CN1982496A - 对工件表面进行无结合层气体渗氮的方法以及工件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在气体氛围下对工件表面进行无结合层气体渗氮的方法，包括以下方法步骤：将工件装入处理室，其中处理室中包含用于向处理室提供流体，特别是用于提供水和气体以产生和维持气体氛围的气体供给装置；在氮气和/或氧气气氛下，特别是在氮气气氛下，加热工件；在第一氮化阶段(N1)内对工件进行渗氮；在第一渗氮阶段(N1)之后的第二渗氮阶段(N2)内继续渗氮，其中根据本发明在第一渗氮阶段(N1)和/或第二渗氮阶段(N2)降低气氛中的氨气含量。本发明进一步涉及一种工件，特别是按照根据本发明所述方法进行了气体渗氮的弹簧。

Description

对工件表面进行无结合层气体渗氮的方法以及工件

技术领域

本发明涉及对工件表面进行无结合层气体渗氮方法，以及根据相应类独立权利要求前序部分所述的无结合层渗氮的工件。

背景技术

在现有技术中例如借助于氨气(NH₃)对工件进行气体渗氮的方法和装置是公知的。

对工件表面主要起回火和硬化作用的已知方法在这一点上具有某些缺陷，尤其是对于特定应用，这些缺陷从根本上说应归因于气体渗氮的不同方法步骤中层形成的方式。

在某些情形下，结合层在气体渗氮过程中的形成是不期望的，因为对于特定应用来说某些缺陷与此有关。例如对于要求在振荡载荷和弯曲载荷下具有高疲劳强度的工件来说即是如此。一个典型的例子就是例如用于内燃机进气和排气阀中的螺旋弹簧。这些发动机在较高转速时，所述阀每秒运作几十次，在极端情形下例如甚至达到每秒100次，由此使用于操作或辅助阀关闭的相应螺旋弹簧暴露于极高的弯曲或振荡载荷。

在上述这些或类似的应用中，结合层具有非常负面的作用，特别是对于负载工件在靠近表面处的特性来说。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种对工件进行气体渗氮的方法，以及按照这种方法处理过的工件，以使工件获得具有最高值的表面，它在承受弯曲和/或振荡载荷时具有的高疲劳强度方面显示显著改进的特性。

能满足这些目的的本发明主题的特征在于各类独立权利要求的特征。

相应的从属权利要求涉及本发明的优选实施方案。

因此，本发明涉及一种在气体氛围下对工件表面进行无结合层气体渗氮的方法，包括以下方法步骤：将工件装入处理室，其中处理室中包含用于向处理室提供流体以产生和维持气体氛围，特别是用于提供水和气体的气体供给装置；在氮气和/或氧气气氛下，特别是在氮气气氛下，加热工件；在第一氮化阶段内对工件进行渗氮；在第一渗氮阶段之后的第二渗氮阶段内继续渗氮，其中根据本发明在第一渗氮阶段和/或第二渗氮阶段降低气氛中的氨气含量。

通过应用根据本发明所述的方法，保证了工件仅仅在表面上获得一个扩散区，表面具有高硬度，且在振动载荷下的高疲劳强度方面工件特性得到显著提高。

在根据本发明所述方法的一个特殊实施方案中，该方法包括以下方法步骤：将工件装入用于气体渗氮的处理室中并提供工艺气体；在加热阶段于所述气氛下加热工件至预定平衡温度；在平衡阶段将工件保持在平衡温度；在具有氮气和/或氨气和/或氢气的第二加热阶段，将位于处理室内的工件的温度升高到预定处理温度；在初始渗氮阶段，于含氨气或氨气与氮气的工艺气体中将工件保持在处理温度；在第一渗氮阶段，将工件保持在处理温度并用额外的气体稀释氨气成分，特别是用氮气和/或氢气和/或二氧化碳和/或其它适合的额外气体进行稀释；在第二渗氮阶段将工件保持在处理温度并用上述额外的气体稀释氨气成分，其中气流中的氨气含量小于前面第一渗氮阶段；在第三渗氮阶段将工件保持在处理温度并用上述额外的气体进一步稀释氨气成分，其中氨气含量小于前面第二渗氮阶段；用氮气冷却工件。

