CN107109616A - 在较低压强和较高温度下钢零件的碳氮共渗方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种碳氮共渗设备(IC)，所述碳氮共渗设备包括：加热腔(CC)，所述加热腔用于在中性气体和所选择压强下加热至少一个钢零件(PA)直至第一温度；第一富集腔(CE1)，所述第一富集腔用于通过在低于或等于所述第一温度的第二温度下渗氮成α相使所述经加热的零件富集有氮；第二富集腔(CE2)，所述第二富集腔用于通过在高于所述第二温度的第三温度下渗碳使所述富集有氮的零件富集有碳；淬火腔(CT)，所述淬火腔用于在某压强下淬火所述富集有氮和碳的零件；转移闸腔(ST)，所述转移闸腔与所述腔连通，并且能够临时地将所述零件容纳在受控气氛中；以及转移部件(MT)，所述转移部件用于经由所述转移闸腔(ST)将所述零件从一个腔转移至另一个腔。

Description

在较低压强和较高温度下钢零件的碳氮共渗方法和设备
技术领域
本发明涉及用于强化钢零件的一些热化学处理，以及更确切地涉及这种钢零件的碳氮共渗。
背景技术
在一些领域中，例如在车辆(任选地机动车辆)的领域中，必须强化一些钢零件的耐久性，以及更确切地至少强化这些钢零件的抗疲劳性，以使这些钢零件可承受较大的应力和/或以便增加这些钢零件的使用寿命。这种强化可通过碳氮共渗获得。
注意到，碳氮共渗是一种热化学扩散处理，所述热化学扩散处理涉及在淬火步骤之前使钢的表面富集有碳和氮，以便获得马氏体结构和强化。使富集有氮(此处实施成奥氏体相)称作渗氮成α相，并且使富集有碳称作渗碳。渗氮成α相(或奥氏体相)用于通过渗入氮改善抗疲劳性和钢冶金结构稳定性。渗碳涉及将碳渗入到钢零件中以便增加要被淬火的钢零件的性能并因此能够增加所述钢零件的表面硬度以及抗疲劳性和抗磨损性。
淬火是在液体或气体环境中快速冷却，这促使出现具有极高硬度的马氏体结构。
如本领域技术人员所知，已知的碳氮共渗处理时间较长并且由于采取折衷而造成了提供非最优的冶金效果。事实上，所述碳氮共渗处理使用相对低的处理温度(通常大约850℃)，以便优化使富集有氮操作(和更确切地避免了渗氮成α相的氨(NH3)中的大部分在触碰到所述零件之前裂化)，但这有损于使富集有碳操作(所述使富集有碳需要更高的温度)并且有损于处理时间(所述处理时间由于相对低的处理温度而需增加)。
发明内容
因此，本发明的目的尤其在于改善所述情况。
为此，本发明尤其提供了一种用于允许至少一个钢零件的碳氮共渗的方法，所述方法包括：
-第一步骤，在所述第一步骤中，在包含中性气体的环境中并且在所选择压强下加热所述零件直至第一所选择温度，
-第二步骤，在所述第二步骤中，在第一富集腔中通过在低于或等于所述第一温度的第二所选择温度下渗氮成α相使所述经加热的零件富集有氮，
-第三步骤，在所述第三步骤中，在第二富集腔中通过在严格高于所述第二温度的第三所选择温度下渗碳使所述富集有氮的零件富集有碳，以及
-第四步骤，在所述第四步骤中，在某压强下淬火所述富集有氮和碳的零件。
由于所述零件的温度比实施渗氮成α相所用的温度更热，因此避免了渗氮气体在接触到所述零件时瞬时裂化并因此使该渗氮气体更可能用于使富集有氮。而且，这使氮能够在零件中更好扩散并因此增加了所述氮的浓度。此外，由于在高于渗氮成α相的温度的温度下实施渗碳，使零件富集有碳因此更有效且更快速。最后，由于在与实施使富集有氮的步骤的腔不同的腔中执行使富集有碳的步骤，这能够在使富集有氮的步骤与使富集有碳的步骤之间使温度极快速地变化。
根据本发明的方法可包括可单独采用或组合采用的其它特征，所述其它特征尤其是：
-在所述第一步骤中，所述中性气体可为氮气(或N2)；
-在所述第一步骤中，所述压强可在大约1巴至大约1.5巴之间。但所述压强可显著更低，例如约等于第二步骤和第三步骤中所使用的较低压强；
