CN105264106A - 包含在渗碳之前唯一的渗氮期的热化学处理方法 - Google Patents

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Abstract

用于改善机械特性的钢零件热化学处理方法，其包括循着温度循环在低压炉中通过渗碳的碳扩散和通过渗氮的氮扩散，其特征在于，所述方法包括首先上升至允许开始金属渗氮的相对低的第一温度(T1)，然后在该第一温度(T1)和渗碳的第二温度(T2)之间的温度下的唯一的渗氮期(N)，然后唯一的渗碳期(C)，随后在保持恒定的该第二温度(T2)下的扩散(D)和最后金属的淬火期(T)。

Description

包含在渗碳之前唯一的渗氮期的热化学处理方法
本发明涉及用于增强钢零件的钢零件热化学处理方法，以及用此类型处理增强的用于汽车的变速箱齿轮。
为了获得在从表面开始的一定厚度内钢零件的更好硬度，特别是对于包含被高度要求的轮齿的汽车变速箱齿轮，已知通过碳氮共渗进行该类型零件的热化学处理。
这些处理首先包括在材料的一定厚度内碳和氮的温度扩散，然后进行允许增大表面硬度的零件淬火，同时尽量保留某些原来的特性。
在低压炉中以这样的操作进行这些类型的处理，其包括如下的连续期：按照确定的温度曲线，用于添加碳的渗碳、用于添加氮的渗氮和用于使这些元素扩散的扩散期。在循环结束时，进行最终的淬火。
一种已知类型的处理方法，尤其是由文献FR-B1-2884523描述的，包括为了达到930℃的温度上升的第一阶段，然后该温度下等温的第二阶段，随后一系列的相似循环，其包括首先渗碳期、然后渗氮期和最后热淬火。因此在整个循环期间，在恒定的温度下保持元素的供应。
用该类型的方法所遇到的一个问题是，用通常使用的900℃左右的渗碳温度，渗氮的产率是低的。因此，需要大量的渗氮时间以将氮充分地引入零件中。
此外，通过诸如氨的还原性气体对零件进行渗氮，由于该氨分解期间所释放的氢引起金属表面的脱碳，氨是还原剂并且消耗碳。该脱碳减低了硬度，并降低了零件的功能性能。
另外，循环结束时渗氮的控制是棘手的，因为奥氏体钢晶粒已经由于前面的渗碳期而碳饱和及氮饱和了。晶粒不再可以吸收氮并在晶界(lesjointsdegrain)中排斥氮。该氮与添加元素例如铬和镍相熔合，这使晶界负荷以氮化铬和氮化硅以及碳氮化物的沉淀。
另一种已知类型的处理方法，尤其由文献JP-B2-4655528所描述的，包括为了达到800℃的温度上升的第一阶段，接着是在该温度下的第一个渗氮期，随后至980℃的温度上升的第二阶段，然后一系列的循环，每个包括一个渗碳期，接着是扩散，同时维持该温度，随后至850℃的温度下降阶段，接着是在该温度下的第二个渗氮期和最后金属的淬火期。
对于该方法，获得包含一系列渗碳和扩散的循环的渗碳时间，其是相对长的。此外，渗碳之后的第二个渗氮期还引起金属表面层的脱碳。
本发明的目的尤其在于避免现有技术的这些缺点。
为此，本发明提出了用于改善机械特性的钢零件热化学处理方法，其包括循着温度循环在低压炉中通过渗碳的碳扩散和通过渗氮的氮扩散，其特征在于，所述方法包括首先上升至允许开始金属渗氮的相对低的第一温度，然后在该第一温度和渗碳的第二温度之间的温度下的唯一的渗氮期，然后唯一的渗碳期，随后在保持恒定的该第二温度下的扩散和最后金属的淬火。
该处理方法的一个优点是渗氮期不是接在渗碳之后，不会使零件表面的脱碳，并且其硬度保持在较好的水平。避免减低零件机械特性的晶界中各种氮化物的形成，由此冶金学质量也很好地得到控制。
此外，唯一的渗氮期在允许该操作的相对低的第一温度和渗碳的第二温度之间进行，在某些情况下可以在该渗氮期间同时进行温度上升，这允许赢得对于完整处理循环的时间。
此外，根据本发明的热处理方法可以包括可以相互组合的一个或多个下列特征。
根据一个实施方案，所述渗氮期在保持恒定的第一温度下进行。
渗氮期在渗碳期之前跟随一个扩散期，该扩散期包括从第一温度至渗碳的第二温度的温度上升。
在一个变化形式中，就在渗氮期之后，接着是渗碳期，其包括首先从第一温度至渗碳的第二温度的温度上升。
根据另一个实施方案，所述渗氮期包括从第一温度至渗碳的第二温度的温度上升。
渗氮期在渗碳期之前可以跟随在保持恒定的第二温度下进行的扩散期。
有利地，允许开始金属渗氮的相对低的第一温度为约700℃。
有利地，渗碳的第二温度为约940℃。
本发明的目的还在于通过包含前述特征中任一个的热处理而增强的用于汽车变速箱的钢齿轮。
通过阅读参考附图作为实施例和非限制性地给出的下面描述，本发明将更好地得到理解并且其他特征和优点将更清楚地出现，在这些附图中：
-图1是用根据现有技术的碳氮共渗方法处理的奥氏体钢的显微结构切面图；