在加热阶段对工件进行加热时，不仅可以使用氮气，还可以使用水蒸汽或这些气体的混合物。然后在平衡阶段用第一工艺气体(氮气和/或氧气和/或水蒸汽)将工件保持在平衡温度以预定的时间，其中所述平衡温度可以在200℃-600℃，优选在350℃的区域。随后在第二加热阶段将温度升高到预定处理温度，其中添加氮气和/或氢气和/或氨气作为第二工艺气体。这里，根据工件不同，处理温度可以在300℃-600℃，例如优选地在350℃-500℃。

此后，在初始渗氮阶段，添加第三渗氮气体，优选地为氨气。初始渗氮温度可以与处理温度相同也可不同。初始渗氮温度甚至可以上下显著偏离处理温度。初始渗氮的持续时间优选地比在处理温度下的处理持续时间短，大约为5-60min，优选地为15min。

随后在第一渗氮阶段将工件在渗氮温度下于渗氮气氛中气体渗氮，以产生扩散层，其中所述渗氮气氛中可以含有作为渗氮气体的例如氨气和/或甲烷和/或二氧化碳和/或氢气和/或氮气和/或其它适合的渗氮气体。

在此之后，在第二渗氮阶段在渗氮温度于渗氮气氛中对工件气体渗氮，其中所述渗氮气氛中渗氮气体的氨气含量降低且额外气体成分例如氮气和/或氢气和/或二氧化碳和/或其它适合作为渗氮气体的额外气体组分含量升高。尔后，在第三渗氮阶段，在渗氮温度于渗氮气体中氨气含量降低且额外气体组分含量升高的渗氮气氛内对工件气体渗氮。

在这里，重要的是在连续处理步骤中用额外的气体例如氮气、氢气或二氧化碳在处理阶段中稀释氨气成分，使在相继的渗氮阶段内工艺气体中的氨气浓度降低。从而，一方面不在扩散层上产生结合层，另一方面产生可扩散的氮，从而在向工件内部方向上扩散不会停止。如果工艺气体中的氨气浓度选择得过低，会造成工件表面附近区域的脱氮和外边界区的硬度降低。

因此，本方法的优点特别在于工件在0.05-0.5mm的大扩散深度下无结合层，产生完美的扩散层以及工件和零件在弯曲和振动受力下的特性得到改善等事实。

因此根据本发明的方法特别适用于动态受力的零件和工件如弹簧、轴和锻模，但并不仅限于此。

优选但并非必需地，可进行气体渗氮和PVD涂覆联合处理。因为，扩散层是无结合层的且表面具有高质量，在处理之后没有结块，所以在此表面上可以沉积具有特别高粘着特性的PVD层。

如上所述，在一个优选实施方案中，在第二渗氮阶段之后的第三渗氮阶段内氨气含量进一步降低。

在一个对于实际应用特别重要的实施方案中，根据本发明所述方法进一步包括以下步骤：向处理室中装入工件并通过供给第一工艺气体产生气体氛围；在加热阶段于气体氛围中将工件加热到预定的平衡温度；在平衡阶段将工件保持在平衡温度；在第二加热阶段，向处理室的气氛中添加第二工艺气体的同时，特别是添加氮气和/或氢气和/或氨气和/或其它第二工艺气体的同时，将工件进一步加热到处理温度；在初始渗氮阶段将工件保持在处理温度；在第一渗氮阶段内于第一渗氮温度下对工件进行渗氮，并通过添加额外的气体降低气氛中的氨气含量；在第二渗氮阶段于第二渗氮温度对工件进行渗氮并通过降低氨气成分相对于所述额外气体的比例进一步降低气氛中的氨气含量；在第三渗氮阶段，于第三渗氮温度下对工件进行渗氮并通过降低氨气成分相对于所述额外气体的比例进一步降低气氛中的氨气含量；在冷却阶段于氮气氛下冷却工件。

