CN105683405A

CN105683405A - 局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈及其制造方法

Info

Publication number: CN105683405A
Application number: CN201480058086.1A
Authority: CN
Inventors: 郑三礼; 卢殷植
Original assignee: DK LOK CORP
Current assignee: DK LOK CORP; Dk-Lok
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-06-15
Also published as: EP3061843A4; KR20150046725A; JP2017501307A; EP3061843A1; KR101515840B1

Abstract

根据本发明的一个方面，提供一种局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈，其第一区域具有第一硬度，第二区域具有第二硬度，所述第一区域包括：具有比碳浓度高的氮浓度的氮层；和在所述氮层内部并且具有比氮浓度高的碳浓度的碳层，所述第一硬度大于所述第二硬度。通过这种局部热处理，在区域的除了待被热处理的部分的前部通过热处理被硬化，由此防止了旋转扭矩增加的现象。

Description

局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈，更具体地，涉及一种局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈，其中对不锈钢套圈的表面进行碳氮共渗处理，使得局部地产生多层结构并且保持耐腐蚀性。

背景技术

将热处理广泛应用于提高工件的表面硬度。对于热处理的表面硬化方法包括物理表面硬化方法和化学表面硬化方法。渗氮或渗碳是代表性的化学表面硬化方法，其引起基底金属的化学组分改变以实现表面硬化。在典型的化学表面硬化方法中，通过使工件与用于在高温下渗碳或渗氮的气体或熔融盐接触来进行热处理以因此使碳或氮原子扩散至工件的表面。由此，渗碳或渗氮工艺能使具有高硬度的化合物层形成在工件的表面上。与其他表面硬化方法相比，在渗碳或渗氮工艺中，基底金属的变换非常低并且硬化层的耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性优异，这一点是公知的。

盐浴热处理可以用于增加具有高耐腐蚀性的金属例如含有铬的铁(不锈钢)的硬度。通常通过形成氮化物沉淀或碳化物沉淀(简写为“氮化物”或“碳化物”)来提供用于增加硬度的化合物层。

照此，碳化物(Cr₃C₂)具有铬以碳为中心沉淀的结构。当以这种方式通过沉淀形成非均匀表面结构时，电负性差异可能发生在由于铬的脱离而缺少铬的部分和使铬沉淀的部分之间。该差异起到一种原电池的作用，并因此金属制品可能容易腐蚀。当与沉淀中相同的元素大量存在于工件中或由于高热处理温度而容易渗透粒子时，沉淀容易发生。

碳化物以较少量形成在工件的表面上的情况是有利的但难以控制。

还有，常用于碳氮共渗中的氰化物(HCN,KCN等)对人体非常有害，并且必须找到其的替代材料。

尽管工件需要被完全硬化，但部件例如套圈仅在其一部分上需要具有高硬度。

图1是横断面视图和透视图，图示了为了呈现套圈的形状和用途而用具有预定形状的套圈连接两个管的结构。

图1a是横断面视图，图示了用套圈连接两个管的结构。

例如，当两个管，前管11和后管15相连时，套圈起到封闭前管11和后管15之间的间隙的作用并负责对管进行型锻以确保密封功能且负责防止管的分离。

套圈可以包括前套圈13和后套圈14。

后套圈14起的作用在于当后套圈14的后部(尾部14a)通过螺母12推动用于使管变紧时，力转移至前套圈13。照此，当螺母12旋转时，其将力转移至套圈以使管变紧，并因此产生旋转扭矩。当螺母12在旋转的同时向前移动时后套圈14在螺母12的行进方向上进行直线运动。

通过后套圈14，将前套圈13后部的低斜切的部分提起，并且鼻部14b将管型锻以由此防止管的分离。

因此，仅当后套圈14的鼻部14b的硬度高时可以实现预期的目的。如果整个后套圈14具有高硬度，螺母12的旋转扭矩未高效地被吸收，因此增加了脆性。因此，必须仅将后套圈14的鼻部14b选择性地硬化。

图1b是透视图，图示了套圈。套圈为环形并且其鼻部14b通过从后部施加至前部的力而变形。因此，鼻部14b需要特别硬化。

后套圈13包括支撑部分14a，向其施加压力的同时使螺母12变紧；和鼻部14b，其受到施加的压力并因此经受不可逆的变形，并且封闭和型锻管的边缘。由于在变形过程中施加高摩擦和力，因此鼻部14b必须具备高硬度和高弹性。因此，在预定的部分上选择性需要高硬度的部件例如套圈14应该经受选择性局部硬化处理。

