CN114007779A - 可变扩散渗碳法 - Google Patents

Abstract

一种粉末金属零件的渗碳方法，其涉及多个渗碳步骤。在锻前渗碳步骤中，对小于完全致密的粉末金属零件进行渗碳，以形成锻前渗碳轮廓。在锻前渗碳步骤之后，对粉末金属零件进行锻造，以提高粉末金属零件的密度，并使锻前渗碳轮廓转变为锻造的渗碳轮廓。锻造步骤后的锻后渗碳步骤中，粉末金属零件再次进行渗碳，从而导致碳从锻造的渗碳轮廓进一步扩散到粉末金属零件中，并在粉末金属零件的表面处将碳进一步引入粉末金属零件中。

Description

可变扩散渗碳法

相关申请的交叉引用

本申请要求享受2019年4月12日提交的名为《可变扩散渗透法》的美国临时专利申请号62/833,407的申请日的权益，其全文通过引用纳入本文以用于所有目的。

联邦资助研究或开发的声明

无。

发明领域

该公开涉及对粉末金属部件进行渗碳的方法。

背景

许多高应力的含铁部件设计成在其表面附近具有高强度，并具有韧性更高的延性芯部区域。例如，许多常规齿轮在其齿部中采用这种设计，以提供坚固的齿表面，并且齿芯具有相当的延展性，以根据齿部功能提供适当的机械材料性能平衡。

实现含铁部件表面和其芯部之间材料特性差异的常用方法是对部件进行渗碳处理。在典型的渗碳期间，部件在载碳材料的存在下进行加热，并将碳引入部件表面并在部件表面被吸收。这些碳随后向内扩散到部件主体的体积中。通常，在谨慎控制的含碳气体环境中对部件进行加热，虽然从历史上看，部件可能已经包装为与富碳材料(如木炭)接触以提供碳。

经渗碳的部件随后通常进行淬火，以在部件中形成马氏体相。马氏体的产生提高了表面层的强度和硬度，但马氏体也非常脆。进一步的热处理(如回火)可用于缓解部件中的一些脆性。

作为一种基于扩散的工艺，这种情况下渗碳取决于时间和温度，并且这种依赖性可能具有微观结构、宏观结构和经济上的意义。例如，由于钢的扩散速度较慢，通常在含碳量较高的表面层和可能不含太多碳(如果有)的原始母材之间会发生明显且相对急剧的碳含量转变(因此，材料性能也会发生转变)。这意味着，虽然明显的渗碳层有助于支撑所施加的载荷，但其很快转向韧性芯部，而相对于渗碳层，韧性芯部对高载荷的支撑作用很小(尽管芯部可以提供上述韧性和延性)。此外，由于时间和温度都是工艺变量，渗碳可能非常昂贵，需要大量能源和高设备产量。在选择特定部件生产线的渗碳工艺参数时，应考虑此类投入的成本以及所需的结果轮廓(例如深度、碳含量等)。

发明内容

本文公开了对粉末金属零件进行渗碳的改进方法。这些渗碳方法包括通过以下方式对粉末金属零件进行顺序加工：以低于完全密度(full density)的方式对粉末金属零件进行渗碳(在某些情况下，作为烧结渗碳过程的一部分)，然后对零件进行煅制以提高粉末金属零件的密度，然后在锻造后再次对粉末金属零件进行渗碳。锻前渗碳步骤可在通过烧结和/或锻造使孔关闭之前通过利用含碳气体在工艺早期通过粉末金属零件的多孔网络输送碳的能力，帮助碳初始渗透到比在类似时间-温度-气氛条件下的完全致密锻制零件更深的深度。这可以将初始碳轮廓相对更深地有效“掺杂”到锻造步骤后将成为零件外表面的部分，而不是像完全致密零件中必然的那样，仅依赖固态扩散作为传输机制。锻造后，锻造零件可以在升高的温度下再次进行渗碳；然而，由于已经在锻造粉末金属零件外表面的一定深度处预先形成了一些锁定碳(locked-in carbon)，该初始引入的碳现在可以在加热期间进一步扩散到零件中，同时在零件表面处引入新的碳，从而在该表面处产生更高的碳含量。该多步骤工艺可以通过改变不同的工艺参数产生更复杂且渐进的碳梯度，所述碳梯度可以广泛变化，并设计为具有所需的外壳轮廓(case profile)。

