CN109972077A - 用于渗碳Ferrium钢的氮化工艺 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了用于处理钢的方法以及所得经处理的钢。该方法可以包括：氮化渗碳Ferrium钢组件以使得所述Ferrium钢组件具有氮含量按重量计大于0％到约5％的表面部分。氮化所述Ferrium钢组件可以增加所述Ferrium钢的表面硬度。所述表面部分可以具有按重量计约0.05％到约0.5％的氮含量。

Description

用于渗碳Ferrium钢的氮化工艺
技术领域
本公开主要涉及用于处理金属的方法，更具体地，涉及用于处理金属以改善在恶劣环境中的耐久性的方法。
背景技术
渗碳钢齿轮广泛用于旋翼机，运输车辆，农业和越野设备，工业旋转设备和数千种其它应用中的动力传输。历史上，需要渗碳的合金经历了气氛(气体)工艺。然而，近年来，低压(即，真空)渗碳的发展已经使得某些应用利用工艺步骤的减少以及硬化层型面均匀性的改进。专门设计并开发了新一类的齿轮钢，C61和C64，以最大化真空渗碳工艺的益处。
然而，从风扇到低压涡轮传递动力的齿轮箱系统的组件需要改进的高强度材料，具体来说是轴承及其与周围组件的集成。因此，需要开发具有高效热处理的新型高性能钢。
发明内容
方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或是通过描述可显而易见的，或可通过本发明的实践而习得。
本公开提供了用于处理钢的方法以及所得经处理的钢。在一个实施例中，所述方法包括：氮化渗碳Ferrium钢组件以使得所述Ferrium钢组件具有氮含量按重量计大于0％到约5％的表面部分。大体上，氮化Ferrium钢组件增加Ferrium钢的表面硬度。举例来说，所述表面部分可以具有按重量计0.05％到0.5％的氮含量。
在一个实施例中，可以经由在包括含氮气体的处理气氛(例如，0.5毫巴到10毫巴)中等离子氮化所述Ferrium钢组件而执行氮化所述Ferrium钢组件。所述处理气氛在一个实施例中包括含氮气体和载气。举例来说，处理气氛包括按体积计1％到50％的含氮气体(例如，按体积计约5％到约25％)。
在特定实施例中，渗碳Ferrium钢组件可以在氮化之前例如在约400℃到约550℃的回火温度下进行回火。举例来说，在约400℃到约550℃的回火温度下对渗碳Ferrium钢组件进行回火可以经由双重回火工艺执行，所述工艺包括：在第一回火温度下对所述渗碳Ferrium钢组件执行第一回火工艺，并且随后在高于第一回火温度的第二回火温度下对所述渗碳Ferrium钢组件执行第二回火工艺。
还大体上提供一种经处理的Ferrium钢组件，其包括渗碳Ferrium钢组件的核心和所述组件的表面部分。所述核心可具有一种组成，其按重量计包括约0.10％到约0.2％的碳、约7.0％到约10.0％的镍、约16.0％到约18.5％的钴、约1.0％到约2.0％的钼、约3.0％到约4.0％的铬、高达约0.05％的钨，以及余量的铁。所述表面部分可具有一种组成，其按重量计包括约0.10％到约0.2％的碳、约7.0％到约10.0％的镍、约16.0％到约18.5％的钴、约1.0％到约2.0％的钼、约3.0％到约4.0％的铬、高达约0.05％的钨，约0.05％到约5％的氮，以及余量的铁。
在经处理的Ferrium钢组件的一个实施例中，所述表面部分界定外表面，所述外表面具有在洛氏标尺上约65到约69的表面硬度。举例来说，所述表面部分可以具有距离所述组件的外表面高达约35μm的深度。
在经处理的Ferrium钢组件的一个特定实施例中，所述核心可以具有按重量计基本上由以下各者组成的一种组成：约0.15％的碳、约9.5％的镍、约18.0％的钴、约1.1％的钼、约3.5％的铬，以及余量的铁，其中渗碳Ferrium钢组件具有在洛氏标尺上约65到约67的表面硬度。
在经处理的Ferrium钢组件的一个特定实施例中，所述核心可具有按重量计基本上由以下各者组成的一种组成：约0.11％的碳、约7.5％的镍、约16.3％的钴、约1.75％的钼、约3.5％的铬、约0.02％的钨，以及余量的铁，其中渗碳Ferrium钢组件具有在洛氏标尺上约65到约69的表面硬度。
这些和其它特征、方面和优点将参考以下描述和所附权利要求书变得更好理解。并入于本说明书中并构成本说明书的部分的附图说明了本发明的实施例，并与所述描述一起用以阐释本发明的某些原理。
附图说明
本发明的完整且启发性公开内容，包括其对于所属领域的技术人员来说的最佳模式，在参考附图的说明书中被阐述，在所述附图中：
图1示出已经过表面等离子氮化物处理的示范性经处理的Ferrium钢组件；以及
