CN112218970A - 含钢的工件的低压渗碳方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实施1至30次连续循环(C1，C2，C3，C4)来对钢工件进行渗碳的方法，每次循环(C1，C2，C3，C4)包括：步骤(10)，以使表面碳比例直至达到预定的较高比例(14)的方式来注入渗碳气体，该渗碳气体在950℃至1050℃的温度下以1000Nl/h至3000Nl/h的流速注入一段时间(t₁)；以及，步骤(12)，注入中性气体，以使工件的表面碳比例降低直到达到预定的较低比例(22)，该注入中性气体的步骤包括将中性气体以1000Nl/h至10000Nl/h的流速注入一段时间(t₂)的第一阶段，随后，将中性气体以500Nl/h至3000Nl/h的速率注入一段时间(t₃)的第二阶段。

Description

含钢的工件的低压渗碳方法

技术领域

本发明涉及涉及一种对含钢的工件进行低压渗碳的方法。

背景技术

术语渗碳是指冶金领域的一种经典方法。它是一种热化学处理，包括使碳(C)表面渗入钢工件中，使其表面转化为高渗碳钢。钢被称为金属合金，主要由铁(Fe)和碳组成(其中，对于碳(C)，质量比例接近0％(相当于微量)且最高为2％)。碳含量对钢的性能具有相当大的影响。例如，碳(C)含量低于0.008％时，钢的延展性相当好，并且被称为“铁”。具体地，碳(C)含量会极大地改变了钢的熔化温度和机械性能。增加钢的碳含量可以提高其硬度(表面对尖端穿透的阻力)并降低其断裂伸长率。因此，增加工件表面的碳含量可以提高工件的表面机械性能，并增加其耐磨性和耐久性。

渗碳会形成向工件的中心递减的碳梯度。因此，碳浓度在工件的表面处富集。渗碳法已经有一百多年的历史，其实施方法自开始起已有了相当的发展，并且以气体形式进行的渗碳法已经实践了20多年。特别是当今，最经常使用的方法是低压气体渗碳(lowpressure gaseous carburizing，LPC；法语为cémentation gazeuse basse pression，CBP)，它是在极低的压力和高温下使用气态烃于真空渗碳容器中进行的渗碳方法，以获得富集碳且硬化的表面层，如文献FR 2 678 287 A1和WO 2016/160751 A1中所记载。

低压渗碳是在绝对压力为2毫巴至20毫巴，例如10毫巴的低压和高温下，在冷壁真空炉中使用气态烃进行的一种渗碳方法。

ECM科技公司的

方法是我们的模块化渗碳和处理设施中使用的专利方法。更准确地说，

包括交替注入烃C₂H₂和中性气体N₂，其中烃C₂H₂用于通过使分子在高温下裂解来形成表面富集，中性气体N₂用于扩散。

LPC(CBP)渗碳的难点在于限制碳扩散的深度，特别是渗碳材料对碳的存在非常敏感时，如Questek公司销售的

C61^TM和

C64^TM合金，其碳(C)的表面比例必须不超过0.5％。

事实上，

C61^TM和C64^TM合金与传统的组合物(例如含有0.16％碳(C)、3％镍(Ni)、低于1％铬(Cr)和微量钼(Mo)的组合物)的区别在于较高的碳(C)和γ生成元素(gammagenic element)：例如约0.2％的碳(C)含量，9％的镍(Ni)，3.5％的铬(Cr)，1％的钼(Mo)。

包括钴(Co)、镍(Ni)、氮(N)、铜(Cu)在内的γ生成元素是增加特定铁同素异形体(奥氏体)的稳定性范围的添加元素。奥氏体允许高溶解度的碳。绝大多数所谓的不锈钢都是奥氏体，并兼具良好的耐腐蚀性和高机械性能。

然而，这些

C61^TM和

C64^TM合金还含有较高比例的α生成元素(alphagenic element)，如钼(Mo)和铬(Cr)。α生成元素往往会使奥氏体不稳定，有利于铁素体。铁素体是钢的一种同素异形体，它对碳(C)的溶解性差，且在低温下具有铁磁性。因此，一旦碳(C)浓度过高，就会观察到形成不良体的铁复合物的析出，并对钢工件的微结构产生灾难性的影响。事实上，这些铁析出物以碳化物的形式形成网络，局部加强了工件的硬度，但在整体上弱化了工件。