除了在硬化外壳和芯部之间提供不那么急剧的过渡外，锻造步骤还可以特别地设计为成型为初始锁定碳轮廓。例如，通过在锻造步骤期间产生零件材料的可变流动(可通过将锻前预制件设计为尺寸与锻后形式不成比例来实现)，初始碳轮廓的截面可增厚和/或变薄或拉伸和/或压缩，以在后续渗碳步骤前产生厚度不同的初始碳层。通过这种方式，可以生成相当精密的定制渗碳轮廓。

相对于目前的技术水平，这些改进的渗碳方法可能提供许多益处。作为一个示例，该顺序允许使用常规外壳渗碳工艺(即，在完全密度或接近完全密度的零件上进行烧结渗碳和气体渗碳)在所得零件中形成可变外壳深度，但与完全致密锻制零件的渗碳相比，可减少时间并节约成本。此外，该顺序允许形成可变外壳深度和几何形状，其仅使用现有的烧结渗碳技术无法生产。

根据一个方面，提供了对粉末金属零件进行渗碳的方法。在锻前渗碳步骤中，对小于完全致密的粉末金属零件进行渗碳，以形成锻前渗碳轮廓。然后，在锻前渗碳步骤后，对粉末金属零件进行锻造，以提高粉末金属零件的密度。该锻造还能将锻前渗碳轮廓转变为锻造的渗碳轮廓。在锻后渗碳步骤中，粉末金属零件在锻造步骤后进行渗碳。该锻后渗碳步骤导致碳从锻造的渗碳轮廓进一步扩散到粉末金属零件中，并在粉末金属零件表面处将碳(从渗碳环境)进一步引入粉末金属零件中。

在该方法的一些形式中，在锻造步骤中，粉末金属零件可以锻造至粉末金属零件的有效完全密度。本领域技术人员将认识到，即使在锻造之后，粉末金属零件的有效完全密度也小于理论完全密度，并且涉及消除几乎所有内部孔隙。在含铁部件的情况下，预期有效完全密度可为(例如)理论完全密度的98％或高于98％。但是，也可参考金属粉末工业联合会(Metal Powder Industries Federation，MPIF)标准确定给定材料的有效完全密度。本申请中的理论完全密度是指材料的真实密度，其对应于没有任何孔或孔隙的完全密度。

在一些形式中，在锻造步骤前小于完全致密的粉末金属零件的密度可以小于理论完全密度的95％。同样，该百分比仅作为示例，具体百分比可取决于具体材料组合物的烧结性，但在任何情况下都应理解，经过第一锻前渗碳步骤的粉末金属部件的密度小于完全密度，并且至少在某些形式下，具有连接孔的网络，以使碳在粉末金属零件内发生非固态或气态迁移，使渗碳深度不仅仅是如完全致密零件中那样的时间和温度的主要函数。

在该方法的一些形式中，该方法还可以包括：对粉末金属零件进行烧结。在该方法包括烧结的情况下，预期锻前渗碳步骤可在粉末金属零件烧结期间发生(即，如烧结-渗碳工艺中那样同时或并行发生)。通过这种方式，预期，当在生坯压坯(green compact)形式时，粉末金属零件具有相对于理论完全密度相对较低的密度，并且当烧掉保持粉末金属颗粒的任何粘合剂或润滑剂时，生坯压坯的剩余多孔网络可至少暂时用于将碳从大气中气态输送到压坯中。例如，烧结前粉末金属零件的密度可以例如小于粉末金属部件的理论完全密度的90％。

在一些形式中，在煅前渗碳步骤前，粉末金属零件的基础碳百分比可以为粉末金属零件的0.1重量％至0.3重量％。“基础碳百分比”(base carbon percentage)是指在压坯或烧结形式的粉末金属加工期间，在进行任何渗碳热处理之前，材料中的碳含量。对于这样的起始基础碳百分比，在煅前渗碳步骤后，锻前渗碳轮廓的渗碳区域中碳百分比可以为例如0.5重量％至0.6重量％碳。在锻造和锻后渗碳步骤之后，最接近粉末金属零件表面的区域中碳百分比可以为0.7重量％至0.9重量％的碳。

