JP5680185B2 - 金属コンポーネントの浸炭窒化法 - Google Patents

Description

本発明は、金属コンポーネント、殊に鋼部材の浸炭窒化法に関する。特に、本発明は、空気圧縮式、自己着火式の内燃機関の燃料噴射装置のコンポーネント又は空気圧縮式、自己着火式の内燃機関のコンポーネントの浸炭窒化法に関する。さらに、本方法は、変速機コンポーネントにも適している。

ＤＥ１９９０９６９４Ａ１から、プラズマを援用しない真空処理での浸炭窒化法が公知である。この公知の方法の場合、分子窒素が供与ガスとして使用され、その際、鋼部材の表層がプロセスの終わりに窒素で富化される。最終段階として、真空浸炭プロセスに、供与体としての窒素を用いた浸炭窒化段階が設けられる。プロセス圧力は、この段階の場合、浸炭段階の圧力より高い。この場合、窒素供与体の添加は、最終プロセス工程においてのみならず、プロセス全体中でも行われることができる。

ＤＥ１９９０９６９４Ａ１から公知の方法は、基材中に、長時間にわたって作用する高い炭素濃度に基づき、更なる熱処理の間にもはや溶解しない炭化物が形成する可能性があるという欠点を有する。負荷に応じて、表面付近の炭化物が、早期のコンポーネント故障をもたらす。

発明の開示
それに対して、請求項１の特徴を有する本発明による方法及び請求項１０の特徴を有する本発明による金属コンポーネントは、金属コンポーネントの改善された浸炭窒化を可能にし、ひいては改善された材料特性を得ることができるという利点を有する。

下位クレームに記載された措置によって、請求項１に示された方法及び請求項１０に示された金属コンポーネントの好ましい発展形態が可能である。

好ましくは、低圧浸炭窒化法が用いられる。該方法は、ここでは、炭化物が制御された浸炭窒化に用いられることができ、その際、炭化物不含の領域又は炭化物が制御された表面付近の領域を有する１種以上の金属コンポーネントが製造される。

低圧浸炭の場合、エッジ、ネジ、孔交差穴(Bohrungsverschneidungen)等の約０．５質量％から０．７質量％までの表面炭素含有率にて、高められた炭素含有率が表面付近領域に存在する可能性がある。このことは、下にある体積に対してより大きい浸炭可能な表面によって、平らな表面と比較して、より少量の炭素が、表面を離れて体積中に拡散し得ることに基づく。それによって、長時間にわたり、炭素濃度が基材の溶解限度付近で若しくは溶解限度より高く保たれ、そのことによって、更なる熱処理の間にもはや溶解し得ない炭化物が形成される。負荷に応じて、係る表面付近の炭化物は、早期の故障をもたらす可能性がある。故障にとって致命的である、炭化物に富んだ係る表面領域の除去は、後処理工程、例えば研磨することによって行われるが、しかしながら、費用が掛かり、必ずしも実施可能ではない。複雑な形状、例えば孔交差穴の場合には特に、係る後処理は煩雑であるか、又は場合によってはもはや可能ではない。

窒素も炭素も鉄格子内に侵入固溶され得るので、炭化物形成が、導入された窒素によって影響を受ける可能性がある。例えば、炭素の本来の侵入前に格子間(interstitielle Gitterplaetzen)を窒素原子で占有させることによって、考えられ得る最大炭素濃度を、炭化物形成が防止又は減少させられることができる程度にまで抑えることができる。

したがって、特に、１種以上の金属コンポーネントの臨界形状、例えばピッチや交差穴部における表面付近領域での炭化物形成を、浸炭窒化によって軽減又は回避することができる。

好ましくは、金属コンポーネントは、加熱段階で処理温度に加熱され、少なくとも１つの窒化段階で窒素供与ガスを用いて窒化され、かつ少なくとも１つの浸炭段階で炭素供与ガスを用いて浸炭される。この際、各浸炭段階前に、少なくとも１つの窒化段階が行われる。各浸炭段階前に窒化段階が実施されることは、導入された窒素が、鉄マトリックス中に取り込み可能な炭素量を減少させ、そのことによって、炭化物形成が低下又は回避される。引き続き、窒素が時間とともに再び表面から放出される作用を軽減するために、少なくとも１つの更なる窒化段階を行ってよい。