如果对整个后套圈14进行硬化处理以产生高硬度，用于型锻管的不可逆变形需要更大的力，其导致在螺母12上的旋转扭矩可能进一步增加，不被期望地招致差的加工性。

当以这种方式仅在预定部分上需要高硬度时，通过局部热处理来硬化该部分。通常，局部热处理方法包括用一种不同的金属镀敷工件，其中产生的镀层用作掩模抵抗热处理。具体地，用一种不同的金属镀敷工件，并且从待被硬化的部分去除镀层，使得工件的表面向外暴露。然后，进行热处理，由此未向外暴露的部分由于镀层而阻止氮或碳的渗透，并因此不易发生沉淀。因此，仅将暴露部分选择性地硬化。

然而，当长期热处理时，使铬沉淀在经受热处理的部分上，显著地使耐腐蚀性劣化，其是不被期望的。

发明内容

技术问题

因此，本发明的目的是提供局部热处理方法，其中用致密的金属局部镀敷不希望被热处理的工件的表面，使得在热处理过程中可以防止颗粒的渗透，从而防止旋转扭矩由于完全硬化而增加。

本发明的另一个目的是提供采用熔融盐的碳氮共渗工艺，所述熔融盐对人体无害并且可以在低温热处理过程中连续地供应氮和碳，因此确保工艺稳定性并减少制造成本。

本发明的另一个目的是提供局部热处理方法，由此提供甚至在碳氮共渗热处理工艺之后耐腐蚀性也不劣化的不锈钢套圈。

技术方案

为了实现上述目的，本发明的一方面提供一种局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈，其具有第一区域和第二区域，其中,所述第一区域具有第一硬度，所述第二区域具有第二硬度,所述第一区域包括具有比碳浓度高的氮浓度的氮层和设置于所述氮层的内侧且具有比氮浓度高的碳浓度的碳层，使得第一硬度大于第二硬度。

第一和第二区域可以进一步在其表面上包括铬系氧化物膜。

而且，不锈钢套圈进一步包括形成在所述氮层上且含有大于1％的量的氮和碳的表面层，所述表面层的厚度是0.005μm至0.1μm。

所述氮层的厚度可以为0.1μm至10μm的范围，并且氮浓度可以在表面上变为最大。

照此，可以在离表面超过5μm深的位置处提供碳层。

对于所述碳层，碳浓度可以在离表面5至15μm的区域中变得最大。

所述第一硬度可以是600hv至800hv并且所述第二硬度可以是不锈钢的常用硬度。

所述第一区域可以是鼻部。

所述不锈钢套圈可以是后套圈。

本发明的另一方面提供了一种制造局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈的方法，其包括将第二区域被镀敷的不锈钢套圈浸入含有氮系有机材料的熔融盐中以被热处理。

所述熔融盐可以是含有氮和碳化合物的熔融碱金属盐，并且可以通过将其浸入所述熔融盐中来热处理不锈钢套圈。

所述氮和碳化合物可以是包括碳和氮的杂环有机化合物。

包括碳和氮的杂环有机化合物可以是嘌呤系化合物。

所述嘌呤系化合物可以是尿酸。

所述第二区域可以具有低于热处理部分的硬度的硬度。

所述第二区域的硬度可以是不锈钢的常用硬度，并且热处理部分可以具有600hv至800hv的硬度。

有利效果

根据本发明的一方面，能够在热处理过程中防止颗粒通过金属层渗透。

根据本发明的另一方面，能够在热处理过程中防止镀敷部分的硬化，因此阻止施加至整个工件的旋转扭矩增加。

根据本发明的又一方面，能够使用低价的熔融盐进行碳氮共渗，其对人体无害并且便宜，从而确保工艺稳定性并减少制造成本。

根据本发明的又一方面，套圈在其表面上具有三个硬化层，因此表现出强度和耐腐蚀性两者。

附图说明

图1a和图1b分别是横断面视图和透视图，图示了用以连接两个管的具有预定形状的套圈；

图2是图示了氮系有机材料的分子结构的视图，所述氮系有机材料可以添加至根据本发明的实施方式的熔融盐中；

图3是图示了加工根据本发明的实施方式的工件的流程图；

图4是图示了根据本发明的实施方式的一次镀敷套圈的横截面视图；

图5是图示了根据本发明的实施方式的二次镀敷套圈的横截面视图；

图6是图示了根据本发明的实施方式的局部剥离套圈的横截面视图；

图7a和图7b是图示了根据本发明的实施方式的热处理时的渗透工艺的示意图；

图8是图示了根据本发明的实施方式的从其去除镀层的套圈的横截面视图；

图9是图示了根据本发明的实施方式的局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈和未被热处理的不锈钢套圈的GDS图；以及