在该方法的一些形式中，将锻前渗碳轮廓转换为锻造的渗碳轮廓可以包括从相对于粉末金属零件表面具有均匀深度的锻前渗碳轮廓开始，随后对粉末金属零件进行锻造，使得锻造后，相对于粉末金属零件表面，锻造的渗碳轮廓(profile)具有不同深度。换句话说，在锻造期间，由于变化的材料流动，锻造可能导致轮廓的几何变化。这可以专门设计到该工艺中，并且见述于例如2013年8月27日发布的GKN烧结金属有限公司(GKN SinterMetals,LLC)的题为“粉末锻造差速齿轮”(Powder Forged Differential Gear)的美国专利8517884号，该专利通过引用全文纳入本文用于所有目的。

在一些形式中，粉末金属零件可以是含铁的，并且具体来说，该渗碳将在铁基粉末金属颗粒上进行。

在该方法的一些形式中，锻前渗碳步骤可能导致渗碳深度大于类似组成的在类似渗碳时间-温度-气氛暴露条件下完全致密的对照粉末金属零件。这种更大的渗碳深度是因为锻造步骤之前粉末金属零件的孔隙提供了非固态扩散基途径，与完全致密零件相比，碳更深地渗入粉末金属零件的体积中。

在一些形式中，通过该方法制备的粉末金属零件可以是齿轮。由于例如当表面在锻造前已经具有显著外壳硬化时，内径小孔(pin hole)或齿条(spline)中无法锻造，因此在差速器齿轮的情况下，尤其是小型差速器齿轮可能具有无法使用传统烧结渗碳技术进行加工的特征。在准双曲面齿轮中，由于材料流动，可能无法保持根深硬度(root depthhardness)。在小齿模块的平行轴齿轮中，渗碳层可能相对于齿厚太深。

在一些形式中，在锻后渗碳步骤中，粉末金属零件可以具有最终渗碳轮廓。最终渗碳轮廓可以具有从粉末金属零件表面到体积的碳梯度，所述碳梯度比在类似时间-温度-气氛暴露条件下以单步渗碳的完全致密零件的渗碳梯度更平缓。

在一些形式中，所述方法还可以包括：在锻造步骤和锻后渗碳步骤之间对粉末金属零件进行机械加工(例如，软车削(soft turning))。此时，虽然添加了一些碳，但并未添加所有的碳，但零件处于最终或接近最终几何形状，并且在该阶段对粉末金属零件进行煅制可能比在锻后渗碳步骤之后进行更容易。

然而，由本文所述的各种方法生产的粉末金属零件同样被认为属于本发明的范围。

将由以下详细描述和附图了解本发明的这些和其它优势。下述内容只是关于本发明的一些优选实施方式的描述。为了评定本发明的整个范围，对于权利要求书应理解这些优选的实施方式并非旨在于是权利要求书范围内的仅有的实施方式。

附图说明

图1A和1B提供了仅使用常规气体渗碳方法生产的锻制零件的外壳轮廓图像。

图2A和2B提供了仅使用常规烧结渗碳方法生产的粉末金属零件的外壳轮廓图像，其中，所有渗碳都发生在锻造步骤之前。

图3A和3B提供了使用多阶段渗碳工艺生产的粉末金属零件的外壳轮廓图像，所述多阶段渗碳工艺包括顺序烧结渗碳、锻造和气体渗碳步骤。

图4提供了粉末金属零件的逐步烧结渗碳和各个区域中碳含量的示意图。

图5A和5B提供了描绘如下物品的图像：在图5A中描绘了锻前渗碳和锻造后的齿轮形式，并且在图5B中描绘了在进一步的最终渗碳步骤后的相同齿轮的形式。

图6提供了类似于图4的示意图，但进一步显示了锻造步骤后的最终气体渗碳步骤。

具体实施方式

为了对所公开方法及其相对于现有技术的改进进行最佳理解，现在将提供传统气体渗碳和传统烧结渗碳的简要比较。了解了这些渗碳模式后，可以理解新颖方法如何通过中间锻造步骤实现两种模式(其可略微进行修改)的各个方面，从而在粉末金属部件中获得独特的渗碳轮廓，从而能够降低成本。

在常规气体渗碳中，将完全致密含铁产品置于加热环境(包含含碳气体)中，在导致将环境中的碳吸收到含铁产品中的条件下放置一段时间。热量的增加导致周期缩短，每段时间长度的碳渗透深度增加，但可能会以某些其他不期望的冶金或尺寸效果为代价(如，零件的晶粒生长或下垂或翘曲)。因此，传统气体渗碳方法受到操作热量(即温度)和该温度下材料扩散曲线的限制。基于气体渗碳的材料，最终结果因此在很大程度上取决于温度下的时间和扩散曲线。