そのため、複数の浸炭段階が設けられていること、及び各浸炭段階に、先行する窒化段階が割り当てられていることが好ましい。さらに、この場合、金属コンポーネントを処理温度に加熱する加熱段階が設けられていること、及び該加熱段階が窒化段階と浸炭段階の前にあることが好ましい。好ましくは、この場合の処理温度は、約７８０℃〜約１０５０℃の範囲にあってよい。

さらに、窒化段階と次の浸炭段階との間で、窒化段階で用いられた窒素供与ガスを不活性ガスで排除する少なくとも１つのプロセスガス交換が設けられていること、及び／又は浸炭段階と次の窒化段階との間で、浸炭段階で用いられた炭素供与ガスを排除する少なくとも１つのプロセスガス交換が設けられていることが好ましい。そのため、各々の窒化段階又は浸炭段階の後に、プロセスガス交換を目的に、処理チャンバー等を、不活性ガス、例えば窒素又はアルゴンでパージしてよい。プロセスガス交換のために該処理チャンバーを真空排気することも可能である。

金属コンポーネントの表層(Randschicht)若しくは表面の領域中での炭素及び窒素の所望の濃度分布は、好ましくは、窒化段階、浸炭段階及び更なる段階、殊に拡散段階の時機並びに継続時間の適した選択によって調整されることができる。プロセス全体を見やすくするために、好ましくは、窒素及び炭素の拡散を、期間、温度、材料組成及び場合によっては更なるパラメータに依存して計算するシミュレーションモデルを考量することができる。

窒素供与ガスは、アンモニア及び／又は窒素を含有することが好ましい。さらに、炭素供与ガスは、アセチレン及び／又はエチレン及び／又はプロパン及び／又はプロペン及び／又はメタン及び／又はシクロヘキサン及び／又はシクロペンタンを有することが好ましい。

さらに、真空排気を行い、かつ／又は金属コンポーネントが少なくとも不活性ガスでほぼ取り囲まれる、少なくとも１つの拡散段階が設けられていること、並びに拡散段階が、窒化段階又は浸炭段階の後に続くことが好ましい。この場合、複数の拡散段階も設けられていてよい。殊に、拡散段階が第一の窒化段階後に設けられていてよく、かつ更なる拡散段階が最終的な浸炭段階後に設けられていてよい。それによって、金属コンポーネントの好ましい浸炭窒化が可能である。

さらに、金属コンポーネントの表面が平らではなく、かつ、それゆえ例えば突出部を有する表面領域中で該金属コンポーネントが少なくとも窒化されることが好ましい。金属コンポーネントが、ネジ、交差穴部(Verschneidung)、エッジ等の表面領域中で少なくとも窒化されることも好ましい。それにより、特に、表面がその後ろに存在する体積と比べて比較的大きく、ひいては当該体積を基準として炭素濃度の増加が促されているコンポーネントの表面領域で、高すぎる炭素濃度を回避することができる。それにより、考えられ得る最大炭素濃度を、炭化物形成を防止するために低下させることができる。

本発明の有利な実施例を、添付の図面を引き合いに出して下記で詳細に説明する。

本発明の実施例に相当する低圧浸炭窒化法のプロセス操作の概略図 通常の浸炭窒化法により製造されている金属コンポーネントのエッジを抜粋した図。 本発明の実施例に相当する浸炭窒化法により製造されている金属コンポーネントのエッジを抜粋した概略図 本発明の実施例を具体的に示すための概略図における図２及び図３に示される金属コンポーネントに関する濃度−深さプロフィール

図１は、本発明の実施例に相当する低圧浸炭窒化法のプロセス操作を概略的な図として示す。ここでは、横軸に時間ｔをプロットしている。方法は、例えば処理チャンバーに存在している金属コンポーネント１（図３）を用いて実施する。図１に示されるグラフの縦軸には、一方では、処理チャンバー内での温度を示している。他方で、縦軸には、酸素供与ガス及び炭素供与ガスの分圧をプロットしている。