图2示出放入熔炉中以用于在其表面上的等离子氮化的示范性Ferrium钢组件。
在本说明书和图中重复使用参考标号旨在表示本发明的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
现将详细参考本发明的实施例，在图中说明本发明的实施例的一个或多个实例。每一实例是为了解释本发明而提供，而非限制本发明。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改及变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一实施例一起使用以产生再一实施例。因此，希望本发明涵盖此类修改以及变化，所述修改以及变化处于所附权利要求书以及其等效物的范围内。
本文公开的组成范围具有包括性和可组合性(例如，“高达约25重量％”或更具体来说“约5重量％到约20重量％”包括范围的端点和所有中间值)。基于整个组合物的重量来提供重量水平，除非另外规定；且还基于重量基础来提供比率。此外，术语“组合”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等等。此外，本文中的术语“第一”、“第二”等并不表示任何次序、数量或重要性，而实际上用于区分一个元件与另一个元件。本文的术语“一(a、an)”并不表示对数量的限制，而实际上表示存在所提及项目中的至少一个。与数量结合使用的修饰词“约”包括陈述值且具有由语境指定的含义(例如，包括与特定数量的测量相关联的误差的程度)。如本文中所使用的后缀“(s)”意图包括其修饰的术语的单数形式和复数形式两者，从而包括所述术语的一个或多个(例如，“耐火元件”可包括一个或多个耐火元件)。在整个说明书中提及“一个实施例”、“另一实施例”、“实施例”等等意味着结合实施例所描述的特定要素(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文中所描述的至少一个实施例中，且可或可不存在于其它实施例中。另外，应理解，所描述的创造性特征可在各种实施例中以任何合适方式加以组合。
一般地提供Ferrium钢，以及用于对由其形成的组件的表面进行硬化的方法。根据具体实施例，Ferrium钢可以经受渗碳和氮化。不希望受任何具体的理论所束缚，据相信，渗碳工艺导致所得Ferrium钢组件的高核心硬度，同时氮化工艺导致Ferrium钢组件的极高表面硬度。因此，经处理的Ferrium钢合金可以维持在渗碳工艺之后获得的高有效硬化层深度以具有极高核心硬度和机械性质，同时增加其表面抗疲劳性。另外，热稳定性可以在高温下增加(例如，在齿轮箱组件的出油条件中)。
I.渗碳和回火工艺
例如经由低压渗碳随后进行骤冷(例如，直接高压气体骤冷)可以对Ferrium钢进行渗碳。举例来说，在一个实施例中，可以经由低压渗碳(LPC)工艺对Ferrium钢进行渗碳，所述工艺可以在真空熔炉中使用烃类气体(例如，甲烷、丙烷、乙烯类、电石气等或其混合物)在极低压和升高的渗碳温度下实行。在某些实施例中，渗碳温度可为约850℃到约1100℃(例如，约900℃到约1050℃，例如约930℃到约1025℃)。渗碳压力可以是例如约0.1毫巴到约1毫巴(例如，约0.25毫巴到约0.75毫巴)。
在某些实施例中，LPC工艺可以在渗碳温度(例如，约850℃到约1100℃)下执行，且其特征可在于在总时间(例如，约250分钟到约400分钟，例如约300分钟到约350分钟)中的升压和碳扩散的交替循环。在渗碳之后，组件可以直接从渗碳温度骤冷。举例来说，渗碳工艺可以通过骤冷结束，例如氮气(N2)骤冷(例如，在约760托到约7500托的氮气压力下，例如约2250托到约5250托)。
在渗碳和骤冷之后，组件可以经受零下处理以便获得马氏体中的奥氏体的完全变换且避免残留奥氏体的存在。举例来说，Ferrium钢可以经受零下处理(例如，在约0℃到约100℃的温度下，例如约-50℃到约-100℃)。
处于或极接近于其最硬的可能状态的骤冷渗碳Ferrium钢可以随后经回火以使硬度逐渐减小到更适合于所需应用的点。因此，渗碳Ferrium钢可以在渗碳之后且在氮化之前进行回火，以便调整所得经处理Ferrium钢的表面性质。通常，回火是通过减小合金的硬度而实现较大韧性的热处理技术。硬度的减少通常伴随着延展性的增加，进而减小金属的脆性。