在完全致密的锻制材料中，渗碳表面轮廓通常描述为具有狭窄过渡区的极低碳区上方的极高碳区。由于该工艺的方法，零件的渗碳区在整个暴露表面上通常具有非常均匀的厚度。

图1A和1B在锻造和经气体渗碳的齿轮齿部的两幅图像中描绘了该轮廓的均匀性，其中，外壳轮廓在齿部表面上具有非常均匀的厚度。图1A是显示外壳深度的显微照片，用箭头表示齿部表面不同位置处的均匀外壳深度。图1B显示了不同位置处齿部的维氏(Vickers)硬度值，并且可以看出，齿部的外表面层具有高硬度值(高达786HV)，而芯部的硬度值明显较低(仅435-500HV)。外层或硬化外壳与芯部之间的过渡非常剧烈且尖锐。

在商业上，含铁部件的大多数渗碳是基于锻制或完全致密零件的气体渗碳。这在很大程度上是因为许多部件在渗碳前基于其制造方式(如铸造、挤出等)是完全致密的。

然而，值得注意的是，对于粉末金属部件的渗碳类型存在另一种不太常见的方法，称为烧结渗碳或“烧结碳(sinta carb)”，可用于开发更深的碳轮廓。

为了理解烧结渗碳如何工作，首先必须了解粉末金属部件通常是如何制造。在粉末金属部件的生产中，粉末金属粉末与粘合剂、蜡和/或润滑剂一起压缩，以形成几何形状非常类似于最终所需产品的生坯压坯。然后，生坯压坯在通常接近但略低于粉末金属熔融温度的温度下在熔炉中进行烧结。尽管具有有限量生坯压坯变成液相(称为液相烧结)的一些烧结工艺，但许多烧结工艺仅基于固态扩散，粘合剂、蜡和/或润滑剂通常在粉末金属颗粒相互缩颈(neck)以形成统一烧结体时烧掉。在烧结工艺期间，颗粒之间的空间可以提供孔的网络，尽管随着烧结继续，这些孔的尺寸减小并闭合。然而，即使烧结后，烧结体中仍可能存在一定量的孔隙。

烧结渗碳工艺利用这种多孔网络的存在，在零件已经处于高温状态的烧结生产步骤期间引入碳。由于至少在烧结步骤开始时粉末金属颗粒之间存在多孔网络，含碳气体可能流入这些孔中，以将含碳气体气态输送到零件主体的更深处，到达至少超过烧结后最终形成零件外表面的深度，从而使碳可以被吸收在这些更深的深度。由于通过多孔网络的气态输送主要基于气体流动而非固态扩散，因此使用这种烧结渗碳技术可以快速获得比完全致密零件的气体渗碳更深的渗碳深度和更平缓的梯度。因此，烧结渗碳可用于对密度较低的粉末金属部件进行有效渗碳并提高扩散深度，其通常在最终完全致密化锻造工艺之前进行。

参考图2A和2B，显示了与图1A和1B相当的齿轮齿部渗碳轮廓，但图2A和2B中的齿轮齿部是通过烧结渗碳而不是气体渗碳产生的。可以看出，鉴于气态扩散至零件的孔中，存在从高碳区到低碳区的更宽过渡区。粉末金属压坯密度的变化可导致不同区域的碳扩散深度不同，烧结后渗碳锻造也可导致外壳厚度的变化。从图2A的显微照片可以看出，碳扩散深度在齿部的尖部处最大，在靠近齿部的根部处变得更浅。在显示334HV至714HV的维氏硬度(Vickers hardness)值的图2B可以看出，与图1B中的零件相比，存在向着齿部的更深的碳渗透，以及更平缓的从芯部到表面层的过渡。

然而，即使在烧结-渗碳过程中，也存在烧结渗碳过程提供了不慎理想的结果的某些条件和产品。例如，在具有薄横截面或低齿条/齿轮模块的零件中，由于烧结渗碳过程期间碳材料的高扩散率，这些零件通常无法在未达到彻底(或完全)硬化状态的情况下进行有效渗碳。最终结果可以是由于外壳深度脆化而导致产品缺乏延性和韧性，并且基于这些特征的脆性，可能不适合冶金。此外，不符合工艺设计要求的产品也可能因锻造操作期间材料过度变薄而具有较浅的外壳深度，导致强度和/或抗冲击力较低。

