CN1145714C - 真空渗碳方法、设备及渗碳制品 - Google Patents

Abstract

一种渗碳处理方法，包括在真空渗碳炉的加热室中真空加热工件，从渗碳气体源向加热室输送乙炔气，以及通过抽真空源使加热室内真空度保持1kPa或低于1kPa。因此，可以在防止碳黑产生以及节约所用气量和热量的同时使包括工件深孔内壁的工件各部分均匀渗碳。

Description

真空渗碳方法、设备及渗碳制品

                       发明领域

本发明涉及真空渗碳方法、实施该方法的真空渗碳设备以及渗碳钢制品。

                       先有技术描述

渗碳处理非常广泛地用作铁和钢的表面改进方法，通常是在气态环境中进行气体渗碳；然而，气体渗碳具有的问题包括产生异常表层、渗碳炉结构不适于高温渗碳、产生碳黑、以及存在许多难以控制的渗碳条件等，为克服这些问题，人们发明了采用真空渗碳炉的真空渗碳方法。

在先有真空渗碳方法中，气态饱和脂肪烃用作渗碳气体。这样，甲烷类气体，例如甲烷气(CH₄)、丙烷气(C₃H₈)和丁烷气(C₄H₁₀)，用作气态饱和脂肪烃；这些渗碳气体直接输入真空渗碳炉的加热室，包括钢材在内的工件在加热室中加热至约900-1000℃，渗碳气体在加热室中热解，在热解过程中产生的活性炭渗入钢材表面，从而导致从钢材表面渗碳和扩散。

在上述情况下，为了充分向工件表面输送渗碳气体，必须使渗碳气体渗透工件的整个表面，因此使含有工件的加热室保持真空，渗碳炉的压力通过在输入上述渗碳气体时用泵抽送渗碳气体或通过脉冲进气而改变。

在这方面，在先有真空渗碳方法中的体会是，烃类通常应当用作渗碳气体，以便产生强有力的渗碳，在烃类中，采用如上所述象甲烷类气体这样的气态饱和脂肪烃。

本领域技术人员可以理解的道理是，甲烷类气体在对钢材进行渗碳的最高达约1100℃的温度范围内稳定，当分子量增大时，尽管稳定性减少，并产生碳黑，但渗碳能力会增强，同时可以理解，气态不饱和脂肪烃，例如炔属气体，比甲烷类气体不稳定，其热解进行得比渗碳好，所以这类气体在用作渗碳气体时只会产生碳黑，因而根本不适于用作渗碳气体〔参见Kawakami和Gosha“ 金属表面渗碳处理”(“ Kinzoku hyomen koka shori gijutsu”“ Metal surface hardening treatments”)MikiShoten(1971，10，25)139页〕。

因此，在实践中只有气态饱和脂肪烃甲烷类气体，例如甲烷气(CH₄)、丙烷气(C₃H₈)和丁烷气(C₄H₁₀)，用作渗碳气体，而气态不饱和烃炔属气体一直被忽略。

虽然常规真空渗碳方法已经解决了气体渗碳的质量问题，但该方法仍存在下列问题。

这些问题包括以下方面。

1.产生大量碳黑，这使日常维护管理混乱而肮脏。

2.在不减少送入加热室中的工件的数量和不增加气量的情况下很难均匀渗碳。

3.不适于对工件中的小直径孔洞和窄缝进行渗碳。

4.设备费用高，因而妨碍特殊应用。

5.与气体渗碳相比，该方法产率低，且处理费用高。

先有渗碳气体的热解机理由下式表示。

在上式中，〔C〕为产生渗碳作用的活性炭。在渗碳炉内工件表面之外的空间中分解的活性炭只会变为碳黑，这就是在真空渗碳中产生碳黑的原因。

减少产生上述碳黑的措施包括以下方面。

a.采用由惰性气体稀释的渗碳气体(气压如先有方法)，以使渗碳炉内的渗碳气体尽可能稀薄。

b.适度混合氧源(例如醇)与渗碳气体，使不产生异常表层，从而使活性炭部分作为CO用于渗碳，过量的CO气从渗碳炉中排出。

c.减少碳黑之外的其他有利措施包括在工件表面附近形成等离子体，使稀释的渗碳气体电离，并有效地利用电离的渗碳气体对工件表面的吸引力，因此在剩余炉内空间中分解所产生的碳黑很少(等离子体渗碳)。