因此，为了在不改变工件微观结构的情况下强化工件的机械表面性能，需要能够以适当比例的碳(C)对工件进行渗碳。

对于合金

C61^TM和

C64^TM来说，所需性能尤其取决于金相结构和表面碳(C)比例的变化。这两个特性直接取决于渗碳方法中使用的热化学处理。因此，获得具有合理使用工件所需特性的结构直接取决于渗碳过程中所限定的参数。

本发明旨在实现这一目的。因此，本发明提出了一种适用于含α生成元素和γ生成元素的钢工件的低压渗碳方法。

发明内容

因此，本发明的目的是一种对工件进行低压渗碳的方法，该工件尤其在其表面上包括钢，所述钢按重量百分比包括：

0.10％至0.20％的碳(C)，

0.1％至20％的钴(Co)，

2％至15％的镍(Ni)，

1％至10％的铬(Cr)，

其特征在于，所述方法包括：

a)将所述工件放置于渗碳容器中的步骤，和

b)实施1至30次连续渗碳循环，每次循环包括：

i)将渗碳气体注入渗碳容器的步骤(在此情况下称为“渗碳步骤”)，以使工件的表面富集碳并使工件的表面碳比例提高到预定的较高表面比例，渗碳气体以1000Nl/h至3000Nl/h的流速注入容器中并持续30s至250s的时段，容器的温度为950℃至1050℃，和

ii)向渗碳容器中注入中性气体的步骤，以使碳从工件的表面扩散到内部并使工件的表面碳比例降低到预定的较低表面比例，中性气体注入步骤包括将中性气体以1000Nl/h至10000Nl/h的流速注入5s至60s的时段的第一阶段，随后，将中性气体以500Nl/h至3000Nl/h的流速注入10s至2000s的时段的第二阶段。

这样允许渗碳在惰性气氛中进行，特别是在中性气体分压(如氮气(N₂))下进行，而不再是在真空下进行。因此，扩散在使用中性气体高流速进行吹扫阶段后于中性气体分压下进行。这将得到健康的结构，没有形成网络的晶间析出物，并具有可接受的残余奥氏体含量。

注入步骤的增倍使得奥氏体表面不至于过饱和，并使得能够得到在钢表面下扩散吸收(该吸收取决于所需渗碳深度)的最大限度内适量的碳(C)。因此，该注入步骤的增倍避免了尤其是在表面下区域中形成不期望的化合物(如晶界处的渗碳体析出物)。

因此，注入步骤允许碳(C)富集，而扩散步骤允许该碳(C)富集在奥氏体中稀释和扩散，以达到所需的深度。因此，这种扩散避免了表面的过饱和以及碳(C)的析出，其可能导致对钢富集有害的烟灰沉积。

根据本发明的方法可以包括以下特征或步骤中的一个或多个，这些特征或步骤相互独立或相互组合：

碳的预定的较高表面比例对所有循环都是相同的；

渗碳气体选自丙烷(C₃H₈)和乙炔(C₂H₂)；

渗碳气体具有0％至75％的稀释率，对于高渗碳深度，优选采用极低的稀释率，并且对于(很)浅的渗碳深度，优选采用极高的稀释率；

渗碳气体在0.1巴至3巴的压力下注入，并注意考虑相应的容器压力；

中性气体选自氮气(N₂)和氩(Ar)；

中性气体在0.1巴至7巴的压力下注入；和，

在最后一次渗碳循环之后，该方法包括最终扩散步骤，然后是冷却步骤，以该冷却步骤期间，冷却速率为7℃/min至200℃/min；

最终扩散步骤后的冷却步骤在渗碳容器外部于专用冷却室中进行；

冷却步骤结束时，碳(C)的表面质量比例为[0.4]至[0.6]％；

渗碳容器内的压力为0.002巴至0.025巴，增加压力的目的是改善所限定区域的渗碳；

工件由所述钢制成。

附图说明

当阅读作为非限制性示例的以下描述并参考附图时，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将会显现，其中：