本文公开了一种方法，该方法结合了两种渗碳模式(即，小于完全密度粉末金属零件的烧结渗碳和完全或接近完全密度零件的气体渗碳)和中间锻造步骤的方面。该方法包括顺序的在零件仍然低于完全致密时的第一渗碳步骤、提高零件密度的锻造步骤和第二渗碳步骤，所述第二渗碳步骤通常涉及接近完全致密或完全致密零件的气体渗碳。

在此阶段，应注意，第一渗碳步骤可以是烧结渗碳——同时进行烧结步骤和第一渗碳步骤可能是最经济的——但是，也可以设想，可能存在单独进行烧结步骤和第一渗碳步骤的方法。然而，可能需要仔细且深思熟虑地完成烧结和第一渗碳步骤的这种解耦，因为一旦零件的孔闭合(通常在烧结结束时发生)，含碳气体可以迁移到零件中的机制就会受损害并被削弱。

还应注意的是，虽然第一步可能涉及对低于完全致密的零件进行烧结渗碳，但该烧结渗碳与已知的烧结渗碳模式不同，因为该烧结渗碳不是为了提供最终碳轮廓中的所有碳而进行的。换句话说，在该新型方法中，烧结渗碳步骤期间仅建立了部分最终外壳轮廓，而在常规烧结渗碳中，烧结渗碳是为渗碳提供碳的最终且唯一的步骤。

所公开的方法通常可称为可变扩散渗碳(或VDCC)，是对单独的传统气体渗碳和烧结渗碳工艺的改进，并解决了一些其各自缺陷。通过结合这两种工艺的各个方面，可以产生具有可变性质的定制的深外壳深度，同时与传统气体渗碳工艺相比，减少了成本投入。

同样，在高水平上，该方法包括低于完全致密的零件的锻前渗碳步骤，以及提高部分渗碳零件密度并将锻前渗碳轮廓转变为锻造的渗碳轮廓的锻造步骤，以及锻后渗碳步骤，其中，来自锻造的渗碳轮廓的碳进一步扩散到粉末金属零件中，并且在粉末金属零件的表面处引入额外的碳。现在，在下文中对这些步骤中的每一个步骤进行更详细的描述。

在第一步中，例如，该方法可以通过在小于完全致密的粉末金属零件或含铁钢坯(billet)上进行温和渗碳步骤开始。该小于完全致密的粉末金属零件可以是使用常规粉末冶金压实技术压实的生坯压坯，其中，压实的零件高度接近最终零件的最终几何形状，但尺寸稍大，以考虑零件烧结产生的收缩。可以设想，作为生坯压坯，例如，粉末金属部件的密度可以小于理论完全密度的90％。

该小于完全致密的粉末金属零件烧结成以冶金方式将粉末金属颗粒结合在一起，这还可能涉及烧掉粉末金属零件中的任何蜡、粘合剂或润滑剂。如上所述，当粉末金属颗粒相互结合并缩颈时，形成多孔网络。在烧结操作期间——其在升高的温度下进行——粉末金属零件随后可以很容易地从烧结气氛中接受碳，假设烧结气氛中的碳浓度足够高，以热力学方式将碳驱动到含铁粉末金属压坯中。

在烧结期间从环境中添加碳是一种烧结渗碳过程，可产生受控的碳含量和深度作为初始渗碳轮廓。鉴于后续锻造步骤，该初始渗碳轮廓也被称为锻前渗碳轮廓。如上文描述烧结渗碳工艺的章节所述，由于粉末金属零件的密度低于完全密度，扩散速率非常高，因此碳很容易渗透零件，产生深碳轮廓。

第一烧结渗碳步骤的一个具体示例如图4所示。在图4中，在最上面的方框或第一方框中显示出由含0.10重量％至0.30重量％碳的含铁粉末金属零件开始。粉末金属部件中有一定量的初始碳，尽管含量较低，但可能是因为该工艺的目标是产生外壳渗碳层，而0.10重量％至0.30重量％的碳是许多应用中的典型；然而，碳的具体量最终取决于材料Jominy曲线相对于最终零件生产中使用的不同位置的期望硬度和淬火方法类型。烧结渗碳后，可形成约0.50重量％至0.60重量％碳的富集碳层，如图4的中央方框和第二方框所示。底部方框和第三方框表明，随着额外的碳扩散和时间，碳轮廓在很大程度上迁移，并且在较高碳的外表面层和芯部之间形成了巨大梯度(保持约0.10重量％至0.30重量％的碳)。应当理解，这些数字仅是示例性的，不应被视为限制性的。

