材料特性也可既使用持续时间少于30秒的脉冲，也可以使用更长的脉冲。因此在较短的脉冲期间主要是使工件的外置表面渗碳，而较长的脉冲是完成工件的所有表面的渗碳。这导致内置表面的较弱的渗碳，外置表面的较强的渗碳。
若为了渗碳使用两种不同的气态碳氢化合物，则可在第一实施形式中在包含有气态的碳氢化合物的气氛中同时包含有至少两种不同的碳氢化合物。然而也可代替地依次使用不同的碳氢化合物。此外也可代替地将待渗碳的工件交替地放置在仅具有一种气态的碳氢化合物的气氛中和具有不同的气态的碳氢化合物的混合物的气氛中。
若在包含有气态的碳氢化合物的气氛中同时包含有不同的气态的碳氢化合物，则可仅在一个加工步骤中将待渗碳的工件放置在包含有气态的碳氢化合物的气氛中。然而优选地，当在气氛中同时包含有多种碳氢化合物时，则可进行多次渗碳脉冲。通过这些渗碳脉冲可比通过同时使用至少两种不同的碳氢化合物还要精确地调节材料的特性。
在根据本发明的方法的另一实施形式中在至少两个依次进行的渗碳脉冲中在含有气态的碳氢化合物的气氛中的碳氢化合物的分压力是不同的。通过在含有气态的碳氢化合物的气氛中的碳氢化合物的不同的分压力也可使外置表面的渗碳比内置表面更加强烈。通过提高碳氢化合物的分压力达到外置表面的更加强烈的渗碳。相应地通过降低在含有气态的碳氢化合物的气氛中的碳氢化合物的分压力使内置表面较少的渗碳。
例如可通过下述措施降低在包含有气态的碳氢化合物的气氛中的碳氢化合物的分压力，即在总压力保持相同的情况下混合进惰性气体。一种合适的惰性气体例如是氮。其它合适的惰性气体是氦或者氩。然而作为惰性气体特别优选的是氮。
也可代替地通过降低总压减小在含有气态的碳氢化合物的气氛中的碳氢化合物的分压力。
也可代替地在压力保持相同的情况下通过添加另一种碳氢化合物来降低分压力。当为了渗碳应使用不同的碳氢化合物时这点特别是可行的。在这种情况中优选地使用用于特别是对工件的外置表面进行渗碳的碳氢化合物来降低分压力。
若为了渗碳时只使用一种碳氢化合物，则优选地这种碳氢化合物是不饱和的。特别优选地这种碳氢化合物是双重地不饱和的。双重的不饱和的碳氢化合物比单重不饱和碳氢化合物能更好地例如渗入到孔中。此外优选地使用短链的碳氢化合物。和饱和的碳氢化合物的不同使用不饱和的碳氢化合物，特别是双重不饱和碳氢化合物也可对工件的内置表面渗碳。然而若只希望对工件的外置表面进行渗碳，则优选地使用饱和的碳氢化合物，或者在必要时使用单重不饱和的碳氢化合物。
然而，为了能有针对性地调节材料特性，可在使用至少两种不同的碳氢化合物时至少一种碳氢化合物是饱和的，并且至少一种碳氢化合物是不饱和的，或者优选地至少一种碳氢化合物是双重不饱和的，并且至少一种碳氢化合物是单重不饱和的。这样，通过饱和的或者单重不饱和的碳氢化合物主要是对工件的外置表面进行渗碳，并且通过单重的、或者优选地双重的不饱和的碳氢化合物既对工件的外置表面，也对工件的内置表面进行渗碳。通过不饱和的或者单重不饱和的碳氢化合物的分压力可调节内置表面的渗碳强度。
若是用渗碳脉冲对工件进行渗碳则可在最多30秒的渗碳脉冲的持续时间时与所采用的碳氢化合物无关地主要是对外置的表面进行渗碳。然而，若使用饱和的碳氢化合物，则也是在相应短的渗碳脉冲时外置表面的渗碳受到支持，内置表面的渗碳受到阻碍。然而，若也应对内置的表面进行渗碳，则优选地使用非饱和的，特别是双重非饱和的碳氢化合物，并结合其持续时间超过30秒的渗碳脉冲。
用于渗碳的饱和的碳氢化合物优选地是C1-至C6-烷。特别优选地饱和的碳氢化合物是甲烷、乙烷，或者丙烷。
非饱和的碳氢化合物优选地是C2-至C6-烯，或者是C2-至C6-炔。特别优选地非饱和的碳氢化合物是乙烯或者乙炔或者它们的混合物。
例如在用乙炔作为碳氢化合物用于对钢工件进行渗碳时表明，其能对内置的表面，例如孔径进行很好的渗碳。然而为此需要将工件足够长时间地放置在含有乙炔的气氛中。若乙炔仅仅是短时间，特别是少于30秒地包含在用于工件渗碳的气氛中，则也在这种情况中减少内置表面的渗碳，并且主要是对外置的表面进行渗碳。
与之相比例如通过使用甲烷或者乙烷也在较长的渗碳脉冲时仅对工件的外置的表面进行渗碳。在内置的表面上仅表现出很少的渗碳作用。