图1是低压渗碳容器的示意图，其中放置有待根据本发明的方法进行渗碳的工件；

图2是经受本发明的低压渗碳方法的工件的表面存在的碳(C)的质量比例随时间变化的示意图；

图3是对于纯铁样品，在根据本发明的方法循环的不同步骤中，存在于工件中的碳(C)的质量比例随所述工件表面到中心的距离变化的图示。

具体实施方式

在此所描述的方法有利地适用于包含钢或由钢组成的工件1，钢包含α生成元素和γ生成元素，所述钢按重量百分比例如包括：

0.10％至0.20％的碳(C)，

0.1％至20％的钴(Co)，

2％至15％的镍(Ni)，

1％至10％的铬(Cr)。

该方法优选应用于包括

C61^TM和

C64^TM类型的合金或由

C61^TM和

C64^TM类型的合金组成的工件1。

C61^TM合金是具有以下组成的钢：

0.15％的碳(C)，

3.5％的铬(Cr)，

9.5％的镍(Ni)，

18％的钴(Co)，

1.1％的钼(Mo)，

0.08％的钒(V)。

C64^TM合金是具有以下组成的钢：

0.11％的碳(C)，

3.5％的铬(Cr)，

7.5％的镍(Ni)，

16.3％的钴(Co)，

1.75％的钼(Mo)，

0.2％的钨(W)，

0.02％的钒(V)。

在本示例中，被测合金为纯铁。

从图1中可以看出，根据本发明的方法由一个或多个连续的循环组成。在图2所示的示例中，该方法由连续的四个循环C1、C2、C3、C4来实施。每个循环C1、C2、C3、C4包括：注入渗碳气体，例如丙烷(C₃H₈)或乙炔(C₂H₂)的步骤10；然后是注入中性气体，例如氩(Ar)或氮气(N₂)的步骤12。该步骤是在中性气体的分压下进行扩散的步骤12。优选的是，每个注入渗碳气体的步骤10之后是直接进行注入中性气体的步骤12。

如图1所示，该方法首先包括将工件1放置于渗碳容器2的步骤。该渗碳容器2包括气体入口3和气体出口4，并能以密闭和等温的方式进行密封。

一旦工件1被放置于渗碳容器2中，便关闭并加热容器。一旦工件1达到稳定的目标温度后，便开始依次进行循环C1、C2、C3、C4。

如图2所示，每个循环C1、C2、C3、C4的第一步是将渗碳气体注入渗碳容器2中的步骤10(也称为碳富集步骤)。该富集步骤10的时段t₁为30s至250s，优选为50s至150s。富集步骤10的时段t₁是工件1表面上碳(C)的预定的最终的目标较高表面比例14(即该方法结束时要达到的温度)的函数。这里的“表面”是指基本上为零，优选为零的深度。在最佳条件下，这个较高的表面比例14可对应于在给定渗碳温度下碳(C)在奥氏体中的溶解度极限。这个较高的表面比例14通常高于待处理工件1的碳(C)的初始表面比例16。

在该富集步骤10中，渗碳气体以1000Nl/h至3000Nl/h(优选130Nl/h 0至1700Nl/h)的流速注入渗碳容器2，渗碳温度为950℃至1050℃(且优选等于1000℃±10℃)。

单位Nl/h是每小时标准升。标准升是由标准立方米派生的。标准立方米，符号为Nm3，有时表示为m3(n)，是一气体计量单位，对应于在正常温度和压力条件(根据参照系统为0或15℃，更少情况下为20℃，1大气压，即101325Pa)下，一立方米体积中的气体内容物。

这是一个常用但未被国际计量局认可的单位。对于纯气体来说，1个标准立方米相当于约44.6摩尔的气体。

具体而言，注入的渗碳气体的稀释率为0％至75％，优选为0％至25％，且渗碳气体在0.1巴至3巴，优选等于230±50毫巴下注入。这里的“稀释率”是指渗碳气体在中性气体的稀释，该中性气体通常是氩(Ar)或氮气(N₂)。

