TWI580793B - 用於冷卻已受到熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理的金屬部件之方法，用於實施該方法之設備，及所處理的金屬部件 - Google Patents

Description

用於冷卻已受到熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理的金屬部件之方法，用於實施該方法之設備，及所處理的金屬部件

本發明有關用於已受到熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理的冷卻金屬部件之方法及設備。本發明亦有關如此處理之部件。

藉由在熔鹽浴中氮化或氮化滲碳以減少該摩擦係數及改善金屬部件之黏接及耐磨性，採用氮之熱化學擴散的方法之使用被那些熟諳該技藝者所充分了解。於該主要部分中，這些鹽浴大致上包括氰酸鹽及鹼性碳酸鹽。當該氮化溫度被抵達時，該鹼性氰酸鹽釋放氮及碳，該氮及碳擴散在該部件的表面之上。該處理時間在400至700℃間之溫度大致上係於20至180mn之間。這些工業用製程係已知例如在該商標SURSULF或TENIFER之下。

其將被記得氮化或氮化滲碳處理製程包括以下之主要步驟：- 去除該等部件的油污，- 預熱，- 氮化滲碳處理，- 冷卻，- 清洗，- 乾燥。

當鐵之合金被關切時，此處理大致上造成二有特徵之 區域，以形成：第一表面區，具有於5至30微米間之厚度，主要由已知為該複合區之ε氮化物(Fe2-3n)及γ'氮化物(Fe4N)所組成，隨後有第二區，具有大致上於0.2至1.5毫米間之厚度，並以由固體溶液中並於該鐵粉中且呈合金元素的氮化物之形式的氮之存在為其特徵，已知為該擴散層。

在該氮化滲碳處理之後的各種另外選擇之冷卻方法已被開發，以便改善該等被處理部件的一些特徵：

- 該等被處理部件的耐腐蝕性中之改善係藉由用氧化鹽浴淬火(380-420℃)替換水淬火冷卻所獲得。例如在該商標Arcor®或ABI®之下已知的此種處理在該被處理表面上產生黑色的氧化鐵(Fe3O4)。

- 脆性中之減少、或被處理部件的延展性中之改善係藉由用較緩慢之冷卻、諸如油冷卻或較緩慢的靜止空氣冷卻替換水淬火冷卻所獲得。緩慢的冷卻亦被推薦用於耐不住顯著之扭曲的部件。所獲得之部件係以平行於該擴散層中之晶粒邊界的鐵氮化物沈澱物γ’-Fe₄N及α”-Fe₁₆N₂之存在為其特徵。該沈澱係有關氮於鐵中之溶解度限制隨著該溫度而減少。

對於部件之工業處理，該近來之處理把重要性放在金屬支架中，以促進其運送，譬如於各種處理站之間使用機器手臂。用於產生力之理由，該支架之占空因數係在最大，以致該等部件係能夠彼此接觸。該等部件被由該氮化浴轉移至該冷卻區達一段長度的時間，使得與周圍之空氣 接觸，氧化或表面變色點顯現在該等被處理部件之多少顯著部份的表面上。於實驗室中所進行之測試已顯示在超過大約30秒的轉移時間之後，氧化點被看見僅只顯現在一些部件上，反之在某一120秒的轉移時間之後，所有該等部件被氧化。如其發生，於二連續處理區間之工業轉移時間大致上係於這些二值之間。

其亦應注意的是該空氣冷卻不可避免地造成該部件之表面氧化。

對於一些應用，其非常明顯的是這些氧化點之存在係不可接受的。不只是這些氧化點對於該部件之外觀不利的，而且對於其使用、特別是用於以表面清潔度之觀點為嚴格的應用不利的。實際上，該氧化區產生灰塵，該灰塵當潤滑劑存在時可建立凝聚體，並造成對於該意欲之應用有害的磨損。

於目前的尖端技術中，所提出之工業解決方法未能確保一熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理具有充分高度之清潔性及具有足夠好的外觀，換句話說在該被處理部件之任一者上無氧化之跡象。

在這方面，其將被回憶本發明之技術領域有關部件之工業處理，該工業處理不能與在實驗室程度所施行之氮化或氮化滲碳處理比較，該部件在實驗室僅只被小量處理。其結果是，於該實驗室中，在該氮化浴之後，該部件係能夠足夠迅速地被轉移，以譬如避免於水冷卻期間氧化。