低圧浸炭窒化法は、加熱段階Ａから始まる。加熱段階では、温度Ｔを処理温度に上昇させる。処理温度は、この実施例では９００℃を超える。処理温度は、ここでは、好ましくは約７８０℃〜１０５０℃の範囲にある。処理温度が約９００℃より高い温度に達した後に、均熱段階Ｂを続けて行う。それに続けて、窒化段階Ｃ１を実施する。窒化段階Ｃ１において、酸素供与ガスの分圧を高める。窒化段階Ｃ１には、拡散段階Ｅ１が続く。拡散段階Ｅ１には、更なる窒化段階Ｃ２が続き、該窒化段階Ｃ２において窒素供与ガスの分圧を再び高める。窒化段階Ｃ２には、プロセスガス交換Ｆ１が続く。プロセスガス交換Ｆ１には、浸炭段階Ｄ１が続き、該浸炭段階Ｄ１において炭素供与ガスの分圧を高める。浸炭段階Ｄ１には、プロセスガス交換Ｆ２が続く。プロセスガス交換Ｆ２の後に、窒化段階Ｃ３を実施し、該窒化段階Ｃ３において窒素供与ガスの分圧を高める。窒化段階Ｃ３には、更なるプロセスガス交換Ｆ３が続く。プロセスガス交換Ｆ３の後に、第二の浸炭段階Ｄ２を行い、該浸炭段階Ｄ２において炭素供与ガスの分圧を高める。浸炭段階Ｄ２には、第二の拡散段階Ｅ２が続く。第二の拡散段階Ｅ２の終わりに、温度を再び下げ、すなわち、金属コンポーネント１の冷却を行う。

特に、加熱段階Ａの間、温度Ｔを、一定の加熱速度で、約９５０℃の処理温度Ｔまで連続的に高める。

加熱段階Ａに続く均熱段階Ｂでは、処理温度を約９５０℃の一定に保つ。その際、加熱段階Ａと均熱段階Ｂとの間には、窒素供与ガスも炭素供与ガスも供給しない。

均熱段階Ｂに続く第一の窒化段階Ｃ１では、窒素供与ガス、例えばアンモニアを、約５０ｍｂａｒの窒素供与ガス分圧で供給する。それに続けて、第一の拡散段階Ｅ１が行われ、その際、処理チャンバーを真空排気するか又は不活性ガスでパージする。不活性ガスとして、この場合、窒素又はアルゴンを用いる。それに次いで、第二の窒化段階Ｃ２を、窒素供与ガスを用いて約５０ｍｂａｒの窒素供与ガス分圧で行う。窒素供与ガスとして、例えばアンモニアを用いてよい。

引き続き、第一のプロセスガス交換Ｆ１を行い、その際、処理チャンバーを真空排気するか又は不活性ガス、例えば窒素又はアルゴンでパージする。第一のプロセスガス交換には、約１０ｍｂａｒの炭素供与ガス分圧による浸炭段階Ｄ１が続く。

更なるプロセス操作を相応して実施する。この場合、第二のプロセスガス交換Ｆ２を行い、その際、処理チャンバーを真空排気するか又は不活性ガスでパージする。引き続く窒化段階Ｃ３では、再び約５０ｍｂａｒの窒素供与ガス分圧が規定されていてよい。それに続くプロセスガス交換は、再び真空排気することによってか又は不活性ガスでパージすることによって行ってよい。第二の浸炭段階Ｄ２は、は、再び約１０ｍｂａｒの炭素供与ガス分圧で実施してよい。第二の浸炭段階Ｄ２の後に、第二の拡散段階Ｅ２を実施し、該拡散段階Ｅ２の後に、この実施例においては金属コンポーネント１を冷却する。第二の拡散段階Ｅ２の実施に際しては、処理チャンバーを真空処理するか又は不活性ガス、例えば窒素又はアルゴンでパージする。

したがって、本方法は、この実施例では、加熱段階Ａ、均熱段階Ｂ、３つの窒化段階Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、２つの浸炭段階Ｄ１、Ｄ２、２つの拡散段階Ｅ１、Ｅ２及び３つのプロセスガス交換Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３並びに冷却段階を包含する。

本方法の実施に際しては、各浸炭段階Ｄ１、Ｄ２の前に、少なくとも１つの窒化段階Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を実施する。この実施例では、各浸炭段階Ｄ１の前に、２つの窒化段階Ｃ１、Ｃ２を実施する。そして浸炭段階Ｄ２の前に、窒化段階Ｃ３を実施する。