上述所有措施均可减少形成碳黑的量，但这些措施的问题是，由于设备和方法的费用较高而失去真空渗碳固有的优点。

此外，当充填的工件之间的缝隙不适当，或当工件具有小直径孔洞或窄缝(因为在孔洞或缝隙内深部不能获得充分的渗碳表面深度)，或当邻近的工件相互靠得太近时，如果力求获得均匀的渗碳，就不能避免采用甲烷类气体作为渗碳气体进行真空渗碳所伴随的渗碳表面深度的变化。例如，在渗碳炉中，在装有气体循环装置、气体混合装置或高速喷气装置的加热室中进行渗碳处理时，如果工件中显示有直径4mm，深28mm的孔洞，在该孔洞底部的有效渗碳表面深度为约0.30mm，与此不同，在工件外表面的有效渗碳表面深度为约0.51mm。

可以认为，这种渗碳表面深度的变化是由于氢原子数目比碳原子数目多，在加热室中进行分解，产生原子碳时，由分解产生的气体中有过多的氢分子，这就减少了渗碳分子的平均自由程。

因此，为进行渗碳处理，确保在小直径孔洞的内壁表面上可获得要求的渗碳表面深度，可通过向孔洞输送碳，或通过输入多于需要的渗碳气体并流动混合该气体来进行渗碳处理，而这会导致增加产生的碳黑的量。

                        发明概述

本发明是对如上所述问题的答复，其目的是提供真空渗碳的方法、设备和渗碳钢制品，本发明方法可减少碳黑的产生，可以在包括较深凹陷内壁的整个工件表面上均匀渗碳，同时节约使用的气量和热量。

在本发明的真空渗碳方法中，通过在真空渗碳炉的加热室中真空加热钢材工件，并向加热室输送渗碳气体进行渗碳处理。

本发明的特征在于，气态不饱和脂肪烃用作渗碳气体，在加热室的真空度≤1kPa的情况下进行渗碳处理。

采用炔属气体，尤其是乙炔气，作为上述气态不饱和烃是合乎要求的。

此外，本发明的真空渗碳方法可适用于使氮(N)与碳(C)同时渗入钢材表面的碳氮共渗处理，以及简单的真空渗碳。在这种情况下，除了作为渗碳气体的乙炔气之外，可添加例如氨气(NH₃)作为气态氮源。

同样，本发明的真空渗碳设备具备含有加热钢材工件的加热室的真空渗碳室。向上述加热室输送炔属气体的渗碳气体源、以及将加热室抽真空的抽真空源，其持征为真空渗碳在≤1kPa下进行。

此外，采用本发明方法渗碳的钢制品具有内径为D的盲孔，其中使该盲孔的内壁渗碳，其特征在于，在上述盲孔内壁表面上，渗碳表面深度确实均匀的区域从该盲孔的开口端延伸到深度L，L/D为12-50。

为实现无碳黑真空渗碳(减压气体渗碳)，要求在渗碳炉内除了对渗碳直接产生作用的碳之外无任何分解，因此要求输入渗碳炉中的碳源尽可能分解，或只在工件表面反应，或在炉体上或炉体内的空间中不分解或不反应。

从以上情况看，要求渗碳气体为化学性质不稳定的活泼气体，而不是在先有真空渗碳方法中用作渗碳气体的稳定的甲烷类气体。

因此，在本发明的真空渗碳方法中，比甲烷气或丙烷气这样的饱和脂肪烃气体的化学性质更活泼，反应和分解更迅速的不饱和脂肪烃气体用作渗碳气体。

但是，如果在渗碳炉中静止的时间超过适当限度，采用上述不稳定气体比在先有技术中采用饱和烃类时更容易由热解产生碳黑，因此必须严格限制渗碳气体在炉内停留的时间，并且必须在渗碳气体足以在工件表面进行反应和分解，但不足以进行热解的时间内将该气体排出炉外。

因此，与先有真空渗碳方法相比，在本发明的真空渗碳方法中，真空渗碳方法在炉内压力非常低(1kPa)的情况下进行，以便缩短渗碳气体在渗碳炉中停留的时间，因此分解反应在工件表面进行，而在炉内空间中几乎无任何碳黑产生。

同样，为了除去输入在工件表面分解的碳后产生的组合气体，以及分配新输入的气体，在先有真空渗碳方法中使新输入气体的压力稍高(15-70kPa)，利用例如由风扇或由脉冲输入气体在渗碳炉内混合来降低压力，从而减少组合气体，而新的高压气体在脉冲下输入，以确保向工件表面输送的碳量。自然，这意味着输入的渗碳气体远远多于渗碳所需，从而助长产生更多的碳黑。

相反，在本发明的真空渗碳方法中，气态不饱和脂肪烃用作渗碳气体，乙烯气(C₂H₄)或乙炔气(C₂H₂)是与以前采用的甲烷类气体不同的气态不饱和脂肪烃，其区别在于这类不饱和脂肪烃的氢原子数相对于碳原子数来讲比较少。