图10是图示了根据本发明的实施方式的局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈和未被热处理的不锈钢套圈的耐腐蚀性的测试结果的照片。

具体实施方式

在下文中，将参考附图给出对本发明的优选实施方式的详细描述。在全部附图中，值得注意的是相同的附图标记用以指相同或相似的元件。照此，在附图的图和照片中描绘的并从而描述的本发明的结构和功能可以对应于至少一个实施方式，但不被解释为限制本发明。

在本发明中，用于盐浴碳氮共渗的熔融盐视为重要。因此，首先描述熔融盐，然后描述局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈及其制造方法。

根据本发明的实施方式，局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈的构成使得镀敷一部分不锈钢套圈(期望不被热处理)使得渗碳或渗氮不发生，并且将不锈钢套圈浸入含有氮系有机材料的熔融盐中并因此碳氮共渗。这样制造的不锈钢套圈包括两个具有不同硬度值的区域，并且硬化区域包括三个热处理层。当在中低温下加热时，熔融盐中的氮系有机材料缓慢分解。还有在长时间加热时，在氮系有机材料的分解过程中产生的氮和碳离子可以渗透以在不锈钢套圈中足够深。照此，碳离子与氮离子相比可以容易地与氧反应，并因此可以从盐中去除。在长期盐浴的过程中，碳仅在初期反应。

在盐浴热处理的初期，氮和碳两者都与金属的表面反应，但碳与氮相比可以迅速地渗透至金属的表面，因此碳的渗透占主导。然而，从盐浴热处理的中期，在熔融盐中碳被氧化至空气中并因此被去除。因此，氮的反应仅发生在中期之后。具体地，取代碳，氮主要存在于靠近金属表面的层中，并且碳主要存在于较深层中。由于在最初使碳和氮反应的同时，留有与铬产生的化合物，因此得到了具有硬化表面的表面层。

因此，可以从工件的表面依次提供表面层，由于碳和氮与铬和铁在高比率下产生的化合物，其被高度硬化；包括形成在表面层的内侧的氮层和形成在氮层内侧的碳层的第一区域，其中氮层具有低的碳含量和高的氮含量以防止硬度变得与表面层明显不同以便不分开表面层，并且碳层具有低的氮含量和高的碳含量以表现出高韧性。可以生产这些层至最大40μm的深度，并且氮层和碳层可以分别含有至多大约2％的氮和碳。

为了产生上述结构，认为添加至盐浴的包括碳和氮的盐是重要的。

该盐在反应温度下必须供应碳和氮并在反应温度下还存在于熔融盐中。

因此，该盐应该在进行热处理的高温下是稳定的，并应该能够在用于现行盐浴热处理的最小温度即大约500℃下易供应碳和氮。

图2图示了氮系有机材料的分子结构，所述氮系有机材料可以添加至根据本发明的实施方式的熔融盐中。

图示的材料是嘌呤系化合物。嘌呤系化合物是杂环材料，其包括含有氮的两个共振键合环。共振键合强并因此在高温下稳定。另外，这种化合物具有相对高的分子量并且是含有氮和氧的键合结构并可以因此容易地转化成离子化结构。对于具有高分子量的嘌呤系化合物，当其一些元素被取代时，可以形成离子键合材料并因此可以具有大约300℃的熔融温度但难以蒸发。因此，当在典型的尿酸的存在下热分解开始的温度下长时间进行热处理时，氮和碳(其为尿酸的成分)可以连续地供应。

在低温下对不锈钢套圈长时间进行盐浴热处理。在本发明中，碳和氮可以深深地渗透。为此，长时间(24hr(小时)或更多)实施热处理。然而，长期热处理可能引起在碳渗透的过程中铬的重结晶。在这种情况下，耐腐蚀性可能由于沉淀的碳化铬而显著劣化。而且，不锈钢套圈浸入其以进行盐浴热处理的熔融盐包括杂环有机化合物例如尿酸，其在高温下在结构上分解。为了允许所有有机化合物和有机化合物的组分存在于熔融盐中，必须保持结构开始分解的温度。否则，熔融盐中的有机化合物可能由于燃烧而初期被去除。在具有不同热分解温度的杂环有机化合物中，尿酸具有大约500℃的分解温度。因此，熔融盐的温度保持在大约500℃，使得控制尿酸以在低速率下热分解。