本方法の実施態様に応じて、更なる浸炭段階も実施してよい。係る更なる浸炭段階にはまた、そのつど少なくとも１つの窒化段階が先行する。個々の窒化段階と浸炭段階との間では、適切に拡散段階若しくはプロセスガス交換を実施する。

それにより、このように、炭化物不含の又は炭化物が制御された浸炭窒化法の数多くの変更態様を実施することができる。これにより、好ましくは、金属コンポーネント１の組織構造に影響を及ぼすことができる。この好ましい影響は、特に、平らでない表面２（図３）を結果生じるエッジ又はその他の実施態様の領域で見られる。

図２は、金属コンポーネント１の浸炭窒化されたエッジ３の概略的な金相学的組織図を、抜粋した概略図の形で示す。相応して図３は、本発明の実施例に従った金属コンポーネント１の炭化物制御された浸炭窒化されたエッジ３の金相学的組織図を概略図の形で示す。

図２に示したエッジ３は、エッジ３の表面２の下方に、炭化物濃度が上昇している約５０μｍ幅の表層４を有する。表層４でのこの高い炭化物濃度によって、コンポーネントの耐荷力の不都合な影響が生じる。特に、負荷が生じた場合、表面付近の炭化物に基づき、早期の破損が起こる可能性があり、その際、エッジ３の領域中で割れ又は機械的な損傷が発生する。

図３に示した金属コンポーネント１では、本発明の実施例に従った浸炭窒化法による浸炭窒化法を実施している。これによって、約１５μｍ幅の表層４内で大きく減少した炭化物濃度が生じる。それにより、望ましくない高い炭化物濃度が回避される。

図４は、図２及び図３に示されたコンポーネント１の深さプロフィール分析を概略図の形で示す。この場合、横軸では表面２からの表層領域４の深さを示している。縦軸には、質量濃度をパーセントで示している。この場合、破線で示した曲線１０によって、図２に示した金属コンポーネント１において発生する表層領域４での炭化物含有の交差穴部の炭素含有率を示している。破線で示した曲線１１によって、図２に示した金属コンポーネント１において発生する表層領域４での炭化物含有の交差穴部の窒素含有率を示している。曲線１２によって、図３に表されている本発明の実施例に従った金属コンポーネント１の表層領域４での炭化物が制御された交差穴部の炭素含有率を示している。そして曲線１３によって、図３に表されている本発明の実施例に従った金属コンポーネント１の表層領域４での炭化物が制御された交差穴部の窒素含有率を示している。

本発明の実施例に従った浸炭窒化法によって、従来の実施態様の曲線１０と本発明の実施例に従った実施態様の曲線１２との比較が示すように、エッジ３の表層領域４での炭素含有率を顕著に下げることができる。同時に、エッジ３の表層領域４での窒素濃度は、従来の実施の曲線１１と本発明の実施例に従った実施の曲線１３との比較が示すように、本発明の実施例に従った方法の実施態様によって高められる。

炭素濃度の減少と同時に窒素濃度の上昇によって、比較可能な硬度を結果的に得ることができる。

それにより、好ましくは、金属コンポーネント１の表面２が平らではない臨界表面領域中での該コンポーネント１の組織構造に影響を及ぼすことができる。特に、ネジ山、交差穴部、エッジ等に窒化を実施することができるので、さもなければ非常に高い炭化物濃度の好ましい減少が可能となる。この場合、係る臨界表面領域において金属コンポーネント１の高い耐荷力と同時に必要とされる硬度を得ることができる。

特に、空気圧縮式、自己着火式の内燃機関のコンポーネント又は係る内燃機関の燃料噴射装置の本発明の実施例に従った浸炭窒化法が適している。特に、高圧噴射ポンプのコンポーネント、噴射式ディーゼル機関、バッフル(Drosselscheiben)等のコンポーネントを製造することができる。さらに、本方法は、変速機コンポーネントにも適している。