-在所述第一步骤中，所述第一温度可在大约800℃至大约1100℃之间；
-在所述第二步骤中，所述第二温度可在大约700℃至大约880℃之间；
-在所述第二步骤中，可通过使用氨渗氮成α相使所述零件富集有氮；
-在所述第三步骤中，所述第三温度可在大约900℃至大约1100℃之间；
-在所述第三步骤中，可通过使用乙炔渗碳使所述零件富集有碳；
-在所述第四步骤中，所述淬火压强可在大约1巴至大约20巴之间；
-在所述第四步骤中，所述淬火可实施在包含一种所选择气体的环境中。
本发明还提供了一种专用于钢零件的碳氮共渗的设备，所述设备包括：
-至少一个加热腔，所述至少一个加热腔能够在包含中性气体的环境中并且在所选择压强下加热至少一个钢零件直至第一所选择温度，
-至少一个第一富集腔，所述至少一个第一富集腔能够通过在低于或等于所述第一温度的第二所选择温度下渗氮成α相使所述经加热的零件富集有氮，
-至少一个第二富集腔，所述至少一个第二富集腔能够通过在严格高于所述第二温度的第三所选择温度下渗碳使所述富集有氮的零件富集有碳，
-至少一个淬火腔，所述至少一个淬火腔能够在某压强下淬火所述富集有氮和碳的零件，
-转移闸腔，所述转移闸腔以受控的方式与所述腔中的每个连通，并且能够临时地将所述零件容纳在支配受控气氛的环境中，以及
-转移部件，所述转移部件能够经由所述转移闸腔将所述零件从一个腔转移至另一个腔。
附图说明
通过阅读下文的详细说明和附图，本发明的其它特征和优点将更加清楚，在附图中：
-图1示意性和功能性地示出了根据本发明的碳氮共渗设备的实施例，以及
-图2示意性地示出了实施根据本发明的碳氮共渗方法的算法示例。
具体实施方式
本发明的目的尤其在于提供一种用于允许在较高温度和较低压强下钢零件的碳氮共渗的方法以及一种相关联的设备IC。
在下文中，作为非限制性示例，认为钢零件PA用于装配在车辆(任选地机动车辆)上。例如，可涉及变速箱的零件、传动装置的零件、或各种齿轮系。但本发明不限于该应用。本发明事实上涉及用于装配在装置、仪器、系统(和尤其是车辆，无论为任何类型的)、或设备(任选地为工业类型的)上的任何钢零件。因此，本发明还尤其涉及航空领域中的一些传动装置元件，以及通常涉及机械地诱发出磨损和疲劳的零件。
钢零件PA的碳氮共渗方法至少包括第一步骤、第二步骤、第三步骤和第四步骤。
这种方法可由具有图1上非限制性所示的碳氮共渗设备的类型的碳氮共渗设备IC实施。
如图1上所示，根据本发明的碳氮共渗设备IC包括至少一个加热腔CC、至少一个第一富集腔CE1、至少一个第二富集腔CE2、至少一个淬火腔CT、转移闸腔ST和转移部件MT。
转移闸腔ST包括具有受控入口的输入端ES以及具有受控入口的输出端SS，并且通过所述输入端引入要处理的每个(钢)零件PA，通过所述输出端取出经处理的零件PA。例如，输入端ES和输出端SS每个都包括电动或气动控制的并且确保密封界面的单重或双重密封的滑动门。该转移闸腔ST以受控的方式与腔CC、CE1、CE2和CT中的每个连通，并且能够在从一个腔转移到另一个腔的过程中的每个时临时地将零件PA容纳在支配用于避免氧化的受控气氛的环境中。
该受控气氛可为所选择的真空，优选地在大约2毫巴至大约50毫巴之间，并且该受控气氛可为中性的(例如由中性气体(例如氮气(或N2))限定)。
注意到，每个零件PA优选地安置在托盘上，所述托盘可容纳一个或多个要处理的零件。在下文中，作为非限制性示例，认为一次仅处理一个零件PA。
所述(每个)加热腔CC配置用于在包含中性气体的环境中并且在所选择压强P1下加热零件PA直至第一所选择温度T1。所述(每个)加热腔包括入口控制部件，例如电动或气动控制的并且使用转移闸腔ST确保密封界面的单重或双重密封的滑动门。
例如，中性气体可为氮气(或N2)。