根据本发明的方法，例如通过使用不同的碳氢化合物，和/或使用短的渗碳脉冲能使工件的外置的表面的渗碳比内置的表面更为强烈。
在渗碳之后通常对钢工件进行硬化。为此对工件进行淬火。在淬火中，具有淬火温度的工件被突然冷却。其中，淬火温度在此理解为这样的温度，从它开始工件被骤冷。
例如在油槽中进行这种淬火。然而特别是在低压渗碳时进行一种气体淬火。由此在更强烈的渗碳区域中引起更高的残余奥式体含量。
本方法特别适合生产这样一些工件，即在这样的工件中希望较大硬度的区域和具有较小硬度的区域。在这种情况中较小硬度的区域具有较低的残余奥氏体含量，或者几乎没有残余奥氏体。其特别是在这里被希望，即对尺寸和形状的稳定性有特别高要求的部位。其原因在于残余奥式体比马氏体更软。此外在运行期间，以后的残余奥氏体到马氏体的转变时会导致组织的体积变化。
在一个优选的实施形式中将本方法用于对喷射阀的，特别是燃料喷射阀的喷嘴体的渗碳。这样一种喷嘴体包括一个用于阀座的区域、一个用于阀门元件的导向部和一个外表面。通过根据本发明的方法对外表面和阀门元件的导向部进行更为强烈的渗碳，对阀座区域渗碳较弱。这导致在接着的淬火时外表面和用于阀门元件的导向部具有比阀座区域更大的硬度。
通过对喷嘴体的不同的渗碳特别在外表面和阀门元件的导向部上出现较高的残余奥氏体含量，并且在阀门元件的区域中出现较少的残余奥氏体含量。由于在阀座区域中的残余奥氏体含量低所以能够满足对尺寸和形状稳定性所提出的高要求。在阀座区域中对尺寸和形状稳定性的高要求特别是产生于下述原因，即特别是在自点火的内燃机中出现的高压时必须能使喷射阀密封地闭锁，为的是当喷射阀关闭时没有燃油可通过喷射阀进入到内燃机的燃烧室中。
然而与此相比必须在阀门元件的导向部的区域中提供大的表面硬度。通过大的表面硬度可以减少通过阀门元件在喷嘴体上的运动所造成的磨损。此外，还要求在阀门元件的导向部的区域中有高的强度。这也通过大的表面硬度达到。
通过使用根据本发明的方法通过低压渗碳可如此地硬化喷射阀的喷嘴体，即在阀座的区域中几乎没有残余奥式体存在，通过这一措施可满足所要求的尺寸和形状的稳定性，而在阀门元件的导向部的区域中和在喷嘴体的外表面上取得最大的表面硬度，且相应地残余奥氏体含量也高。
附图说明
在附图中示出了本发明的一些实施形式，在下述说明中对这些实施形式进行更加详细的说明。
这些附图是：
图1：根据本发明的方法的与时间有关的压力和温度曲线图。
图2：喷射阀的喷嘴体。
具体实施方式
图1示出根据本发明的方法的与时间有关的压力和温度曲线
通常是在低压运行情况下实施用于对钢工件渗碳的方法。在对工件渗碳期间的压力通常在1至30毫巴的范围中。优选地压力在4至10毫巴的范围中。
在图1中所示的曲线图中横坐标1为时间t，第一纵坐标3为温度T，第二纵坐标5为压力p。
在根据本发明的方法中，在第一步骤7中将工件加热到渗碳温度。通常渗碳温度在880到1050℃的范围中，优选地在900到1000℃的范围中。在这种情况中，将这样的温度叫做渗碳温度，即在这种温度中工件处于渗碳的气氛中。
在加热到工作温度后在第一保持阶段9将工件热透到渗碳温度。在整个渗碳工序期间渗碳温度11基本保持恒定。
在第一保持阶段9之后进行渗碳脉冲13。和每个渗碳脉冲13相衔接的是扩散阶段15。
在此所示的实施例中在渗碳脉冲13中所使用的碳氢化合物10的分压力为10毫巴。通常在渗碳脉冲13期间的碳氢化合物的分压力在1至30毫巴的范围中，优选地在4至10毫巴的范围中。在每个渗碳脉冲13期间都要通过用工作气体冲洗以不断地进行气体交换。这个工作气体包含用于渗碳的碳氢化合物。此外，工作气体也可以包含惰性成分。
除了仅使用碳氢化合物，优选地C2-至C6-烯或者C2-至C6-炔，优选地乙烯或者乙炔外也可以使用多种不同的碳氢化合物组成的混合物。若使用不同的碳氢化合物，则除了不饱和的碳氢化合物外也可以使用饱和的碳氢化合物，优选地C1-至C6-烷。特别优选地将甲烷、乙烷或者丙烷用作饱和的碳氢化合物。然而优选地使用双重的和单重的非饱和的碳氢化合物的混合物，特别优选地使用乙烷和乙炔的混合物。