因此，当上述渗碳气体在加热室中分解，产生原子碳时，不会产生很多象氢气这样的分解气体的分子，所以可减少可能阻碍渗碳气体分子与工件接触的氢气分子数。结果，由于在渗碳处理过程中的压力较低，且渗碳气体分子的平均自由程延长，渗碳气体分子容易渗入工件中深凹陷周围的内壁；此外，由于渗碳气体分子的化学性质活泼，它们属于可迅速分解的不饱和烃，因此它们可在短时间内，甚至在尚未经受长时间的高温时即与工件表面迅速反应，与此同时，附着的原子碳可进入工件表面，这意味着工件各部分可均匀渗碳。

渗碳炉内的压力越低，上述渗碳的均匀性就越好。在这方面，在具有内径为D的盲孔的工件中，  当渗碳处理在0.02kPa的炉内压力下进行时，总体渗碳表面深度几乎均匀的区域的深度L最高达L/D为36。若使炉内压力更低，总体渗碳深度几乎均匀的区域的深度L最高将达L/D为50。采用先有气体渗碳、真空渗碳或等离子体渗碳方法自然不能获得以上数据。

在本发明中，渗碳处理在远远低于先有真空渗碳方法的≤1kPa下进行，因此，从通过抽真空方式向加热室供气到排气之间的时间，即气体在加热室中停留的时间，缩短，以便保持较低压力。由于停留时间较短，在该短时间内尚未分解的渗碳气体可在它于加热室中可能分解并产生碳黑之前从加热室中排出，从而可防止在加热室中产生碳黑。

因此，虽然不稳定且分解迅速的气态不饱和烃用作渗碳气体，但可以在防止产生碳黑的同时使工件渗碳，而不阻碍渗碳处理，因为所需量的渗碳气体可通过在短时间内与工件表面接触而分解，从而产生渗碳，而未分解的易产生碳黑的渗碳气体立即与分解后产生的气体(氢气等)一起从加热室中排出。分解所产生的气体在短时间内也从加热室中排出这一事实也会有助于进一步扩展渗碳气体分子的平均自由程，并有助于工件各部分的均匀渗碳。

此外，通过测定由真空泵排出的渗碳气体的量可适当调整输入加热室的渗碳气体的量，由此使采用的渗碳气体的量保持最小。

另外，由于在本发明的真空渗碳方法中采用可迅速反应和分解的化学性质活泼的气态不饱和脂肪烃作为渗碳气体，该气体可与工件表面迅速反应，并可迅速分解，从而产生渗碳，而无需象在先前采用甲烷气那样输入多于需要的渗碳气体，因而输入的气量可减少至碳原子数为工件表面渗碳所需总碳量的大约两倍。在这方面，在先有真空渗碳方法中，数十倍于需要量的渗碳用碳输入渗碳炉。此外，在本发明的真空渗碳方法中，渗碳在≤1kPa的低压下进行，因此加热室本身显示对加热室外部有绝热作用，所以只有很小的热辐射损失，从而可减少为保持加热室内温度所需的热量。

因此，本发明的真空渗碳方法产生的显著利益在于，尽管敢于采用由于仅仅易产生碳黑而在先有技术中被忽略的气态不饱和脂肪烃类作为渗碳气体，但与先有真空渗碳方法相比，本方法可减少碳黑的产生，可使包括较深凹陷内壁表面的工件各部分均匀渗碳，并可减少所用气量和热量。

此外，采用本发明的真空渗碳方法时，由于加热室内部保持≤1kPa的低压，因此加热室显示对该室外部有绝热作用；从而减少对真空室本身进行水冷或热绝缘的需要，因此，包括加热室的真空室外壁的结构只需考虑保持低压，而无需具有特殊的绝热结构，这可有助于减少生产工序和降低生产成本。

顺便提及，离子渗碳和等离子体渗碳方法为工件低压渗碳的已知方法，但是采用这些渗碳方法时，如果工件含有较深凹陷，就不可避免产生渗碳变化，因为电离的气体不能到达凹陷底部，虽然采用这些方法产生的碳黑比采用先有真空渗碳方法时少，但碳黑的产生不能减少到象本发明真空渗碳方法一样；此外，这些方法还具有设备费用较高的缺点。