回火大体上涉及将渗碳Ferrium钢加热到回火温度(例如，约400℃到约550℃)。举例来说，渗碳Ferrium钢可以通过两次回火工艺进行双重回火。在一个实施例中，可以执行第一温度工艺以获得大量碳化物沉淀和残留奥氏体的转换，且可以执行第二温度工艺以精炼和稳定二次碳化物结构。举例来说，第一回火工艺可以涉及加热到第一温度(例如，约425℃到约460℃)，且第二回火工艺可以涉及加热到高于第一温度的第二温度(例如，约460℃到约500℃)。第一和第二回火工艺的加热过程可以相同或不同，例如约5℃/分钟到约25℃/分钟(例如，约5℃/分钟到约15℃/分钟)。类似地，第一和第二回火工艺的持续时间可以相同或不同，例如从约5小时到约10小时(例如，约7小时到约9小时)。
II.氮化工艺
通常可以在钢组件已经受渗碳之后执行氮化工艺。氮化工艺可以将氮气扩散到金属组件的表面中以产生表面硬化的表面。通过等离子氮化，可以修改钢组件的表面的微结构以便在其中包括氮。在某些实施例中，在氮化处理之后，组件的表面中的最大氮含量可为按重量计约0.5％(例如，按重量计大于0％到约5％，例如按重量计约0.05％到约0.5％)，以便避免可能带来裂缝产生的有害长氮化物的产生。在特定实施例中，可以选择氮化工艺以避免白色层的存在。举例来说，可以在氮化工艺之前研磨组件以便避免其上的白色层的形成。
参看图1，经处理Ferrium钢组件10示出为由渗碳Ferrium钢的核心12形成。外表面13暴露于含氮等离子场16，以使得氮扩散进入表面13以形成组件10内的表面部分14(例如，表面部分14中的氮的按重量计大于0％到约0.5％)。举例来说，在组件10的表面部分14中从外表面13到约35μm的深度(例如，约0.1μm到约30μm)，氮都是可测量的。
氮化工艺可为在含氮气氛中在反应温度下执行的氮化等离子工艺。在特定实施例中，含氮气氛的反应性是由于气体电离状态，其是由于热处理温度与在将氮化的表面处施加的电场的组合而形成。举例来说，可以使用电场来产生将氮化的表面周围的气体的电离分子(即，“等离子”)。
在一个实施例中，将电施加于组件10的表面13以便产生电场。在此类实施例中，施加于组件10的表面13的电的电压可为约450伏特到约550伏特。
由于氮离子不同于气体或盐浴是通过电离而可用，因此等离子氮化效率不取决于温度。等离子氮化可以在宽温度范围中执行，例如约260℃到约600℃。然而，在某些实施例中，可以利用适度温度来氮化Ferrium钢而不需要形成氮化铬沉淀。在一个实施例中，氮化工艺可为涉及在含氮气氛中约350℃到约500℃(例如，约400℃到约475℃，例如约425℃到约460℃)的热处理温度的等离子氮化工艺。
在等离子氮化工艺中，含氮气体(例如，氮气等)可以用作氮源，其可以形成存在或不存在任何额外气体的等离子气氛。也可以存在例如氢气或惰性气体(例如，氩气)等其它气体，例如载气。举例来说，含氮气体可为等离子气氛的按体积计约1％到约50％(例如，按体积计约5％到约25％，例如按体积计约5％到约15％)。在一个实施例中，可以在氮化工艺之前在部件的加热期间使用氩气和/或氢气以清洁将氮化的表面(例如，以从表面移除任何氧化层)。举例来说，处理气氛中的氢气的存在可以允许在组件的表面上的任何氧化物的继续移除。也可以执行其它清洁工艺，例如通过使用溶剂、蚀刻等。
如图2所示，组件10可以放入具有受热壁22的熔炉20(例如，热壁熔炉)中。组件10可以例如定位在平台24上以使得等离子16形成于组件10上方。熔炉20内的总压力可以受流动系统26控制，所述系统可包括阀28，所述阀控制从箱体30进入熔炉20的气体系统的流动速率。在某些实施例中，熔炉20内的处理气氛的总压力是约0.5毫巴(mbar)到约10毫巴(例如，约1毫巴到约5毫巴)。
在某些实施例中，经处理组件可以准备好在等离子氮化之后的使用，而无需任何额外机械加工、抛光或任何其它氮化后操作。然而，在其它实施例中，可以在研磨或另外机械加工组件之后使用渗碳和氮化物Ferrium合金。
IV.Ferrium钢
在特定实施例中，Ferrium钢可在渗碳之后但在氮化之前具有一种组成，其按重量计包括约0.10％到约0.2％的碳(C)、约7.0％到约10.0％的镍(Ni)、约16.0％到约18.5％的钴(Co)、约1.0％到约2.0％的钼(Mo)、约3.0％到约4.0％的铬(Cr)、高达约0.05％的钨(W)以及余量的铁(Fe)。举例来说，Ferrium钢可在渗碳之后但在氮化之前具有一种组成，其按重量百分比计包括约0.10％到约0.15％的C和/或约7.5％到约9.5％的将镍(Ni)。
示范性Ferrium钢可包括Ferrium C61和C64。Ferrium C61和C64是高度可硬化的二次硬化马氏体钢，其在渗碳处理之后但在氮化之前达到极高核心硬度和机械性质。举例来说，Ferrium C61可具有在洛氏标尺(Rc)上约60到约62的表面硬度，且Ferrium C64可具有约62到约64的Rc表面硬度(给定的值表示在渗碳处理之后但在氮化之前的硬度)。不希望受任何具体的理论所束缚，据相信，这些合金由于在Ni-Co板条马氏体基质中的纳米尺寸M2C碳化物分散度而达到其性质。