在图1中示出的实施例中首先进行三个渗碳脉冲。在三个渗碳脉冲之后进行一个较长的扩散阶段。在这个较长的扩散阶段15之后又进行三个渗碳脉冲阶段13。
除了在图1所示的实施形式之外-在此实施形式中进行了两次的三个渗碳脉冲阶段13-也可以实施少于三个渗碳脉冲或者多于三个渗碳脉冲的渗碳脉冲。也可使在每个渗碳脉冲13之后的扩散阶段15时间一样长，或者在每个渗碳脉冲13之后时间不一样长的扩散阶段15。可分别如此地选择扩散阶段15的持续时间，即在渗碳脉冲13之后在应渗碳的工件的表面上分别出现所希望的碳含量。
在扩散阶段15期间抽出工作气体，也就是含有碳氢化合物的气体。代替地也可以在每次渗碳脉冲之后用惰性气体冲洗在其中进行渗碳的炉室。也可以在扩散阶段15期间同时进行工作气的抽出和炉室的冲洗。
在渗碳脉冲13中例如可将一种纯的碳氢化合物，或者一种碳氢化合物的混合物喷入炉室中。在渗碳脉冲期间除了使用纯的碳氢化合物或者碳氢化合物的混合物外也可以使用碳氢化合物和惰性气体的混合物。
例如氮和稀有气体适合用作惰性气体。
在此在所有的渗碳脉冲13中可使用相同的碳氢化合物，或者相同的碳氢化合物的混合物。或者在不同的渗碳脉冲13中使用不同的碳氢化合物，或者碳氢化合的混合物。
每种任何惰性气体都适合在渗碳脉冲13之后冲洗所述室。特别是在渗碳脉冲13期间在使用碳氢化合物和惰性气体组成的混合气时使用与在渗碳脉冲13期间使用的相同的惰性气体进行冲洗。
最终的扩散阶段17接着最后的渗碳脉冲13。这个扩散阶段的持续时间是如此选择的，即在应渗碳的工件的表面上出现所希望的碳含量。在最终的扩散阶段17期间可将工件的温度降至硬化温度。这用附图标记19表示。硬化温度优选地在800至950℃的范围中，特别是在820至900℃的范围中。
接着最终的扩散阶段17的是通过骤冷21使工件硬化。为了进行骤冷将工件例如浸入一个油槽中。在油槽中对工件进行突然冷却。然而优选地进行气体骤冷。
在对工件进行渗碳期间，例如可以在几个渗碳脉冲13期间使用一种不饱和的碳氢化合物，优选地乙烯或者乙炔，特别优选地一种双重不饱和的碳氢化合物，特别是乙炔，并且在另外的渗碳脉冲期间使用饱和的和不饱和的碳氢化合物的混合物，例如乙烷和乙炔的混合物，或者优选地使用单重的和双重不饱和的碳氢化合物的混合物，特别是乙烯和乙炔，或者也只使用饱和的碳氢化合物。在渗碳作业期间既用饱和的，也用不饱和的碳氢化合物给工件的外置表面进行渗碳，而内置的表面，例如孔内部的表面主要是通过不饱和的碳氢化合物，特别是一种双重的不饱和的碳氢化合物进行渗碳。正是在使用饱和的和不饱和的碳氢化合物，或者单重的和双重的不饱和的碳氢化合物进行渗碳时这种做法导致孔的内部的表面主要是通过不饱和的碳氢化合物，特别是双重的不饱和的碳氢化合物进行渗碳，并且因此它具有比外置的表面小得多的渗碳深度。然而直接在工件表面上碳的浓度无论是在内置的表面还是在外置的表面通常是可比的。然而，在内置的表面上的表面浓度通常是可控制地被调节的。在这种情况中这种浓度和下述情况有关，即为了对内置的表面进行渗碳何时使用碳氢化合物及接着扩散多长时间。
特别是为了完全防止在某些区域进行渗碳，除了使用渗碳脉冲和/或不同的碳氢化合物以外还用合适的覆盖装置，或者覆盖剂将这些区域盖住。合适的覆盖装置或者覆盖剂例如是覆盖膏。通过使用这种类型的覆盖剂或者覆盖装置根本就不会对这些区域进行渗碳。采用这种方法不能进行少量的渗碳。与之相比根据本发明的方法可对区域只进行少量的渗碳，而在工件的另一些区域进行强烈的渗碳。
图2示出了一个喷射阀的喷嘴体。
在用于燃料喷射阀的喷嘴体31中设计了一个喷射孔33。当燃料喷射阀工作时通过这个喷射孔33将燃料喷射到内燃机的燃烧室中。为了只在所希望的时刻将燃料喷射到燃烧室中借助一个在此未示出的阀门元件可以关闭这个喷射孔33。为了关闭这个喷射孔33将具有密封边缘的阀门元件置于一个阀座35中。在此所示的实施形式中这个阀座35设计为锥形的。