-图2是用根据本发明的碳氮共渗方法处理的该钢的显微结构切面图；
-图3是描绘根据本发明的处理方法随时间的线图；
-图4是描绘按照第一个变化形式的处理方法的线图；和
-图5是描绘按照第二个变化形式的处理方法的线图。
图1描绘了在表面2之下几十微米的高度上进行的不太负载有碳的奥氏体钢的显微结构切面6。该钢已经历了根据由文献FR-B1-2884523描述的方法的低压碳氮共渗处理，其包含在进行最终的淬火之前连续的渗碳和渗氮期。
在富集碳和氮的处理期的整个持续时间中提供氨之后，观察到在晶界处形成黑斑的大的氮化物沉淀4。这些沉淀使表面层的机械抵抗力减低，这可以随着应力的循环引起被高度要求的零件的过早磨损，例如用于汽车的变速箱齿轮的轮系的过早磨损。
图2描绘了已经历了根据按照本发明的方法的低压碳氮共渗处理的相似奥氏体钢的显微结构切面。看到对于表面2下面几十微米的层，不存在晶界中的氮化物沉淀。
图3描绘了在低压炉中进行的按照本发明的碳氮共渗处理的第一种循环，指示随时间t而变的温度T°。待处理的钢零件在时间t0时为环境温度。
首先具有直至第一时间t1炉温逐渐上升的第一阶段M，以达到渗氮的第一温度平台T1，其在该实施例中为700℃。
随后具有渗氮N的第二阶段，其继续进行直至第二时间t2，同时停留在该第一温度平台T1。
将注意到，理想的渗氮温度位于750和800℃之间。然而如果容许零件中少一点的氮吸收，可以在700℃开始该处理并且继续进行该处理直至900℃，以便通过减少温度上升的时间赢得处理的时间。
随后具有直至第三时间t3包括在中性气氛下温度上升的扩散D的第三阶段，以达到渗碳的第二温度平台T2，其在该实施例中为940℃。在该第三阶段期间，进行氮在金属表面层中的扩散D。
随后具有渗碳C的第四阶段，其继续进行直至第四时间t4，同时停留在该渗碳的第二温度平台T2。
将注意到，渗碳温度可以随着随该温度而增加的处理深度而变化。例如为了获得符合“E650”标准化处理的相同处理深度，需要在880℃下3小时的时间，和在940℃下2小时的时间。不推荐在950℃以上进行渗碳，因为这造成马氏体晶粒的严重粗化，并且发生零件功能性能的丧失。
随后具有在中性气体中第二扩散D的第五阶段，其继续进行直至第五时间t5，同时停留在渗碳的第二温度平台T2。该第二扩散D的阶段是可选的，它取决于在处理结束时所希望的碳含量。
最后具有零件的淬火T的最后阶段，其可以在气体中，或在液体例如油或聚合物中进行。
因此，同时获得相对短的处理时间，其降低了生产成本，以及令人感兴趣的碳和氮吸收率，但不产生材料晶界水平上的氮化物沉淀。
图4在变化形式中描绘了按照本发明的碳氮共渗处理的第二种循环。
首先具有温度上升的第一阶段M，其是相同的，以在第一时间t1达到允许渗氮的温度T1。
随后具有渗氮N的第二阶段，其在与缓慢和逐渐的温度上升相同的时间内进行，以在第二时间t2达到渗碳的第二温度平台T2。
随后具有在金属表面层中氮扩散D的第三阶段，其继续进行直至第三时间t3，同时停留在该渗碳的第二温度平台T2。
与图3所描绘的那些相同的后面阶段，包含直至第四时间t4的渗碳C的第四阶段和直至第五时间t5的扩散D的第五阶段，同时停留在该渗碳的第二温度平台T2。最后，具有淬火T的最后阶段。
该变化形式使得能够通过缩减渗氮期N和渗碳期C之间的温度平台来优化处理时间。然而，渗氮以上升到其最佳水平之上的可变温度进行，零件内的氮浓度用相同的渗氮时间是更低的。
图5在变化形式中描绘了根据本发明的碳氮共渗处理的第三种循环。
首先具有温度上升的第一阶段M，其是相同的，以在第一时间t1达到渗氮的第一温度T1。
随后具有渗氮N的第二阶段，其继续进行直至第二时间t2，同时停留在如对于图3所描绘的方法那样的渗氮的第一温度T1的平台。
随后，不具有氮扩散D的阶段，但是代之以立即开始的渗碳C开头的第三阶段，具有直至第三时间t3有规律的温度上升，以达到渗碳的第二温度平台T2。
后面的阶段与图3描述的那些是相同的，包括是直至第四时间t4的渗碳C的继续的第四阶段和直至第五时间t5的扩散D的第五阶段，同时停留在该第二温度平台T2。最后，具有淬火C的最后阶段。
该变化形式也使得能够通过缩减或取消渗氮N和渗碳C之间的扩散阶段D来优化处理的时间，但不影响零件中的氮含量。
因此通过这些不同的变化形式实现了更好的过程控制，其包含仅在渗碳期之前的氮富集，这允许所处理的层中良好的碳扩散。
补充性地，可以进行所描述的不同变化形式的混合，其包含例如包括这样一个温度的渗氮期N，其开始按照第一温度平台T1停留，随后逐渐上升以达到第二温度平台T2。
此外，由进行该发明的企业专门开发的该方法，使得能够不使用特别的渗碳方法，其可以是为该类型的处理所设计的低压炉的供应商的产权。