除了上述的有机化合物，熔融盐可以包括碱金属盐。由于不锈钢在其表面上具有氧化铬膜，应该去除或活化氧化铬膜用于热处理。由于氧化物膜通过与熔融碱金属盐的反应而减少，因此氧化物膜可以通过浸入熔融碱金属盐而被去除。特别是在本发明的实施方式中，当含有尿素时，碱金属离子可以进一步地起到调节熔融盐的酸度的作用。

在500℃下将在高温下分解的有机化合物缓慢分为碳和氮。照此，碳与空气中的氧结合，生成二氧化碳。因此，将碳从熔融盐中去除。在有机化合物分解的初期，氮和碳同时存在，然后氮主要存在而碳浓度降低。

将碳和氮放置于奥氏体不锈钢相同位置处的真空区。因此当主要放置碳时使碳首先渗透，然后当主要放置氮时使氮在推动碳的同时渗透。照此，碳与由有机化合物的分解产生的氧结合并因此沉淀，并且在靠近工件表面的部分中的碳浓度相当低。

由于该浓度差异，在靠近工件表面的部分中的碳浓度降低但氮以高密度渗透。

另一方面，具有低渗透性的氮不深深地渗透。由于氮位于与碳相同的位置，它们之间发生竞争关系。在氮渗透过程中，将碳推得更深。

仅在初期临时供应碳，然后将其去除，并且仅留下氮，使得保持了低温盐浴渗氮。因此，限制由于碳造成的铬沉淀，并且耐腐蚀性较少劣化。

图3是图示了制造根据本发明的实施方式的局部碳氮共渗热处理的后套圈的工艺的流程图。

在一次镀敷步骤(S310)中，用第一金属层镀敷工件的表面。

可以应用任何镀敷工艺，但电镀是合适的，因为镀敷区域必须没有空隙。

后续工艺包括剥离镀层。如果在剥离镀层之后留下任何残余物，镀层残余物存在的部分不被热处理。

因此，第一金属层有利地包括可以不留任何残余物地被剥离的金属。具体地，用于第一金属层的金属必须具备与将被镀敷的金属(工件)不同的结构，使得没有相互渗透发生在它们之间的边界处。

也就是说，工件的表面与镀敷的第一金属层之间的边界不清楚的金属不适合用在第一金属层中。

还有，第一金属层应该具有高渗透阻力使得其防止碳或氮的渗透并可以在高热条件下阻挡碳或氮。在本发明的实施方式中，镀敷金属是铜。由铜制成的第一金属层在下文中描述。

除了铜之外，金属例如铬、镍或锡可以用于第一金属层，因为其防止在高热条件下碳或氮的渗透并可以容易地从工件剥离。其合金也是有用的。

第一金属层的厚度有利地落入从大约15μm至50μm内的范围内。当第一金属层是15μm厚时，可以防止渗透材料的渗透并可以保持均匀厚度。另一方面，当第一金属层是50μm厚时，可以容易地完成后续剥离工艺。

在二次镀敷步骤(S320)中，用第二金属层镀敷第一金属层的表面。

第二金属层比第一金属层更致密，使得用其细微地镀敷第一金属层的稀疏部分(高能量部分)。当第一金属层由铜制成时，第二金属层可以包括任何组成，所述组成具有比铜更紧凑和更致密的结构。具体地，金属例如铬、镍、锡或铁可以使用，或其中的两种或更多种的合金是有用的。

将第一和第二金属层镀敷至至少15μm的厚度以防止长时间高温下的盐的渗透。

还有，当通过将工件浸入溶剂中剥离第一金属层410和第二金属层510时，第一金属层410和第二金属层510应该在短的剥离时间段内完全地被去除使得工件不受损伤。因此，应该将第一金属层410和第二金属层510镀敷得足够薄(50μm或更小)。

在局部剥离步骤(S330)中，剥离镀敷在工件上的第一金属层410和第二金属层510的部分，因此局部暴露工件的表面。工件的预设区域是需要高硬度的部分。对于后套圈14，其可以是通过不可逆变形与管表面紧密接触的鼻部14b。