同样，应了解，在该方法的大多数形式中，第一渗碳步骤将与烧结步骤同时或并行发生。以此方式，通过小于完全致密的零件的多孔网络可以容易地实施碳的引入。烧结和渗碳的结合具有一定的经济性，并且用于烧结的零件加热也可用于促进碳扩散。然而，也可以设想，第一渗碳步骤可与烧结分开进行，尽管这种单独渗碳在颗粒部分结合且孔尚未闭合的情况下最为有效。换言之，如果零件依续进行烧结、随后渗碳，则在烧结期间孔可能会大量闭合，并且除非在渗碳前仔细控制该过程以防止孔闭合，否则渗碳的效果会降低。

接下来，对粉末金属零件进行锻造，以在适当的材料流动条件下提高密度。在一些形式中，这可以包括使密度提高至有效完全密度，所述有效完全密度可以是例如MPIF有效完全密度。如本发明其他部分所指出的，有效完全密度小于理论完全密度，但通常接近理论完全密度。在一些形式中，该有效完全密度可能高于理论完全密度的98％，锻造前的小于完全致密的粉末金属零件的密度可能低于理论完全密度的95％。该锻造步骤可使粉末金属零件的碳表面含量略高，这是锻造过程的结果。此外，预期锻造的粉末金属零件可置于非淬火条件下以进行冷却。

通过这些方法制造的零件的许多最终用途要求产品具有通过锻造(其中，通过锻造零件的密度和强度大幅提高)获得的强度。

值得注意的是，锻造过程不仅提高了粉末金属零件的密度，而且还可以将锻前渗碳轮廓转变为锻造的渗碳轮廓。该转变可能仅包括使该零件均匀致密，并且在此过程中，仅略微改变尺寸和外壳轮廓(如果锻前粉末金属零件具有深度均匀的锻前渗碳轮廓，且锻造的粉末金属零件具有深度同样均匀的锻造的渗碳轮廓，即使由于锻造和致密化，锻前零件和锻造零件之间的深度略有不同也是如此)。然而，在更复杂或繁复的方法中，由于锻造模头中的可变材料流动，锻造过程也可使渗碳轮廓区段变厚和/或变薄。同样，如何使用该可变锻造来改变渗碳层或渗碳层转变可以见述于2013年8月27日发布的GKN烧结金属有限公司(GKN Sinter Metals,LLC)的题为“粉末锻造差速齿轮”(Powder Forged DifferentialGear)的美国专利8517884号，该专利通过引用全文纳入本文用于所有目的。为了直接示例，可以通过锻造具有相对均匀的外壳深度的预制件来实现渗碳轮廓，如图4的中心面板所示，以使根部区段的外壳深度变薄，并使尖部区段的外壳深度变厚。这包括对预制件(即，预成型粉末金属零件)和工具及模头组进行工程设计，以实现锻造零件的最终外表面几何形状和可变外壳深度。

还应注意的是，因为在第一渗碳步骤中仅加入部分碳(在锻后施加额外的碳)，粉末金属零件可能比锻造前加入所有碳的零件更容易锻造，因为重渗碳会产生坚硬、易碎的外壳层，这即使不是不能锻造，也是很难锻造。

此外，锻造步骤在本文中描述为提高粉末金属部件的密度；然而，在大多数情况下，这可能涉及将粉末金属零件锻造达到粉末金属零件的有效完全密度(在锻造期间几乎所有孔都闭合或消除的有效状态)。尽管如此，预期在某些情况下，小于有效完全致密但仍然致密化的粉末金属零件可具有足够的闭合孔隙，以进行第二渗碳步骤。