其將被了解當大量部件被同時處理時，這在工業規模 上是不可能的，藉此產生一顯著之剔退速率。甚至藉由儘可能多地減少該部件轉移時間，尤其於該處理區及該冷卻區之間，如果氧化痕跡之不存在將被保證，其接著證實需要進行目視檢查及出自該等部件的單元分類。

美國專利3560271有關在熔鹽浴中氮化之方法，具有在氮化之後使冷卻慢下來的目標，以便減少該工作應力水準，以便藉此限制該層斷裂之風險。真空冷卻僅只可經過輻射發生，藉此給予未輕易地與工業製程相容之冷卻時間(由數小時至數十小時)。

再者，當在該處理站及該冷卻站之間需要相當高轉移時間來處理大量部件時，該製程之使用不會確保氧化之任何痕跡的完全不存在(亦即當轉移該負載時，質量慣性尤其在減速之後於水平轉移期間強迫部件負載穩定階段，且因此使轉移時間減至最小)。

因此由該先前技藝之分析所清楚的是於使用中，該工業解決方法未能確保熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理具有充分高度的清潔性及具有足夠好的外觀，換句話說，在所處理部件的任一部份上或任一者上無氧化之痕跡。

亦將被了解的是其係不可能的，尤其在工業處理被關切之處，為獲得充分易延展、而同時顯示無氧化之痕跡的部件。

藉由本發明所設定之目的係以直接、安全、有效率及 合理之方式克服這些缺點。

因此，關於已受到熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理的金屬部件之工業處理，本發明開始著手解決的問題係確保無氧化腐蝕之痕跡，以致其延展性能被改善。

為解決此問題，一方法已被想出及完美地用於冷卻已受到熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理的金屬部件，根據該方法：- 在該處理的終止之前，一室被配置，以致該封圍件中所包含之氧能被排出，以便建立惰性氛圍(atmosphere)，並以呈液態形式之冷凍劑填充該室，且當該冷凍劑蒸發時具有用於體積膨脹之強大的容量；- 所有經處理的部件被轉移進入該室；- 該室被關閉；- 該部件被留在該室中達一預設長度的時間，以抵達一溫度，該鹽在該溫度凝結及形成一保護阻擋層；- 該部件被移去，且受到一清洗操作。

有利的是，該冷凍劑係液態氮，其將由於該熔鹽浴與該部件之熱而很迅速地蒸發。該蒸發將產生約630倍較大的體積之氣體，其將很迅速地排出在該室內側所發現之氧。該結果係於惰性氛圍中一以該部件的冶金學意義之觀點慢下來的冷卻，但快到足以與一工業製程相容，確保它們具有某一延展性之程度，而沒有氧化點顯現之風險，且因此不會危及隨後之粉塵排放。

根據另一特徵，該室在該氮化或氮化滲碳處理的終止之前被以液態氮填充達2至3毫米。在該氮化或氮化滲碳處理之終止處，該部件係在6米/分之最小速率直立地轉移至填充以液態氮之室。在冷卻至約350℃的溫度之後，它們係於水中在40至50℃間之溫度下清洗，且接著於水中在15至25℃間之溫度下清洗。

為實施該方法，該冷卻室被放置成與該氮化或氮化滲碳站直接聯繫，同時被鎖固至轉移載架，用於將所有部件快速轉移進入該室。

為解決獲得該部件之緩慢的冷卻與該室內側的非常快速之氮飽和所造成的問題，而不需訴諸預抽吸系統以排出最初存在之空氣，該室具有雙壁的鐘，液態氮被注射進入該鐘，該雙壁具有用於擴散該鐘內側之氮的配置。

根據其他特徵，該鐘之基底與能夠給予至該鐘的內側而用於部件之轉移之自由進出的機構嚙合，且能夠於該冷卻階段期間關閉此進出。該機構包括鎖固至該處理站的一部份之門件。

根據所申請之方法的特徵，本發明亦有關已受到熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理之部件。更大致上，本發明有關沒有氧化點能被看見及氮化物沈澱物係存在於該擴散區中之金屬部件。