可以使用任何剥离工艺，只要无任何残余物留下并且仅溶解金属层而不损伤工件即可。

通过浸渍工艺在用于溶解金属层的溶剂中，可以去除在特定部分处的镀层。当提供能够溶解这两个金属层的溶剂时，这些层可以通过浸渍工艺在溶剂中同时被去除。还有，当提供不同种类的溶剂以溶解两个金属层时，外镀层和内镀层可以通过浸入用于溶解外镀层的溶剂中然后浸入用于溶解内镀层的溶剂中而依次被去除。当第一金属层包括铜时，用于溶解第一金属层的溶剂可以是硝酸，并且当第二金属层包括铬时，用于溶解第二金属层的溶剂可以是盐酸。

在热处理步骤(S340)中，热处理工件。这种热处理工艺可以是盐浴热处理。对于盐浴热处理，将工件浸入高温熔融盐中。根据熔融盐的种类，确定了热处理过程中渗入工件表面中的组分。

可以使用含有碳或氮的盐进行盐浴热处理。当使用含有碳的盐进行盐浴热处理(渗碳)时，碳可以渗透至工件并因此重结晶发生；并且当使用含有氮的盐进行盐浴热处理(渗氮)时，氮可以渗透至工件并因此重结晶发生。照此，盐可以包括碱以增加工件的表面反应性。

照此，由热处理温度确定渗透至工件表面的成分的深度和其渗透速率。当热处理温度高时，渗透成分可以更快和更深地渗入工件表面。

然而，当热处理温度高时，使含在工件中的成分(即铬)重结晶，使得工件转换成非均匀结构。当以这种方式使结构转换时，非均匀性可以引起电负性差异以因此产生一种原电池，显著地使耐腐蚀性劣化，这是不希望的。因此，不在高温下而在低温下进行热处理长时间，从而使渗透材料均匀地嵌入工件的内部，因此均匀地并坚硬地改性表面结构。在这种情况下，限制了耐腐蚀性的劣化。

照此，低温可以落入从500℃至800℃的范围内，在此温度下使沉淀最小化，并且长时间可以是15hr或更多，从此工件开始明显硬化。

因为将高温施加于整个工件，因此渗透成分可以渗透整个工件。然而，渗透成分在镀敷的部分不直接接触工件表面，并且因此不渗透。也就是说，难以通过热处理改性工件的表面。

还有，熔融盐可以包括氮系有机材料。氮系有机材料是氮和碳化合物，从而可以供应氮和碳。氮和碳化合物可以是包括碳和氮的杂环有机化合物。由于共振键合，杂环有机化合物是稳定的，并且其环状结构甚至在高温下也不断裂。特别地作为杂环有机化合物，嘌呤系化合物具有简单的结构并满足对称性并因此在500℃附近的温度下开始分解。因此，添加嘌呤系化合物是优选的。嘌呤系化合物(其有效地被离子化)例如尿酸的结构可以作为离子存在于熔融盐中，使其难以进行气化。因此，即使当将尿酸加热至高温时，其在低温下可以留在熔融液中。因此，可以进行热处理而无加压。

根据添加的有机化合物的量和热处理温度，确定碳和氮在熔融盐中的停留时间。当有机化合物的分解速率通过较低温下热处理降低时，碳可以停留得更长并因此碳层厚地形成。还有，当缩短总热处理时间时，仅在热处理初期进行碳热处理，并且在后期进行氮热处理，有效地降低了氮层的厚度。最后得到的局部碳氮共渗热处理后套圈的层结构的厚度由添加剂的浓度、进一步添加添加剂所需的时间、热处理温度和时间确定。

自然地，对热处理温度有限制。当最初热处理温度高时，碳在其被过量生产的条件下渗透。当过量的碳在高温下渗透时，铬过量沉淀，导致劣化的耐腐蚀性。因此，在高于800℃的温度下的热处理是不被期望的。而在低于500℃的温度下进行热处理时，尿酸未有效分解并因此热处理不发生。而且，没有氮或碳的有效渗透。因此，在低于500℃的温度下的热处理是不被期望的。

该温度限制与有机材料的分解温度密切相关。当使用除了尿酸之外的杂环有机化合物时，温度限制可能变得不同。这是因为杂环有机化合物可能分解过快或其分解初始温度变得不同。

甚至在镀敷部分的存在下，当由于长期的热处理，金属层太薄或不致密或渗透成分渗入金属层时，通过其的渗透发生并因此进行重结晶，最终由于完全硬化而增加旋转扭矩。当低温下盐浴热处理长时间时，多种镀敷金属可能腐蚀并因此不能屏蔽热处理。