此时，在锻造的粉末金属零件进行锻造并受控冷却后，可在锻后渗碳步骤中对锻造的粉末金属零件(现在具有提高的密度或有效完全密度)进行第二次渗碳。此时，随着粉末金属零件达到密度提高或有效完全密度，由于在锻造前的第一渗碳步骤中引入了碳，粉末金属零件可以明显更高的效率进行气体渗碳。因此，在该第二渗碳步骤期间，来自该过程更早期的预先存在的或“掺杂的”或“填充的”碳可继续扩散到粉末金属零件中，并且额外的碳可被吸收到粉末金属零件的表面中，以产生额外富碳外部区域或外壳。由于从第一渗碳步骤开始就已经存在的预存在的碳，第二气体渗碳步骤不像完全致密零件的纯气体渗碳(其中碳是在单一循环/步骤中引入的)那样受到时间和温度的严格限制，因此可以避免很大一部分的缓慢扩散速率。

图5A、5B和6显示了锻造的零件中该碳掺杂或填充的益处。在图5A中，显示了齿轮齿部零件的外表面轮廓及其下面的碳层。同样，在该面板中，粉末金属零件已进行锻造，因此由第一渗碳步骤获得的碳层具有相对于齿部表面的不同深度，齿部尖部处的深度较厚，齿部根部处的深度较薄。在图5B中，在第二锻后渗碳步骤中对该零件进行进一步气体渗碳后，原始外壳轮廓(现在显示为虚线)已大致均匀地进一步进入零件主体。图6也示意性显示了这一点。在图6中，前三个面板显示了与上文关于图4所述类似的过程，然后，在第二锻后渗碳步骤中进行额外气体渗碳后，最右侧面板的轮廓形成，其中，表面碳含量能够提高至约0.70重量％至0.90重量％的碳，并在到达芯部之前过渡到0.5重量％至0.6重量％碳的另一碳更高的区域。

图3A和3B中还显示了涉及两个渗碳步骤(由锻造步骤分隔开)的方法得到的轮廓，其提供了与上图1A、1B、2A和2B中图像的对比图像。在图3A中可以看出，特别是与通过图1A和1B所示锻造和气体渗碳过程以及图2A和2B所示烧结渗透和锻造过程生产的零件相比，已经产生了一个深且可变的外壳深度，其中，硬化外表面和芯部之间过渡区中存在相当大的碳梯度。类似地，图3B显示了硬度分布，其显示出大梯度和平滑过渡。

除了改进的结构和外壳轮廓外，还有许多方法益处。

通过使用具有“掺杂”或预渗碳条件的锻造零件，锻造的粉末金属零件的表面碳含量可能仅比未预渗碳粉末金属零件的碳含量增加不到一半。因此，在锻后渗碳期间，在高碳水平下的浸泡时间可以显著缩短。类似地，对于具有高表面积的粉末金属零件——其中，气氛或环境能够为零件表面足够快地提供碳是速率限制因素——这些零件可以更快地进行加工，因为待引入零件的部分碳已经在来自锻前渗碳步骤的零件中。

此外，使用该方法，许多外壳深度已经存在并且在粉末金属零件的近表面内，仅涉及减少进一步进展所需的时间和能量。这可产生如图3A和3B所示的更平滑的外壳到芯部的过渡(这也说明了如何使用可变锻造来产生不同外壳深度)。最终，因为可与产品的性能需求相匹配的渐进应力状态，这种从外壳到芯部的平滑过渡减少了内部剪切应力。

此外，该过程可针对较少模块、较薄设计元件类型产品进行定制，其中，烧结渗碳/仅锻造过程中可能需要考虑彻底硬化或完全硬化。在该过程中，由于几何形状条件，标准烧结渗碳达到最终锻造形式是不可能的(即，烧结渗碳的薄元件无法在没有破裂的情况下锻造)。然而，这种两阶段渗碳过程可以提供如下能力：有效锻造预填充少量碳的零件(其仍然能够锻造而不断裂)，然后在锻造后对该零件进行进一步渗碳，以获得最终所需硬度的额外碳。

为了了解这种新型方法的经济效益，与仅对粉末金属零件进行气体渗碳而不预先掺杂或填充碳的方法相比，该新型方法——在锻造前将碳掺杂或填充到粉末金属零件中——估计能够将锻造后的后续气体渗碳的成本降低40％。这种示例的40％的成本降低是基于提高产量和减少时间要求，以达到使用锻后气体渗碳单独作为渗碳模式的相同或更深的碳渗透深度。单独观察到，在锻造前对粉末金属零件进行渗碳的烧结渗碳步骤不涉及进行实施的许多额外的资本成本。与将所有碳引入单一工艺的常规烧结渗碳相比，第一锻前渗碳步骤并非设计用于在一次喷丸或实施中给予所有碳，因此与传统烧结渗碳工艺相比，具有更低的实施成本和更高的产量。