在这里，在所有气体中主要讨论氮气、氢气、二氧化碳或其它额外的气体。

在另一特殊实施方案中，第一工艺气体和/或第二工艺气体包含空气和/或氮气，优选地30％空气和70％氮气。

在第二加热阶段，气氛中可以包含70％、优选地90％和特别是100％的氮气。

初始渗氮阶段的气氛中特别包含氨气和氮气，优选地60％-90％氨气和/或10％-40％氮气，特别是80％氨气和20％氮气。

平衡温度在250℃-400℃之间，特别是300℃-380℃之间，尤其是在350℃。

在根据本发明的方法的一个特殊实施方案中，第一渗氮温度与第二渗氮温度相同，和/或第二渗氮温度与第三渗氮温度相同，和/或第一渗氮温度和/或第二渗氮温度和/或第三渗氮温度与处理温度相同。

在此安排中，特别是第一渗氮温度和/或第二渗氮温度和/或第三渗氮温度和/或处理温度在300℃-600℃之间，特别是400℃-500℃之间，尤其是在440℃。

第一渗氮阶段的持续时间优选地大于第二渗氮阶段的持续时间，和/或第二渗氮阶段的持续时间大于第三渗氮阶段的持续时间，从而第一渗氮阶段的持续时间在200min-500min之间，优选地在300min-400min之间，特别是为360min，和/或在第一渗氮阶段氨气的比例在70％-95％之间，优选地为85％，和/或在第一渗氮阶段氮气的比例在5％-15％之间，优选地为9％，和/或在第一渗氮阶段二氧化碳比例小于5％，优选地1％，和/或氢气的比例在0％-10％之间，优选地为5％。

第二渗氮阶段的持续时间在100min-400min之间，优选地在200min-300min之间，特别是为240min，和/或在第二渗氮阶段氨气的比例在30％-70％之间，优选地为50％，和/或在第二渗氮阶段氮气的比例在20％-60％之间，优选地为44.5％，和/或在第二渗氮阶段二氧化碳的比例小于3％，优选地0.5％，和/或氢气的比例在0％-10％之间，优选地为5％。

第三渗氮阶段的持续时间在10min-100min之间，优选地在20min-60min之间，特别是为30min，和/或在第三渗氮阶段氨气的比例在20％-60％之间，优选地为40％，和/或在第三渗氮阶段氮气的比例在30％-70％之间，优选地为55％，和/或在第三渗氮阶段二氧化碳的比例小于2％，优选地0％，和/或氢气的比例在0％-10％之间，优选地为5％。

在另一实施方案中，在气体渗氮之后通过PVD法向工件提供表面层。

如上所述，本发明进一步涉及按照上述根据本发明所述方法进行了气体渗氮的工件，它尤其可以是弹簧、轴、锻模，优选地SiCrV合金工件，特别是由铬含量0.5％-1％的阀弹簧钢制造的阀弹簧。

在此方案中，工件具有结合层，其厚度小于3μm，优选地小于1μm，和/或渗氮硬度深度大于0.04mm。

工件的表面硬度优选地大于600HV0.5，优选地大于800HV0.5和/或在0.05mm深处硬度大于400HV0.5，优选地大于600HV0.5和/或在气体渗氮之后芯部硬度为至少400HV10，优选地至少520HV10。

显然本发明并不局限于此示例性应用中所述的实施方案，而且特别是所述实施方案的所有合适的组合都包含在本发明之内。

下面将参照附图对本发明作进一步详述。

附图说明

图1是根据本发明所述方法的一个实施方案的时间-温度图；

具体实施方式

在图1中图解说明了根据本发明所述方法的一个对于实际应用非常重要的实施方案，当阀弹簧被用在例如机动车辆内燃机的进气和/或排气阀中时此实施方案例如可以特别有利地被用于阀弹簧的渗氮。

开始先将弹簧装入气体渗氮设备的处理室，其中气体渗氮设备本身对于本领域一般技术人员来说有许多众所周知的实施方案，因此在本申请范围内并不必进一步详细描述。

将弹簧装入处理室之后，由包含大约30％空气和大约70％氮气的第一工艺气体1在处理室内产生气氛，并将工件，此处为弹簧，在加热阶段A于上述气氛中加热到预定的平衡温度GT，在此实施例中此预定平衡温度GT达350℃。