还例如，压强P1可基本等于大气压强。因此，压强P1可例如在大约1巴至大约1.5巴之间。但在更经济节省的变型中，该压强P1可约等于(或等同)富集腔CE1和CE2中所使用的较低压强(通常几毫巴)。
优选地，第一温度T1在大约800℃至大约1100℃之间。例如，第一温度可选择成等于1050℃。
所述(每个)第一富集腔CE1配置用于在较低压强下通过在低于或等于第一温度T2的第二所选择温度T2(即T2≤T1)下渗氮成α相使已经在所述(一个)加热腔CC中加热的零件PA富集有氮。优选地，该第二温度T2严格低于第一温度T2(即T2<T1)。所述(每个)第一富集腔包括入口控制部件，例如电动或气动控制的并且使用转移闸腔ST确保密封界面的单重或双重密封的滑动门。
优选地，第二温度T2在大约700℃至大约880℃之间。例如，第二温度可选择成等于830℃。
例如，为了通过渗氮成α相实施使富集有氮，可使用气态氨(或NH3)。该气体构成第一富集腔CE1内部的气氛。
所述(每个)第二富集腔CE2配置用于在较低压强下通过在严格高于第二温度T2的第三所选择温度T3(即T3>T2)下渗碳使已经在所述(一个)第一富集腔CE1中富集有氮的零件PA富集有碳。所述(每个)第二富集腔包括入口控制部件，例如电动或气动控制的并且使用转移闸腔ST确保密封界面的单重或双重密封的滑动门。
优选地，第三温度T3在大约900℃至大约1100℃之间。例如，第三温度可选择成等于1050℃。
例如，为了通过渗碳实施使富集有碳，可使用气态乙炔(或C2H2)。该气体构成第二富集腔CE2内部的气氛。但可使用其它渗碳气体，尤其是丙烷。
所述(每个)淬火腔CT配置用于在某压强下淬火已经在第一富集腔CE1和第二富集腔中富集有氮和碳的零件PA。优选地在接近环境温度的第四所选择温度T4下并且在高于或等于大气压强的压强P2下进行该淬火。所述(每个)淬火腔包括入口控制部件，例如电动或气动控制的并且使用转移闸腔ST确保密封界面的单重或双重密封的滑动门。
例如，淬火压强P2可在大约1巴至大约20巴之间。因此，对于包含少量合金的钢，淬火压强可例如选择成等于大约15巴。
注意到，淬火压强的增加能够更强烈地淬火零件PA，但这引起更多的变形。压强的选择因此为在旨在获得的钢的淬透性、变形与硬度之间的折衷。
淬火可通过浸泡实施在包含所选择气体(例如氮或氦)的环境中。淬火气体因此构成淬火腔CT内部的气氛。
作为变型，淬火可通过浸泡实施在包含所选择液体(例如油或聚合物)的环境中。
转移部件MT配置用于经由转移闸腔ST将零件PA从一个腔转移至另一个腔。所述转移部件包括例如(优选地电动)机动化的小车，所述小车包括能够支撑至少一个零件PA的托盘，并且所述小车装配成可在固定地安置在转移闸腔ST中的轨道上平移，并且(经由所述转移闸腔ST的输入端ES和输出端SS)与外部连通以及与不同的腔CC、CE1、CE2和CT连通，以便能够转移零件PA。
当至少一个零件PA已借助于转移部件MT安装到所述(一个)加热腔CC中(图1所示的箭头F1和F2)时，实施根据本发明的方法的第一步骤。该安装对应于图2所示的算法示例的子步骤10。
在该第一步骤中，在包含中性气体(如上文所述，例如氮气)的环境中并且在所选择压强P1(任选地基本等于大气压强)下加热零件PA直至第一所选择温度T1。
这种在中性气氛中并且在较低压强下的加热能够具有的零件PA的加热速度明显比在真空加热的情况下的加热速度更快。例如，为了在中性气氛中并且在大约1巴下使零件PA的温度达到大约1050℃，需要大约一小时，而在真空下需要大约一小时加一刻钟。这样能够更快速地释放加热腔CC。
第一步骤对应于图2所示的算法示例的子步骤20。
当所述零件PA已在加热腔CC中在第一温度T1下被加热然后已借助于转移部件MT安装到所述(一个)第一富集腔CE1中(图1所示的箭头F2、F3和F4)时，实施根据本发明的方法的第二步骤。