在渗碳之后但在氮化之前Ferrium C61和Ferrium C64的化学组成在下方表1中给定(以重量百分比wt％计)：
表1：示范性Ferrium钢组成
钢 C Ni Co Mo Cr W Fe
Ferrium C61 0.15 9.5 18.0 1.1 3.5 0 余量
Ferrium C64 0.11 7.5 16.3 1.75 3.5 0.02 余量
Ferrium C61和Ferrium C64在双硬化处理(例如，包括渗碳和氮化)之后可在齿轮箱应用中经由两种处理的优点的利用而提供集成式组件(例如，一体式座圈行星齿轮)的改进性能：通过渗碳得到的高核心硬度和有效硬化层深度，以及通过氮化得到的极高表面硬度。
举例来说，在某些实施例中，Ferrium C61的表面硬度可以在处理之后经由例如上文描述的渗碳和等离子氮化而增加为具有在洛氏标尺(Rc)上约65到约67的表面硬度(例如，使用维氏角锥数目(HV)为约850HV到约900HV)。类似地，Ferrium C64的表面硬度可以在处理之后经由例如上文描述的渗碳和等离子氮化而增加为具有在洛氏标尺(Rc)上约65到约69(例如，约66到约68)的表面硬度。
本书面描述使用示范性实施例来公开包括最佳模式的本发明，且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，并且可以包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果这种其它实例包括与所附权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么这种其它实例希望在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种处理钢的方法，所述方法包括：
氮化渗碳Ferrium钢组件以使得所述Ferrium钢组件具有氮含量按重量计大于0％到5％的表面部分，其中氮化所述Ferrium钢组件增加所述Ferrium钢组件的表面硬度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述表面部分具有按重量计0.05％到0.5％的氮含量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于氮化所述Ferrium钢组件包括：在包括含氮气体的处理气氛中等离子氮化所述Ferrium钢组件。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述处理气氛具有0.5毫巴到10毫巴的处理压力。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述处理气氛包括所述含氮气体和载气，其中所述处理气氛包括按体积计1％到50％的所述含氮气体。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述处理气氛包括按体积计5％到25％的所述含氮气体，且其中所述载气包括氩气、氢气或其混合物。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括：
在氮化之前，在400℃到550℃的回火温度下对所述渗碳Ferrium钢组件进行回火。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在400℃到550℃的回火温度下对所述渗碳Ferrium钢组件进行回火包括双重回火工艺，所述双重回火工艺包括：
在第一回火温度下对所述渗碳Ferrium钢组件执行第一回火工艺；以及
随后在高于所述第一回火温度的第二回火温度下对所述渗碳Ferrium钢组件执行第二回火工艺。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述渗碳Ferrium钢组件在渗碳之后但在氮化之前具有一种组成，所述组成按重量计包括0.10％到0.2％的碳、7.0％到10.0％的镍、16.0％到18.5％的钴、1.0％到2.0％的钼、3.0％到4.0％的铬、高达0.05％的钨，以及余量的铁。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述渗碳Ferrium钢组件在渗碳之后但在氮化之前包括按重量计0.10％到0.15％的碳的组成。
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