用致密层二次镀敷第一金属层410以因此防止渗透成分的渗透。通常，不进行双镀层(具有不同结构的两层)，因为镀层厚度不均匀。

然而，当进行二次镀敷工艺以加强第一镀层不硬的部分时，没有必要形成均匀的镀层厚度。用第二镀层加强第一镀层不硬的部分，使得完全均匀的电负性可以产生。

因此，第一金属层可以包括易剥离的铜，并且第二金属层可以包括具有比第一金属层更致密的结构的金属，例如，选自铁、镍、铬和锡中的任一种或多种。第二金属层优选包括与第一金属层不同的金属或金属合金。

照此，热处理未必仅使用在盐中的浸渍工艺进行。根据渗透材料的种类，其可以在高温下以气体或气溶胶的形式施加在工件的表面上。然而，盐浴热处理可以引起工件表面的均匀改性，导致高质量制品。还有，低温下的热处理使渗透材料能够缓慢渗透。因为氮比碳更快地渗透到表面中，在本发明的实施方式中，盐浴热处理可以是渗氮热处理。尽管在热处理时氮的分压高的条件下进行渗氮热处理，但在含有氮的氧化物或氮和碳化合物的熔融盐中的浸渍工艺使其能够实现更均匀和更快速的硬化。

在完全剥离步骤(S350)中，剥离残留的第一和第二金属层。如在局部剥离步骤中那样，可以使用溶剂剥离残留的金属层。完成剥离之后，可以检查是否残留金属层。因为耐腐蚀性可能由于通过热处理的硬化而劣化，当将化学工艺视为不适合时，可以通过物理工艺进行剥离。因此，能够使用磨光物理地去除金属层。

在需要局部硬化的工件上的局部硬化工艺如上所述。参考图4至图8，当工件是套圈时，在局部硬化工艺中各个步骤的中间制品和最终制品如下所述。

图4是图示了根据本发明的实施方式的一次镀敷套圈的横截面视图。

后套圈14包括尾部14a，其用于支撑其后部的压力；和鼻部14b，其连接至尾部14a并配置成通过从尾部14a施加的压力而不可逆变形以密封管。

如上所述，后套圈14是含有铬的不锈钢套圈。

对于选择性热处理，难以镀敷除了鼻部14b之外的部分以仅暴露后套圈14的鼻部14b。因此，首先镀敷整个后套圈14，然后选择性地剥离对应于鼻部14b的部分。在一次镀敷步骤中，用第一金属层镀敷整个后套圈14。第一金属层410由不同于后套圈14的组成的元素形成，以容易通过化学或物理处理从工件表面分离。例如，在不锈钢后套圈14中，第一金属层410可以包括铜。第一金属层410的厚度的下限可以是15μm使得后套圈的表面随其完全镀敷并且后套圈14受保护防止外来材料，而其上限可以是50μm使得在化学剥离时无残余物留下。镀敷工艺可以是电镀，但可使用任何工艺，只要完全镀敷工件的表面即可。

图5是图示了根据本发明的实施方式的二次镀敷套圈的横截面视图。

在二次镀敷步骤中，将第二金属层510镀敷在一次镀敷步骤中形成的第一金属层410上。当仅提供第一金属层410时，在长期热处理过程中，氮和碳可渗透。因此，二次镀敷第二金属层510，其具有比第一金属层410更致密的结构。由于第一金属层410和第二金属层510具有不同的结构密度，难以实现均匀镀敷。然而，在电镀工艺中，将第二金属层510厚厚地镀敷在第一金属层410薄薄地镀敷的部分并因此电阻低。因此，第一金属层410的稀疏部分可以用第二金属层510加强。为此，非均匀镀敷可能更适合，而不是均匀镀敷。尽管可以应用电镀工艺，但可以使用任何工艺，只要完全镀敷相应的表面即可。

第二金属层510可包括铁、镍、铬、锡或其合金，其与铜相比致密且耐盐。第二金属层510的厚度的下限可以是15μm，使得后套圈的表面用其完全镀敷并且后套圈14受保护防止外来材料，而其上限可以是50μm，使得在化学剥离时无残余物留下。