在该第二步骤中，在较低压强(通常几毫巴)下通过在第二所选择温度T2(低于或等于第一温度T1，优选地严格低于T1)下渗氮成α相使经加热的零件PA富集有氮。
由于零件PA的温度T1优选地初始地比实施渗氮成α相所用的温度T2更热，避免了渗氮气体在接触到所述零件时瞬时裂化并因此使该气体更多地使用于使富集有氮。而且，这使氮能够在零件PA中更好扩散并因此增加了所述氮的浓度(符合菲克定律)。
注意到，当使用氨作为渗氮气体时，在大约800℃至大约850℃之间达成使零件PA最大化地富集有氮。事实上，自大约900℃起，氨在气氛中瞬时裂化达99％并且不再可用于使零件PA富集有氮。
还注意到，渗氮成α相所用的时长可等于大约十分钟。该时长取决于期望引入到零件PA中的氮量。
在渗氮成α相结束时，由于渗氮成α相所需的温度T2严格低于T1，零件PA的温度变得略微低于T1。例如，当T1等于1050℃时并且当渗氮成α相所用的温度等于830℃时，富集有氮的零件PA的温度在渗氮成α相所用的十分钟末尾等于大约1010℃。
第二步骤对应于图2所示的算法示例的子步骤30。
当零件PA已在第一富集腔CE1中富集有氮然后已借助于转移部件MT安装到所述(一个)第二富集腔CE2中(图1所示的箭头F4、F5和F6)时，实施根据本发明的方法第三步骤。
在该第三步骤中，在较低压强(通常几毫巴)下通过在第三所选择温度T3(严格高于第二温度T2)下渗碳使已富集有氮的零件PA富集有碳。
渗碳所用的第三温度T3越高，使零件PA富集有碳更有效且更快速。例如，为了通过渗碳获得称作E650的值为0.4毫米的惯例深度，当渗碳所用的第三温度T3等于900℃时，需要大约210分钟进行处理，而当渗碳所用的第三温度T3等于1050℃时，需要15分钟。
然而注意到，由于引起钢的冶炼因晶粒增大而强烈恶化，不推荐使用高于1100℃的渗碳T3所用的第三温度。另外，对于高于950℃的渗碳所用的第三温度T3，优选地初始就给零件PA的钢添加合金元素(例如铌)，以便阻止晶粒增大。
还注意到，第三步骤的时长可等于大约十五分钟(其中十分钟用于在乙炔下有效地渗碳，然后五分钟用于在氮气下碳在零件PA中完全扩散)。该时长取决于零件PA中所期望的处理深度。
在渗碳结束时，由于渗碳所用的温度T3严格高于第一富集腔CE1的输出端具有的温度，零件PA的温度变得等于T3。
第三步骤对应于图2所示的算法示例的子步骤40。
当零件PA已在第一富集腔CE1和第二富集腔CE2中富集有氮和碳然后已借助于转移部件MT安装到所述(一个)淬火腔CT中(图1所示的箭头F6、F7和F8)时，实施根据本发明的方法的第四步骤。
在该第四步骤中，在压强P2下淬火(或快速冷却)富集有氮和碳的零件PA。
淬火所用的第四温度T4例如环境温度，通常等于大约20℃。
所使用的淬火压强P2优选地在大约1巴至大约20巴之间。这些比在第二步骤和第三步骤中使用的较低压强的值更大的值能够增加冷却速度。极快速的速度能够转变富集有氮和碳的奥氏体，以便形成马氏体以及明显增加零件PA的硬度。
注意到，淬火所用的时长可在大约2分钟至大约5分钟之间。该时长主要取决于要处理的零件PA的尺寸以及所述钢的初始化学组成。
第四步骤对应于图2所示的算法示例的子步骤50。
在淬火结束时，零件PA通过转移部件MT从加热腔CC输出然后从转移闸腔ST(经由所述转移闸腔的输出端SS)输出(图1所示的箭头F8和F9)。
还注意到，根据本发明的碳氮共渗设备IC可任选地包括：至少一个其它加热腔CC，所述至少一个其它加热腔用于能够几乎连续地向第一富集腔CE1中供应，在所述第一富集腔中的处理时长显著比加热时长更短；和/或至少一个其它第一富集腔CE1，所述至少一个其它第一富集腔用于并列地处理多个零件PA和/或用于执行附加的使富集有氮；和/或至少一个其它第二富集腔CE2，所述至少一个其它第二富集腔用于并列地处理多个零件PA和/或用于执行附加的使富集有碳；和/或至少一个其它淬火腔CT，所述至少一个其它淬火腔用于并列地处理多个零件PA。尤其是，可考虑在渗碳之后实施第二渗氮成α相，以获得零件PA的表面上的较大的氮浓度。