当烯属气体或炔属气体用作气态不饱和脂肪烃时，使用乙炔气其氢原子组份比乙烯气少，它更活泼，也更容易进行渗碳处理，因而可减少用量，并可降低处理费用。

此外，除了作为渗碳气体的乙炔气之外，通过添加例如氨(NH₃)作为气态氮源进行碳氮共渗处理，可以在低温下淬火，从而减少变形。

                        附图简述

图1为表示本发明真空渗碳设备第一实施方案结构的横截面图。

图2为表示本发明真空渗碳炉运行方式的示意图。

图3为采用本发明真空渗碳方法渗碳的样品的横截面图。

图4为表示实施本发明真空渗碳方法时渗碳表面深度与渗碳炉内压力以及碳黑产生之间关系的曲线图。

图5为表示采用本发明真空渗碳方法渗碳的样品中整个渗碳层的横截面图，以及表示渗碳表面深度均匀性的曲线。

                         优选实施方案描述

下面根据附图说明本发明实施方案的结构。

图1为表示本发明真空渗碳设备实施方案结构的简图：真空渗碳炉1具备由真空室4包复的加热室2，和与加热室2连接的冷却室3。

加热室2由在高温真空环境和空气中化学性质和机械结构稳定的放热装置2a和热绝缘材料2b组成。经过重结晶处理的碳化硅放热装置或具有在表面形成的氧化铝喷涂层的这种放热装置可用作放热装置2a。高纯陶瓷纤维可用作热绝缘材料2b。冷却室3的外壁由真空室4的部分构成，冷却室3具有油罐3a。

抽真空源V与加热室2及冷却室3连接；加热室2也与可提供乙炔气的溶入丙酮中的乙炔气渗碳气体源C连接，冷却室3与氮气等惰性气体源G连接，冷却室3可加压至大气压或大气压以上。

在加热室2的入口端有加料门5，在出口端有中门6，在冷却室3的出口端有出料门7：内部传送装置8将工件M从加热室2的入口端传送到冷却室3的出口端。在冷却室3中有垂直传送平台9，用于把工件M放入油罐3a中和从油罐3a中取出。此外，在加热室2a中，在内加料门5a和内中门6a之间有加热部分，该部分端口封闭。

下面参照图2说明采用以上述方式组成的真空渗碳设备的真空渗碳方法。加热室2在大气压下预热至要求温度。

步骤1

打开加料门5和5a，将第一工件M1送入加热室2，然后立即关闭加料门5和5a。

步骤2

加热室2由抽真空源V抽真空至真空度为0.05kPa，同时将第一工件M1真空加热至要求温度(900℃)，然后，乙炔气从渗碳气体源C输入加热室2(这时加热室2内部压力变为0.1kPa)，进行渗碳。停止输送乙炔气，在加热室2内的真空度再次为0.05kPa的情况下进行扩散，当温度降至850℃的淬火温度时进行浸泡热处理。同时冷却室3抽真空。

步骤3

打开中门6和6a，用内部传送装置8将第一工件M1移到冷却室3中的垂直传送平台9上，然后立即关闭中门6和6a。

步骤4

当垂直传送平台9下降到使第一工件M1淬火时，通过从惰性气体源G输入惰性气体将冷却室3加压至大气压或大气压以上。在上述过程中，将空气导入高温加热室2，使该室达到大气压，然后打开加料门5和5a，将第二工件M2送入加热室2，随后立即关闭加料门5和5a顺便提及，将冷却室加压至大气压或大气压以上的原因是为防止导入加热室2的空气进入冷却室3。

步骤5

提升垂直传送平台9，打开出料门7，立即将第一工件M1送到炉1外面，立即关闭出料门7，然后真空冷却冷却室3。同时如步骤2处理第二工件M2。

此后，通过重复步骤3-5正常进行接续工件的渗碳。

图3表示以上述方法渗碳的工件实例的横截面图：外径20mm，长30mm的工件样品10具有内径6mm，深28mm的盲孔11和内径4mm，深28mm的盲孔12，将300件上述工件同时放在宽400mm，长600mm和高50mm的平板架上，将6块这种平板架一个叠一个地放入加热室2中，当工件在渗碳温度为900℃，渗碳时间为40分钟，扩散时间为70分钟，淬火温度为850℃的条件下处理时，各工件的有效渗碳表面深度t0为约0.51mm，小直径盲孔12底部的有效渗碳表面深度t2为约0.49mm。因此，说明采用本实施方案的真空渗碳方法可均匀地进行工件各部分的渗碳处理，渗碳变化为约0.02mm。

此外，甚至在几百次重复上述试验之后，在加热室2中仍未发现任何碳黑堆积。同样，当样品中含有长度为上述样品10的几乎两倍的内径4mm，深50mm的盲孔时，以同样的方法使该样品渗碳，其外表面的有效渗碳表面深度与盲孔底部的有效渗碳表面深度之间的差可降至约0.03mm，表明采用本实施方案的真空渗碳方法可进行工件各部分的均匀渗碳。