图6是图示了根据本发明的实施方式的局部剥离套圈的横截面视图。

完成二次镀敷步骤之后，从对应于鼻部14b的区域去除镀层。去除工艺可以通过将对应于鼻部14b的部分浸入能够溶解对应金属层的溶剂中而进行。例如，铜溶解于硝酸，且铁、镍、铬或锡可以溶解于盐酸，并因此二次镀敷后套圈14的对应于鼻部14b的区域可以通过依次浸入盐酸和硝酸中，或在盐酸和硝酸的混合物中而去除。

图7示意地图示了根据本发明的实施方式的存在或不存在镀层下的渗氮或渗碳时的渗透程度。

图7a图示了在热处理初期熔融盐和套圈表面之间的反应。杂环有机化合物诸如尿酸开始在熔融盐中分解。杂环有机化合物含有氮。当环断裂时，可能失去化学对称性，而且稳定性可能降低并因此化合物分为元素。因此，熔融盐包括以离子状态存在的碳、氮和氧。

还有，氮、碳和氧可以在套圈的表面上反应。通过熔融碱金属盐将铬基铁的外部氧化物膜去除，并且氧不反应或反应并因此去除。然后，碳和氮渗入套圈的表面中。由于碳与氮相比可以容易地通过表面渗透，因此碳以高密度尽可能深地渗透，而不是表面部分。

图7b图示了在热处理中期和后期熔融盐和套圈表面之间的反应。在熔融盐中，杂环有机化合物诸如尿酸的分解开始完成。因此，停止氮、碳和氧的额外供应，除了含在熔融盐中的以前分解的氮、碳和氧。碳与空气中的氧结合并气化为二氧化碳，最终留在熔融盐中的元素是氮。

只有氮连续地在套圈的表面上反应，氧可以与表面上存在的碳反应因此去除碳。氮连续地通过工件的表面渗透。氮和碳渗透至铁的原子结构的相同空间。照此，较大量的氮渗透，并且将以前渗透的碳推得更深。因此，形成氮层720，同时将碳层710推得更深。

当热处理温度高时，可以仅通过高温处理使铬重结晶。还有，不持续供应氮和碳，并可以在已在初期过量供应之后将其去除。因此，热处理温度设定在500℃至800℃的范围。当降低热处理温度时，氮或碳的渗透速率可能降低，并因此可以进行长期热处理。照此，热处理时间可以设定在24hr至48hr内的范围。

图8是图示了根据本发明的实施方式的从其去除镀层的套圈的横截面视图。

完成热处理之后，去除盐并且可以进行冷却。覆盖尾部14a的第二金属层510和第一金属层410按次序溶解在溶剂中并因此被去除，从而得到仅硬化鼻部14b的后套圈14。照此，鼻部14b包括含有过量的氮和碳的层结构。

如关于图7所述，因为碳层710被氮层720深深地推动，含有过量氮和碳的表面层810、含有的氮的量大于碳的氮层720和具有碳作为主要渗透材料的碳层710依次从工件的表面形成。各层的具体厚度参考图9和10随后描述。

对于具有耐腐蚀性的金属，例如不锈钢，其表面用氧化物膜形成以保护金属。因此，后套圈14或工件必须没有氧化物膜，通过在热处理之前即刻将其浸入碱金属盐等中。在热处理步骤中，熔融盐通常包括碱金属，但没有必要使用包括碱金属盐的熔融盐，只要可以通过物理剥离或使用还原剂代替碱金属去除膜即可。还有，甚至在热处理之后也没有起因于铬的沉淀的浓度差，套圈上的铬与空气中的氧结合以形成氧化物膜。因此，可以保持不锈钢的耐腐蚀性，其防止暴露的铁的连续腐蚀。该氧化物膜均匀形成在热处理部分和未被热处理的部分上。

如上所述，需要局部硬化的工件通过后套圈14例示。除其之外，前套圈13也需要局部硬化，如在[背景技术]中所述。本发明将能够应用于一般的套圈或工件，其应该在特定部分具有耐腐蚀性和高硬度。

图9和图10图示了根据本发明的实施方式的局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈和由一般渗碳工艺制造的不锈钢套圈的结构和耐腐蚀性。

图9是根据本发明的实施方式的局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈和未被热处理的不锈钢套圈的GDS图。

图9中的图表(a)是未被热处理的不锈钢套圈的图，并且图9中的图表(b)是局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈的图。

虽然超过10％的量的主要成分几乎没有差别，但在3％以内的氮和碳示出了组成在工件表面上的变化。

图9中的图表(c)和图9中的图表(d)是少于10％的成分的GDS图。图9中的图表(c)是未被热处理的不锈钢套圈的GDS图，并且图9中的图表(d)是局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈的GDS图。