用於金屬部件之熔鹽浴氮化或氮化滲碳的設備未被詳 細地敘述，因為其被那些熟諳該技藝所充分了解，即使能夠在各種另外選擇實施中發現。

該設備被設計成適於在工業基礎上處理該部件，亦即不分開、但成批地，譬如藉由將該部件放置於金屬支架中，以便藉由該各種處理站間之機器手臂促進其轉移。

根據本發明，冷卻室(以下簡稱為「室」)(1)係與該氮化或氮化滲碳站處於直接關係，同時被鎖固至用於將所有在考量之下的部件(P)快速轉移進入該室(1)之轉移機台。如所指示，該部件(P)例如被放置於支架(R)中。

根據本發明的一顯著特徵，該室(1)為具有雙壁(1a)的鐘，液態氮被注射進入該鐘。此雙壁(1a)具有用於在該室(1)內側擴散該液態氮之配置。譬如，該雙壁(1a)具有用於經過校準的孔口(1c)擴散該液態氮的折流板(1b)。該液態氮係經由任何習知適當機構(2)所供給。該室(1)被鎖固至該轉移機台。位在其下端的孔口與鎖固至該氮化滲碳站之門件(3)、(4)嚙合。

應參考圖2、3及4，其顯示形成本發明之基本特徵的方法之主要階段。該氮化滲碳處理如此可譬如為在SURSULF、TENIFER等商標之下所習知的型式。該處理之長度大致上係於20至180mn之間，且典型係於約50至60分鐘之間。該室(1)被放置在該熔鹽浴(T)之上，其中被放置於該支架(R)中之所有該部件(P)被淬火。該門件(3)及(4)係開放的(圖2)。

數分鐘、大約於2至3分鐘之間，在該氮化滲碳製程的結束之前，液態氮(A)係如先前所指示經過該雙壁(1a)注射，以便很迅速地排出該室(1)內側所發現之氧，以便於惰性氛圍中對該部件(P)以冶金方式緩慢的冷卻(圖3)。

於圖4中，所有該部件(P)在填充以液態氮(A)的室(1)內側被轉移。該轉移係在約6米/分之快速速率下施行。該門件(3)及(4)接著被關閉，以致該冷卻操作如此能發生。視該部件質量而定，冷卻發生達一設定之時期，以便在無氧中抵達約350℃，注意在此溫度之上，無進一步之氧化。此時期典型係少於或大體上等於該部件氮化或氮化滲碳處理時間。

應注意的是6米/分之速率視該氮化浴之位準及進入該室的輸入間之距離而定；此速率可因此視情況而定更快或較慢：該速率越快，則該結果將為更精確。

在此冷卻之後，所有該部件被清洗，該清洗係在被帶至40至50℃的水中、且接著被帶至約20℃的水中進行。

應參考圖5、6、7、8及9，其顯示關於被處理部件於圖5至8中使用先前技藝解決方法、及按照圖9中之本發明所獲得的結果。

於圖5、6、7及8中，該冷卻係根據該先前技藝藉由在水中淬火該部件所進行，如於圖5中緊接在該氮化或氮化滲碳處理(在工業條件中不可能)、或在該處理之後的多少漫長的時期之後的任一者，亦即在該處理之後30秒(圖 6)、在該處理之後60秒(圖7)、在該處理之後120秒(圖8)。

在該部件上無氧化點及在該擴散層中無氮化物沈澱物能於圖5中被看見。隨著離開該熔鹽浴及於水中淬火之間的時間中之增加，氧化點(帶棕色的點)之外觀及尤其氧化區之數目中的標記增加可在圖6、7及8中被看見。

與這些氧化區的外觀平行，該微截面顯示成長數目之氧化鐵沈澱物的外觀，平行於該晶粒邊界之平面。該外觀係有緩慢冷卻的特徵，且有關氮的溶解度限制隨著該溫度中之減少。

其因此由如於圖6、7及8中之條件中所進行的實驗清楚的是，在工業基礎上，於氮化或氮化滲碳之後藉由水的冷卻不會給予清潔之易延展部件，亦即無氧化之痕跡及該擴散區中具有氮化物沈澱物之存在。