Claims (8)

1.用于改善机械特性的钢零件热化学处理方法，其包括循着温度循环在低压炉中通过渗碳的碳扩散和通过渗氮的氮扩散，其特征在于，所述方法包括首先上升至允许开始金属渗氮的700℃级别的相对低的第一温度(T1)，然后在该第一温度(T1)和渗碳的第二温度(T2)之间的温度下的唯一的渗氮期(N)，然后唯一的渗碳期(C)，随后在保持恒定的该第二温度(T2)下的扩散(D)和最后金属的淬火期(T)。
2.根据权利要求1的处理方法，其特征在于，渗氮期(N)在保持恒定的第一温度(T1)下进行。
3.根据权利要求2的处理方法，其特征在于，在渗碳期(C)之前，跟随渗氮期(N)的是包括从第一温度(T1)至渗碳的第二温度(T2)的温度上升的扩散期(D)。
4.根据权利要求2的处理方法，其特征在于，正好在渗氮期(N)之后，接着是包括首先从第一温度(T1)至渗碳的第二温度(T2)的温度上升的渗碳期(C)。
5.根据权利要求1的处理方法，其特征在于，所述渗氮期(N)包括首先从第一温度(T1)至渗碳的第二温度(T2)的温度上升。
6.根据权利要求5的处理方法，其特征在于，在渗碳期(C)之前，跟随渗氮期(N)的是在保持恒定的第二温度(T2)下进行的扩散期(D)。
7.根据前述权利要求中任一项的处理方法，其特征在于，所述渗碳的第二温度(T2)为940℃的级别。
8.通过热化学处理而增强的用于汽车变速箱的钢齿轮，其特征在于，该处理按照前述权利要求中任一项来进行。
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