在富集步骤10中，钢工件表面的奥氏体发生部分或全部饱和。在富集步骤10结束时，所需的最大碳(C)含量14取决于钢的等级和进行渗碳的温度。

注入渗碳气体的步骤10结束时，使已富集碳(C)含量的工件1的碳(C)分子向工件1的中心扩散，以使工件1的组成均质化，如图3所示。

图3表示经受本发明方法处理的工件1的碳曲线，即工件1中存在的碳的质量比例随所述工件1的表面到中心的距离(即工件1的深度)变化的曲线。图3既示出了富集步骤10结束时且扩散步骤12开始前的碳(C)18(虚线)，还示出了扩散步骤12结束时的碳(C)20(实线)。因此，可以看出，在富集步骤10结束时，碳(C)18的比例随深度的变化表现出基本上呈指数性下降：在工件表面，碳(C)18的比例非常高，而在0.2mm的深度处，碳(C)的比例等于接近于0的值(在图3所示的用于测量的纯铁样品的情况下)。

每个循环C1、C2、C3、C4的第二步是扩散步骤12。该扩散步骤12是在中性气氛中进行的，因此，如上所述，需要将诸如氮气(N₂)或氩(Ar)的中性气体注入渗碳容器2中。因此，一旦富集步骤10完成，便将中性气体注入渗碳容器2中。

中性气体进入时产生的气体吹扫使得能够更有效地从工件1的表面去除渗碳气体分子。事实上，这种气体分子的去除实际上阻止了正在进行的富集。在真空气氛中，这些分子的去除要慢得多。

更具体地，扩散步骤12由两个阶段组成：吹扫渗碳气体的阶段，时段t₂为5s至60s(优选10±5s)；以及扩散本身的阶段，时段t₃为10s至2000s(优选30s至2000s)。因此，如图2所示，扩散步骤12的时段为(t₂+t₃)。

在所选择的示例中，为简化起见，t₁、t₂、t₃采用相同的值。事实上，取决于所需的处理精细度，从一个循环C1、C2、C3、C4到下一循环，通常需要对它们进行修改(调整)。

扩散步骤12中的两个阶段之间的区别在于：中性气体的注入速率。在吹扫阶段的时段t₂内，中性气体以1000Nl/h至10000Nl/h，优选6000±500Nl/h的流速注入渗碳容器2，容器2内的中性气体压力为0.1巴至7巴，优选等于230±50毫巴。在每个扩散阶段的时段t₃内，在吹扫阶段之后，中性气体以500Nl/h至3000Nl/h，优选等于1800±500Nl/h的流速注入，渗碳容器2内的压力为2毫巴至25毫巴，优选为7毫巴至13毫巴。

从图3中可以看出，在扩散步骤12结束时，碳(C)的速度20随工件1的深度的变化在0.2mm的深度时下降到达到接近0(如图3所示的对于纯铁样品的值)的速率之前，在0mm至0.1mm的深度时基本上呈现出一个平台区。

图2示出了在扩散步骤12(包括吹扫阶段和扩散阶段)结束时，碳(C)的预定的较低表面比例22低于在富集步骤10结束时获得的碳(C)的较高表面比例14。然而，该碳(C)的预定的较低表面比例22可以高于碳(C)的初始表面比例。

然而，重要的是要记住，该较低表面比例并不对应于物理值、材料特性或固定或控制值。该较低表面比例22的值是在本发明所针对的实施渗碳方法的下游得到的，即非常全面地涉及了以下的情况：

经处理的材料和目标渗碳深度，

所用渗碳系统的特性。

这个较低表面比例22的精确值既不能精确地测量，也不能真正地知道。

由于该方法是循环的，在给定循环C1、C2、C3的扩散步骤12之后，进入新的循环C2、C3、C4，并因此进入新的富集步骤10。富集步骤10和扩散步骤12相互循环跟进，C1、C2、C3、C4的循环次数为1至30次，优选为1至15次。从图1中可以看出，在不同步骤10、12结束时得到的碳(C)的较高表面比例14和较低表面比例22在整个方法中保持不变。作为示例，图2中示出了C1、C2、C3、C4的四次循环。