由于渗碳步骤的分开——即锻造步骤之前和之后——没有选择或有利于从锻造压制直接淬火和回火。因此，根据定义，锻造的产品为非热处理产品，其可根据最终几何形状规定进行软加工。在中度至高度加工的产品上，这也可以导致成本降低，因为软车削通常比硬车削(hard-turning)便宜，同时仍然可以实现气体渗碳操作成本的额外降低。

虽然本文所述的方法比仅完全烧结渗碳包括更多加工步骤，但这些新型方法并未比常规气体渗碳工艺包括更多步骤，因为这些工艺已经包括烧结、锻造和气体渗碳。因此，本文所述的方法提供了更好的经济性，同时为高度工程化外壳轮廓(迄今为止在单步渗碳方法中尚未发现)提供了机会。

应当理解的是，可在本发明的精神和范围内对这些优选的实施方式进行各种其它修改和改变。所以，本发明不应局限于所述的实施方式。为了确定本发明全部范围，应当参考所附的权利要求。

Claims (16)

1.一种对粉末金属零件进行渗碳的方法，该方法包括以下步骤：

在锻前渗碳步骤中，对小于完全致密的粉末金属零件进行渗碳，以形成锻前渗碳轮廓；

在锻前渗碳步骤之后，对粉末金属零件进行锻造以提高粉末金属零件的密度，并使锻前渗碳轮廓转变为锻造的渗碳轮廓；以及

在锻后渗碳步骤中，对锻造步骤后的粉末金属零件进行渗碳，从而导致碳从锻造的渗碳轮廓进一步扩散到粉末金属零件中，并在粉末金属零件表面处将碳进一步引入粉末金属零件中。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在锻前渗透步骤后对粉末金属零件进行锻造以提高粉末金属零件的密度的步骤期间，将粉末金属零件锻造到粉末金属零件的有效完全密度。

3.如权利要求2所述的方法，其中，有效完全密度为理论完全密度的98％以上。

4.如权利要求1所述的方法，其中，在锻造步骤前小于完全致密的粉末金属零件的密度为小于理论完全密度的95％。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：对粉末金属零件进行烧结，并且锻前渗碳步骤发生在粉末金属零件的烧结期间。

6.如权利要求5所述的方法，其中，烧结前粉末金属零件的密度小于粉末金属部件的理论完全密度的90％。

7.如权利要求1所述的方法，其中，在煅前渗碳步骤前，粉末金属零件的基础碳百分比为粉末金属零件的0.1重量％至0.3重量％。

8.如权利要求7所述的方法，其中，在煅前渗碳步骤后，锻前渗碳轮廓的渗碳区域中碳百分比为0.5重量％至0.6重量％碳。

9.如权利要求8所述的方法，其中，锻后渗碳步骤之后，最接近粉末金属零件表面的区域中碳百分比为0.7重量％至0.9重量％碳。

10.如权利要求1所述的方法，其中，将锻前渗碳轮廓转换为锻造的渗碳轮廓包括从相对于粉末金属零件表面具有均匀深度的锻前渗碳轮廓开始，以及对粉末金属零件进行锻造，使得相对于粉末金属零件表面，锻造的渗碳轮廓具有不同深度。

11.如权利要求1所述的方法，其中，粉末金属零件是含铁的。

12.如权利要求1所述的方法，其中，锻前渗碳步骤导致渗碳深度大于完全致密的类似组成的对照粉末金属零件，因为锻造步骤之前的粉末金属零件的孔隙率提供了使碳更深地渗透到粉末金属零件体积中的非扩散基途径。

13.如权利要求1所述的方法，其中，粉末金属零件是齿轮。

14.如权利要求1所述的方法，其中，在锻后渗碳步骤之后，粉末金属零件具有最终渗碳轮廓，并且最终渗碳轮廓具有从粉末金属零件表面到体积中的碳梯度，该碳梯度比单步渗碳的完全致密零件的渗碳梯度更平缓。

15.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：在锻造步骤和锻后渗碳步骤之间对粉末金属零件进行机械加工。

16.通过如权利要求1所述的方法制备的烧结的粉末金属零件。

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