为在喷射过程中出现高的燃料压力时阀门元件也能密封地闭锁喷射孔33，对阀座35在尺寸稳定性方面提出了很高的要求。此外还要求在工作时不会出现例如通过残余奥氏体的转变发生的阀座35的形状变化。由于这一原因希望在喷喷体31渗碳时阀座35的区域不渗碳，或者只很少地渗碳。这种小深度的渗碳是通过根据本发明的方法取得的，在此方法，通过采用短的渗碳脉冲，和/或不饱和的碳氢化合物只少量地对内置的表面，如阀座35进行渗碳。
与之相反地为了取得更大的硬度人们希望对喷嘴体31的外表面37进行强烈的渗碳。通过外表面37的更大的硬度减小外表面37上的通过磨损的耐磨性。人们也希望更为强烈地对阀门元件的导向部39的区域进行渗碳，为的是在此也将通过由于阀门元件的运动所引起的摩擦所造成的磨损和金属磨损最小化。根据本发明的方法能使阀门元件35的导向部和喷嘴体31的外表面37强烈地渗碳，并且对阀座35仅少量渗碳。通过这一措施在阀座35的区域中在接着渗碳的硬化时取得较低的残余奥氏体含量，与之相比地在外表面37上和在阀门元件35的导向部的区域中的残余奥氏体的含量则较高。
除了用于喷射阀的喷嘴体外根据本发明的方法例如也适用于活塞孔，也就是长孔的渗碳。这些长孔必须具有很好的尺寸和形状稳定性，以避免所谓的“卡住(Fressen)”。在这样一些长孔中分别对内置的表面只少量或者不渗碳，并且对外置的表面进行强烈的渗碳。
Claims (10)
1.用于对钢工件，特别是对具有外置表面和内置表面的工件进行渗碳的方法，其中，在850至1050℃的温度范围中将工件保持在含有气态的碳氢化合物的气氛中，其特征在于，使用至少两种不同的气态碳氢化合物和/或交替地在渗碳脉冲(13)期间将工件保持在含有气态的碳氢化合物的气氛中而在扩散阶段(15、17)期间将工件保持在无碳氢化合物的气氛中。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，将工件保持在含有气态的碳氢化合物的气氛中最多30秒钟。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在包含有气态的碳氢化合物的气氛中同时含有所述至少两种不同的碳氢化合物。
4.按照权利要求1或2所述的方法中，其特征在于，在至少两个相继进行的渗碳脉冲(13)时在含有气态的碳氢化合物的气氛中各含有至少一种不同的碳氢化合物。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在至少两个相继进行的渗碳脉冲(13)时在含有气态的碳氢化合物的气氛中的碳氢化合物的分压力是不同的。
6.按照权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于，在气态的气氛中所包含的碳氢化合物是不饱和的，优选地是双重地不饱和。
7.按照权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于，在使用至少两种不同的碳氢化合物时至少一种碳氢化合物是饱和的，并且至少一种碳氢化合物是不饱和的，或者至少一种碳氢化合物是双重的不饱和，并且至少一种碳氢化合物是单重的不饱和。
8.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，饱和的碳氢化合物是C2-至C6-烷，优选地是丙烷，并且不饱和的碳氢化合物是C2-C6-烯，或者是C2-至C6-炔，优选地是乙烯、乙炔、丙炔或者它们的混合物。
9.按照1至8的任一项所述的方法，其特征在于，使用不同的碳氢化合物和/或渗碳脉冲，从而工件的外表面比工件的内表面渗碳得更加强烈。
10.将按照权利要求1至9的任一项所述的方法用于对喷射阀的，特别是燃料喷射阀的喷嘴体(31)进行渗碳，其包含用于阀座(35)的区域、用于阀门元件的导向部(39)和外表面(37)，从而外表面(37)和用于阀门元件的导向部(39)渗碳得比较强烈，阀座(35)的区域渗碳得弱，通过这一措施，外表面(37)和用于阀门元件的导向部(39)具有比阀座(35)的区域更大的硬度。
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