在图9中的图表(d)中，不像图9中的图表(c)中那样，在离表面7μm以内的区域中检测到氮。还有，碳以最小量含有在离表面2.5μm的位置处并以最大量含有在离表面大约10μm的位置处。如图中所示，氮和碳在不同位置处具有最大值。因此，能够确认形成了主要由氮组成的层和主要由碳组成的层。

还有，在非常靠近套圈表面的0.1μm内的部分中检测到表面层810，其包括大量的氮和碳两者。这是因为过量的氮和碳从外面接触并渗透至套圈的表面。含有大量杂质的层具有高硬度，原因在于位错不易转移。

然而，因为杂质的量大幅度下降，由于与内层不同的结构和性能，因此表面层810可以容易地剥离。在表面层下方提供具有高氮含量并因此具有高硬度的氮层720以由此防止表面层810的剥离，并且在氮层的内侧提供具有碳并因此具有高强度的碳层710以由此防止层结构的断裂。

碳层710优选尽可能深地形成，原因在于从而确定强度。因此，24hr或更长时间的热处理导致大量的碳渗透到离表面超过5μm深的区域以产生碳层710。照此，碳层710指具有的碳含量高于氮含量的层。碳层710在离表面10μm附近的区域中具有最大碳含量。

氮层720起到防止表面层和内层之间的硬度差异明显增加的作用以防止表面层的剥离。因此，氮层720优选设置使得氮含量从工件的表面逐渐减少。然而，易形成具有大于1％的量的氮和碳的表面层810，原因在于氮和碳最初渗透至表面，同时形成氮化物和碳化物。因此，氮层720位于具有大于1％的量的氮和碳的表面层810和具有的碳含量大于氮含量的碳层710之间。表面层810形成在0.005μm至0.1μm内的窄区域中。氮层720形成在离表面0.1μm至10μm的区域中。进而，氮层720的氮浓度的减少与离表面层810的深度的增加成比例。

碳层710包括铬的碳化物沉淀，因此引起铬的非均匀性从而形成原电池。因此，当碳层710暴露于工件的表面时，耐腐蚀性可以减小。因此，当在外部应用电化学蚀刻时工件容易腐蚀。然而，在本发明中，将碳层710提供在工件内部，因此防止耐腐蚀性劣化。此外，因为将碳去除在已在低温下提供其之后，因此铬以相对少量沉淀在形成在表面上的层上，并因此耐腐蚀性不劣化。

通过加速老化试验和盐喷雾试验(ASTMF1387-99)评价耐腐蚀性。

图10中的图(a)图示了未被热处理的不锈钢套圈和热处理的不锈钢套圈的加速老化测试时随时间的照片。

典型的渗碳不锈钢套圈和热处理不锈钢套圈用次氯酸钠(HClO)处理并且其在室温下随时间的腐蚀程度用肉眼观察。

如这些附图中所示，直至最初的5min，没有大的差别，但随时间使典型的渗碳不锈钢套圈的腐蚀加速。局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈的耐腐蚀性没有劣化。

图10中的图(b)图示了通过盐雾测试耐腐蚀性随时间的照片。

简单渗碳不锈钢套圈在72hr之后腐蚀，但局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈的耐腐蚀性没有劣化。

热处理的第一区域具有600hv至800hv的维氏硬度，其大大高于未被热处理的部分的硬度200hv-300hv。典型的不锈钢强度保持在如其在第二区域中的那样，其设为200hv-300hv。由于仅仅需要的部分以这种方式选择性地强化，薄弱部分吸收扭矩并且可以防止需要高硬度的部分磨损。

Claims

1.一种制造局部碳氮共渗热处理的不锈钢套圈的方法，其包括将第二区域被镀敷的不锈钢套圈浸入含有氮系有机材料的熔融盐中以被热处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔融盐是含有所述氮系有机材料的熔融碱金属盐，并且通过浸入所述熔融盐中来热处理所述不锈钢套圈。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述氮系有机材料是包括碳和氮的杂环有机化合物。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述包括碳和氮的杂环有机化合物是嘌呤系化合物。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述嘌呤系化合物是尿酸。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二区域具有的硬度低于热处理部分的硬度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第二区域的硬度是不锈钢的常用硬度，并且所述热处理部分的硬度是600hv至800hv。