然后在平衡阶段G将弹簧在第二工艺气体2(在图1所示的本特殊实施方案中与第一工艺气体相同)中保持在350℃的平衡温度GT。

此后用第三工艺气体3在处理室中产生气氛，并将第二加热阶段A”中的温度升高到预定的处理温度PT。在此特殊实施方案中，处理温度PT与此处高达440℃的渗氮温度NT相同。第三工艺气体3在这里基本上(即除了与本处理无关的污染物之外)由100％氮气构成。

到达处理温度PT后，在初始渗氮阶段AP在含第四工艺气体4的气氛下对工件(换句话说在这里为弹簧)进行相对较短时间例如15分钟的气体渗氮以产生扩散层，其中所述第四工艺气体4包含大约80％氨气和大约20％氮气。在三个相继的渗氮阶段N1、N2和N3内在工件深处建立起扩散区，其中工艺气体按预定表变化，例如表1中所列。

	渗氮阶段N1	渗氮阶段N2	渗氮阶段N3
				持续时间	360min	240min	30min
氨气	85％	50％	40％
				氮气	9％	44.5％	55％
二氧化碳	1％	0.5％	0％
				氢气	5％	5％	5％

表1：图1所示特殊实施方案中氨气浓度在渗氮阶段N1、N2和N3内的下降图表。

在这里重要的是，氨气浓度在三个渗氮阶段N1、N2、N3的整个渗氮时间内分阶段和/或持续地降低。在图1所示的此特殊实施例中，在所有三个渗氮步骤N1、N2、N3内渗氮温度NT都高达约440℃。保持时间，即渗氮阶段N1、N2、N3的持续时间，以及渗氮阶段内工艺气体5、6、7的组成同样可以从表1中得知。

在最后的渗氮阶段N3完成之后，在冷却阶段K在处理室内于添加氮气的同时冷却工件。

通过在图1中和在上面详细描述的根据本发明所述方法的示例性具体实施方案，可以在含0.05％-1.5％铬、特别是0.5％-5.5％铬的回火ScCrV合金阀弹簧钢(例如55SiCr7)上实现以下渗氮特征：

-结合层小于1μm

-表面硬度大于800HV0.5

-渗氮硬度深度大于0.04mm

-0.05mm深处硬度大于600HV0.5

-处理前芯部硬度最低560HV10

-处理后芯部硬度最低520HV10

Claims (18)

1.一种在气体氛围中对工件表面进行无结合层气体渗氮的方法，包括以下方法步骤：

-将工件装入处理室，其中处理室中包含用于向处理室提供流体、特别是提供水和气体以产生和维持所述气体氛围的气体供给装置；

-在氮气和/或氧气气氛下，特别是在氮气气氛下，加热工件；

-在第一氮化阶段(N1)内对工件进行渗氮；

-在第一渗氮阶段(N1)之后的第二渗氮阶段(N2)内继续渗氮，

其特征在于，在第一渗氮阶段(N1)和/或第二渗氮阶段(N2)降低气体氛围中的氨气含量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在第二渗氮阶段(N2)之后的第三渗氮阶段(N3)内进一步降低氨气含量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，包括以下方法步骤：

-向处理室中装入工件并通过供给第一工艺气体(1)产生气体氛围；

-在加热阶段(A)于气体氛围中将工件加热到预定的平衡温度(GT)；

-在平衡阶段(G)将工件保持在平衡温度(GT)；

-在第二加热阶段(A2)，向处理室的气氛中添加第二工艺气体(2)的同时，特别是添加氮气和/或氢气和/或氨气和/或其它第二工艺气体(2)的同时，将工件进一步加热到处理温度(PT)；