循环次数的改变会影响所需的最大碳(C)的比例14和预定的较低表面比例22，以及总扩散深度和最终的碳曲线。

当达到所需的C1、C2、C3、C4循环次数时，在最后一个循环C4的最后一个扩散步骤后，进行最终扩散步骤24，然后进行冷却步骤，并且观察碳(C)的表面比例的下降。冷却可以在渗碳容器2之外于专用的冷却室(未示出)中进行。冷却允许工件1的温度从其渗碳温度逐渐降低到适合处理工件1的温度。渗碳容器2或专用容器的冷却速率为7℃/min至200℃/min，优选为120±50℃/min。

在该最后的扩散步骤24之后，碳(C)的最终表面比例26低于在扩散步骤12结束时得到的碳(C)的较低比例22，但它可能高于初始比例16，如图2所示。

碳(C)的最终表面比例26应尽可能地接近碳(C)的理论最佳表面比例(对于Ferrium钢，按质量计为0.5％)。

根据钢的化学组成和待渗碳区的性质，目标的和获得的较低表面比例22和较高表面比例14由待渗碳的工件1的物理参数及其所使用的渗碳容器2的那些物理参数来得到。

上文给出的参数值的不同范围的不同组合使得能够对所处理的工件1进行不同的热化学处理。这些差异尤其与所得到的渗碳深度和渗碳结构类型有关。在设定渗碳方法的参数时，还必须考虑被渗碳工件1的形状(如带齿的工件)。

Claims (12)

1.一种对含钢的工件(1)进行低压渗碳的方法，所述钢按重量百分比包括：

0.10％至0.20％的碳(C)，

0.1％至20％的钴(Co)，

2％至15％的镍(Ni)，

1％至10％的铬(Cr)，

其特征在于，所述方法包括：

a)将所述工件(1)放置于渗碳容器(2)中的步骤，和

b)实施1至30次连续渗碳循环(C1，C2，C3，C4)，每次循环(C1，C2，C3，C4)包括：

i)将渗碳气体注入所述渗碳容器(2)的步骤(10)，以使所述工件(1)的表面富集碳并使所述工件(1)的表面碳比例提高到预定的较高表面比例(14)，所述渗碳气体以1000Nl/h至3000Nl/h的流速注入所述容器(2)中并持续30s至250s的时段(t₁)，所述容器(2)的温度为950℃至1050℃，和

ii)向所述渗碳容器(2)中注入中性气体的步骤(12)，以使所述碳从所述工件(1)的表面扩散到内部并使所述工件(1)的表面碳比例降低到预定的较低表面比例(22)，所述注入中性气体的步骤(12)包括将中性气体以1000Nl/h至10000Nl/h的流速注入5s至60s的时段(t₂)的第一阶段，随后，将中性气体以500Nl/h至3000Nl/h的流速注入10s至2000s的时段(t₃)的第二阶段。

2.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述碳(C)的预定的较高表面比例(14)对所有循环(C1、C2、C3、C4)都是相同的。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述渗碳气体选自丙烷(C₃H₈)和乙炔(C₂H₂)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述渗碳气体具有0％至75％的稀释率。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述渗碳气体在0.1巴至3巴的压力下注入。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述中性气体选自氮气(N₂)和氩(Ar)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述中性气体在0.1巴至7巴的压力下注入。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在实施所述渗碳循环(C1、C2、C3、C4)之后，所述方法进一步包括最终扩散步骤(24)，然后是冷却步骤，在所述冷却步骤期间，冷却速率为7℃/min至200℃/min。

9.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述最终扩散步骤(24)后的所述冷却步骤在所述渗碳容器(2)外部于专用冷却室中进行。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述最终扩散步骤(24)结束时，碳(C)的表面质量比例为0.4％至0.6％。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述渗碳容器(2)中的压力为0.002巴至0.025巴。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述工件(1)由所述钢组成。

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