本发明具有多个优点，所述多个优点包括：
-相对于传统的碳氮共渗较大地减少了处理时间，
-显著地减少了气体消耗，
-减少了所需的用于控制碳氮共渗设备的技术人员的数量，
-可能按较紧流程运行，
-显著地增加了零件中含有的氮，并因此改善了所述零件的功能性特征(以及主要改善所述零件的抗疲劳性)，
-获得具有几乎同样属性的零件，
-削减了处理成本。

Claims (10)

1.一种至少一个钢零件(PA)的碳氮共渗方法，其特征在于，所述碳氮共渗方法包括：第一步骤，在所述第一步骤中，在包含中性气体的环境中并且在所选择压强下加热所述零件(PA)直至第一所选择温度；第二步骤，在所述第二步骤中，在第一富集腔(CE1)中通过在低于或等于所述第一温度的第二所选择温度下渗氮成α相使所述经加热的零件(PA)富集有氮；第三步骤，在所述第三步骤中，在第二富集腔(CE2)中通过在严格高于所述第二温度的第三所选择温度下渗碳使所述富集有氮的零件(PA)富集有碳；以及第四步骤，在所述第四步骤中，在某压强下淬火所述富集有氮和碳的零件(PA)。
2.根据权利要求1所示的方法，其特征在于，在所述第一步骤中，所述中性气体为氮气。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第一步骤中，所述第一温度在大约800℃至大约1100℃之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中，所述第二温度在大约700℃至大约880℃之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中，通过使用氨渗氮成α相使所述零件(PA)富集有氮。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第三步骤中，所述第三温度在大约900℃至大约1100℃之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第三步骤中，通过使用乙炔渗碳使所述零件(PA)富集有碳。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第四步骤中，所述淬火压强在大约1巴至大约20巴之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第四步骤中，所述淬火实施在包含一种所选择气体的环境中。
10.一种钢零件(PA)的碳氮共渗设备(IC)，其特征在于，所述碳氮共渗设备包括：i)至少一个加热腔(CC)，所述至少一个加热腔能够在包含中性气体的环境中并且在所选择压强下加热至少一个钢零件(PA)直至第一所选择温度；ii)至少一个第一富集腔(CE1)，所述至少一个第一富集腔能够通过在低于或等于所述第一温度的第二所选择温度下渗氮成α相使所述经加热的零件(PA)富集有氮；iii)至少一个第二富集腔(CE2)，所述至少一个第二富集腔能够通过在严格高于所述第二温度的第三所选择温度下渗碳使所述富集有氮的零件(PA)富集有碳；iv)至少一个淬火腔(CT)，所述至少一个淬火腔能够在某压强下淬火所述富集有氮和碳的零件(PA)；v)转移闸腔(ST)，所述转移闸腔以受控的方式与所述腔(CC，CE1，CE2，CT)中的每个连通，并且能够临时地将所述零件(PA)容纳在支配受控气氛的环境中；以及vi)转移部件(MT)，所述转移部件能够经由所述转移闸腔(ST)将所述零件(PA)从一个腔转移至另一个腔。
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