在这方面，当采用先前的甲烷类气体作渗碳气体，通过先有真空渗碳方法使工件10渗碳时，尽管渗碳进行约两倍的时间，并且向加热室2输送≥10倍的渗碳气体，仍然产生渗碳变化，工件样品10外表面的有效渗碳表面深度为0.51mm，而内径为4mm的盲孔12底部的有效渗碳表面深度为0.30mm。此外，采用先有真空渗碳方法，重复渗碳5-20次即烧焦，大量碳黑堆积在加热室2中，因而必须清除。在通常进行的气体渗碳中，不能期望渗碳作用会延伸到盲孔12底部。

顺便提及，即使乙炔气用作渗碳气体，在本发明的真空渗碳方法中，通过在加热室内真空度≤1kPa的情况下进行渗碳也可以避免渗碳工件的易变性，并且可以在减少碳黑产生的同时进行渗碳；但是，在加热室内压力超过1kPa的情况下进行渗碳处理是不希望的；这会使得很难减少碳黑的产生，而且渗碳也会变得不均匀。

通过进一步降低加热室内的压力可增强本发明方法的有利之处，加热室本身的绝热作用也会显得更有效，以至水冷或绝热等变为不需要，从而可突出节能的益处，因而，从这个观点看，要求在加热室内的压力优选降至≤0.3kPa，更优选降至≤0.1kPa的情况下进行渗碳处理。

图4为表示渗碳表面深度与渗碳炉内压力以及碳黑产生之间关系的曲线，其中采有乙炔气，在930℃下对具有直径6mm，深27mm的盲孔的直径20mm，长30mm的样品(SCM415)进行渗碳处理，保温时间、渗碳时间和扩散时间(参见图2)分别为30分钟、30分钟和45分钟。曲线A表示盲孔底部渗碳表面深度的变化，曲线B表示在工件样品表面渗碳表面深度的变化。

由图4看出，当渗碳炉内的压力≤1.0kPa时，对于样品表面来讲可获得几乎不变的渗碳表面深度。但是，为了使盲孔内外渗碳均匀，要求渗碳炉内的压力≤0.3kPa。

查看碳黑的产生：只要渗碳炉内的压力≤1.0kPa，就没有任何问题。

图5为表示通过对具有深175mm，内径3.4mm的盲孔的外径20mm，长182mm的样品(SCM415)实施本发明的渗碳方法所形成的渗碳层状态的横截面图，以及表示渗碳均匀性的曲线。在这种情况下，渗碳炉内温度为930℃，渗碳炉内压力为0.02kPa，渗碳时间与扩散时间之和为430分钟；样品如上所述送入。

由图5看出，在盲孔内壁中，从盲孔开口纵深122mm内可获得总体渗碳表面深度(2.1mm)几乎均匀的区域，而在深度156mm处，总体渗碳表面深度变为零。因此，如果盲孔内径为D，从盲孔开口端总体渗碳表面深度几乎均匀的区域的深度为L，该区域可在L/D达36的范围内获得。这样，渗碳炉内压力越低，渗碳的均匀性就越好，因而可通过进一步降低渗碳炉内的压力使总体渗碳几乎均匀的区域的深度L达到L/D为约50。

Claims (6)

1.一种真空渗碳方法，其中通过在真空渗碳炉的加热室中真空加热钢材工件，并向加热室输送渗碳气体进行渗碳处理，该方法的特征在于：炔属气体用作渗碳气体，并且渗碳处理在加热室的真空度不大于1kPa的情况下进行。

2.权利要求1的真空渗碳方法，其中所述炔属气体包括乙炔气。

3.权利要求1的真空渗碳方法，其中通过向渗碳气体中添加气态氮源进行渗碳处理。

4.一种真空渗碳设备，包括配有加热包括钢材的工件的加热室的真空渗碳炉、向加热室输送炔属气体的渗碳气体源、以及使加热室抽真空的抽真空源，其中真空渗碳在不大于1kPa下进行。

5.一种具有盲孔的渗碳钢产品，其中使盲孔内壁渗碳，该盲孔内径为D，盲孔内壁中渗碳表面深度几乎均匀的区域的深度为L，其特征在于L/D为12-50，并且所述渗碳钢产品可通过权利要求1的方法获得，其中炔属气体用作渗碳气体，并且渗碳处理在加热室的真空度不大于1kPa的情况下进行。

6.权利要求5的渗碳钢产品，其中L/D为12-36。

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