本発明は、上記の実施例に限定されない。

Ａ 加熱段階、 Ｂ 均熱段階、 Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 窒化段階、 Ｄ１、Ｄ２ 浸炭段階、 Ｅ１、Ｅ２ 拡散段階、 Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３ プロセスガス交換、 １ 金属コンポーネント、 ２ 表面、 ３ エッジ、 ４ 表層、 １０ 図２に示した金属コンポーネント１において発生する表層領域４での炭化物含有の交差穴部の炭素含有率、 １１ 図２に示した金属コンポーネント１において発生する表層領域４での炭化物含有の交差穴部の窒素含有率、 １２ 図３に表されている本発明の実施例に従った金属コンポーネント１の表層領域４での炭化物が制御された交差穴部の炭素含有率、 １３ 図３に表されている本発明の実施例に従った金属コンポーネント１の表層領域４での炭化物が制御された交差穴部の窒素含有率

Claims (9)

1. 金属コンポーネント（１）の浸炭窒化法であって、その際、該金属コンポーネント（１）を炭素供与ガスで浸炭する少なくとも１つの浸炭段階（Ｄ１、Ｄ２）が設けられており、その際、該浸炭段階（Ｄ１、Ｄ２）に割り当てられた、該浸炭段階（Ｄ１、Ｄ２）に先行する少なくとも１つの窒化段階（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）が設けられており、かつ、その際、該金属コンポーネント（１）を該窒化段階（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）で、窒素供与ガスを用いて該金属コンポーネント（１）の表面領域（４）を表在的に窒化する方法において、該金属コンポーネント（１）を処理温度に加熱する加熱段階（Ａ）が設けられており、該加熱段階（Ａ）が該窒化段階（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）と該浸炭段階（Ｄ１、Ｄ２）の前にあり、すべての該窒化段階（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）及び該浸炭段階（Ｄ１、Ｄ２）を同じ処理温度で行い、かつ該金属コンポーネント（１）を、該コンポーネント（１）の該表面（４）が平らではない表面領域（４）において窒化し、かつ／又は該金属コンポーネント（１）を、ネジ山、交差穴部、エッジ（３）の表面領域（４）において窒化し、かつ／又は該金属コンポーネント（１）が変速機コンポーネントであり、かつ／又は該金属コンポーネント（１）が歯形形状を有し、該コンポーネント（１）の該形状の表面（４）を窒化することを特徴とする、該金属コンポーネント（１）の浸炭窒化法。
2. 複数の浸炭段階（Ｄ１、Ｄ２）が設けられており、かつ前記複数の浸炭段階（Ｄ１、Ｄ２）に、それぞれ独立して少なくとも１つの先行する窒化段階（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）が割り当てられていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記処理温度が、７８０℃〜１０５０℃の範囲にあることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記浸炭窒化が低圧浸炭窒化であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 少なくとも１つのプロセスガス交換（Ｆ１、Ｆ３）が、窒化段階（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）と後続の浸炭段階（Ｄ１、Ｄ４）との間に設けられており、その際、該窒化段階（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）において用いられた窒素供与ガスを真空排気によって除去するか又は不活性ガスで追い出し、かつ／又は少なくとも１つのプロセスガス交換（Ｆ２）が、浸炭段階（Ｄ１）と後続の窒化段階（Ｃ３）との間に設けられており、その際、該浸炭段階において用いられた炭素供与ガスを真空排気によって除去するか又は不活性ガスで追い出すことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記窒素供与ガスが、アンモニア及び／又は窒素を有し、かつ／又は炭素供与ガスが、アセチレン及び／又はエチレン及び／又はプロパン及び／又はプロペン及び／又はメタン及び／又はシクロヘキサン及び／又はシクロペンタンを有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 少なくとも１つの拡散段階（Ｅ１、Ｅ２）が設けられており、該拡散段階において、真空排気を行い、かつ／又は前記金属コンポーネント（１）が少なくとも本質的に不活性ガスで取り囲まれており、かつ該拡散段階（Ｅ１、Ｅ２）を、窒化段階（Ｃ１）又は浸炭段階（Ｄ２）に続けて行うことを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の方法に従って浸炭窒化されている、金属コンポーネント（１）。
9. 前記金属コンポーネント（１）が、変速機コンポーネント、少なくとも１つの歯形形状を有するコンポーネント、空気圧縮式、自己着火式の内燃機関の燃料噴射装置のコンポーネント及び空気圧縮式、自己着火式の内燃機関のコンポーネント群から選択される少なくとも１種のコンポーネントである、請求項８記載の金属コンポーネント（１）。

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