根據本發明，如於圖9中，在液態氮中之冷卻清楚地顯示無表面氧化痕跡，且存在有氮化物沈澱物，因此具有改良之機械性質。

應參考下面之表格，其根據圖5至9中所設立及顯示之測試條件，關於在580℃之氮化滲碳浴(CN-：4.15%；CNO-30.5%)中處理60分鐘之後的部件顯示該硬度讀數(Rq：粗糙度讀數係無補於事的)，亦即藉由緊接在離開該處理浴(欄A)之後水淬火冷卻、在離開該處理浴(欄B)之後水淬火30秒、在處理(欄C)之後水淬火60秒、在處理(欄D)之後水淬火120秒、及在液態氮中冷卻(欄 E)。

該等優點由該敘述變得清楚，且強調及想起以下者係尤其重要的：

- 相對水冷卻，本發明之方法經過緩慢的冷卻改善該部件之延展性及限制扭曲之風險。

- 相對有關工業製程之空氣或水冷卻，由於在處理之後不存在腐蝕的痕跡，本發明之方法保證該部件之正確外觀，藉此改善其清潔度之狀態。

1‧‧‧(鐘形)(冷卻)室

1a‧‧‧雙壁

1b‧‧‧折流板

1c‧‧‧孔口

2‧‧‧機構

3‧‧‧門件

4‧‧‧門件

A‧‧‧液態氮

P‧‧‧部件

R‧‧‧支架

T‧‧‧熔鹽浴

本發明係在下文以所附圖面之幫助進一步詳細地被揭示：

- 圖1係根據本發明之特徵的鐘形室之概要截面圖。

- 圖2、3與4係概要圖，顯示根據本發明之特徵的處理室之主要階段。

- 圖5、6、7、8及9顯示在580℃中之SURSULF氮化滲碳浴(CN-：4.15%；CNO-30.5%)中處理60分鐘及根據該先前技藝冷卻之後的部件之一樣本，並於不同條件(圖5、6、7、及8)中，且根據本發明，亦即於液態氮(圖9)中；每一樣本係與該對應微截 面有關聯。

1a‧‧‧雙壁

3‧‧‧門件

4‧‧‧門件

A‧‧‧液態氮

P‧‧‧部件

R‧‧‧支架

Claims (10)

1. 一種冷卻已受到熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理的金屬部件之方法，其特徵在於：- 在該處理的終止之前，室被配置，以致該室中所包含之氧能被排出，以便建立惰性氛圍，並以呈液態形式之冷凍劑填充該室，且當該冷凍劑蒸發時具有用於體積膨脹之強大的容量；- 所有經處理的部件被轉移進入該室；- 該室被關閉；- 該等部件被留在該室中達預設長度的時間，以抵達一溫度，該鹽在該溫度凝結及形成保護阻擋層；- 該等部件被移去，且接著受到清洗操作。
2. 如申請專利範圍第1項冷卻已受到熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理的金屬部件之方法，其中該冷凍劑為液態氮。
3. 如申請專利範圍第2項冷卻已受到熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理的金屬部件之方法，其中該室在該氮化或氮化滲碳處理的終止之前被以液態氮填充達2至3毫米。
4. 如申請專利範圍第2項冷卻已受到熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理的金屬部件之方法，其中該等部件係在6米或分之最小速率由填充以液態氮之該室轉移。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之冷卻已受到熔鹽浴氮化或氮化滲碳處理的金屬部件之方法，其中該清洗係在40至50℃間之溫度的水中施行，且接著於約20℃之溫度的水中施行。
6. 一種實施如申請專利範圍第1至5項中任一項之方法的設備，且包括用於一組部件之處理的熔鹽浴氮化或氮化滲碳站，其特徵在於室被放置成與該氮化或氮化滲碳站直接聯繫，同時被鎖固至轉移載架，用於將所有部件快速轉移進入該室。
7. 如申請專利範圍第6項之設備，其中該室為具有雙壁的鐘，液態氮被注射進入該鐘，該雙壁具有用於擴散該鐘內側之氮的配置。
8. 如申請專利範圍第7項之設備，其中該鐘之基底與能夠給予至該鐘的內側而用於部件之轉移之自由進出的機構嚙合，且能夠於該冷卻階段期間關閉此進出。
9. 如申請專利範圍第8項之設備，其中該機構包括鎖固至該處理站的一部份之門件。
10. 一種金屬部件，其根據如申請專利範圍第1至5項中任一項所界定之方法被處理。