-在初始渗氮阶段(AP)将工件保持在处理温度(PT)；

-在第一渗氮阶段(N1)内于第一渗氮温度(NT1)下对工件进行渗氮，并通过添加额外的气体降低气氛中的氨气含量；

-在第二渗氮阶段(N2)于第二渗氮温度(NT2)对工件进行渗氮并通过通过降低氨气成分相对于所述额外气体的比例进一步降低气氛中的氨气含量；

-在第三渗氮阶段(N3)，于第三渗氮温度(NT3)下对工件进行渗氮并通过降低氨气成分相对于所述额外气体的比例进一步降低气氛中的氨气含量；和

-在冷却阶段(K)于氮气氛下冷却工件。

4.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中所述额外气体为氮气、氢气、二氧化碳或其它额外的气体。

5.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中第一工艺气体(1)和/或第二工艺气体(2)包括空气和/或氮气，优选30％空气和70％氮气。

6.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中第二加热阶段(N2)中的气氛包括70％氮气，优选90％氮气，特别是100％的氮气。

7.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中初始渗氮阶段(AN)的气氛包括氨气和氮气，优选60％-90％氨气和/或10％-40％氮气，特别是80％氨气和20％氮气。

8.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中平衡温度(GT)在250℃-400℃之间，特别是300℃-380℃之间，尤其是在350℃。

9.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中第一渗氮温度(NT1)与第二渗氮温度(NT2)相同，和/或第二渗氮温度(NT2)与第三渗氮温度(NT3)相同，和/或第一渗氮温度(NT1)和/或第二渗氮温度(NT2)和/或第三渗氮温度(NT3)与处理温度(PT)相同。

10.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中第一渗氮温度(NT1)和/或第二渗氮温度(NT2)和/或第三渗氮温度(NT3)和/或处理温度(GT)在300℃-600℃之间，特别是在400℃-500℃之间，尤其是在440℃。

11.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中第一渗氮阶段(N1)的持续时间大于第二渗氮阶段(N2)的持续时间，和/或第二渗氮阶段(N2)的持续时间大于第三渗氮阶段(N3)的持续时间。

12.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中第一渗氮阶段(N1)的持续时间在200min-500min之间，优选地在300min-400min之间，特别是为360min，和/或第一渗氮阶段(N1)中氨气的比例在70％-95％之间，优选地为85％，和/或在第一渗氮阶段(N1)中氮气的比例在5％-15％之间，优选地为9％，和/或在第一渗氮阶段(N1)中二氧化碳比例小于5％，优选1％，和/或氢气的比例在0％-10％之间，优选地为5％。

13.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中第二渗氮阶段(N2)的持续时间在100min-400min之间，优选地在200min-300min之间，特别是为240min，和/或在第二渗氮阶段(N2)中氨气的比例在30％-75％之间，优选地为50％，和/或在第二渗氮阶段(N2)中氮气的比例在20％-60％之间，优选地为44.5％，和/或在第二渗氮阶段(N2)中二氧化碳的比例小于3％，优选0.5％，和/或氢气的比例在0％-10％之间，优选地为5％。

14.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中第三渗氮阶段(N3)的持续时间在10min-100min之间，优选地在20min-60min之间，特别是为30min，和/或在第三渗氮阶段(N3)中氨气的比例在20％-60％之阀，优选地为40％，和/或在第三渗氮阶段(N3)中氮气的比例在30％-70％之间，优选地为55％，和/或在第三渗氮阶段(N3)中二氧化碳的比例小于2％，优选0％，和/或氢气的比例在0％-10％之间，优选地为5％。

15.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其中在气体渗氮之后通过PVD法向工件提供表面层。

16.按照权利要求1-15中任何一项的方法进行了气体渗氮的工件，特别是弹簧、轴、锻模，优选SiCrV合金工件，特别是由含0.5％-1.5％、尤其是0.5％-5.5％的铬的阀弹簧钢制造的阀弹簧。

17.根据权利要求16所述的工件，其具有结合层，该层的厚度小于3μm，优选地小于1μm，和/或渗氮硬度深度大于0.04mm。

18.根据权利要求16或17所述的工件，其表面硬度大于600HV0.5，优选地大于800HV0.5，和/或在0.05mm深处硬度大于400HV0.5，优选地大于600HV0.5，和/或在气体渗氮之后芯部硬度为至少400HV10，优选地至少520HV10。

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