CN102439194A - 碳氮共渗方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及至少一个金属件的碳氮共渗方法，其中该金属件在一个加热阶段(1)被加热到处理温度，在至少一个渗氮阶段(2a-2d)中用氮施主气体进行渗氮，并且在至少一个渗碳阶段(3a-3d)中用碳施主气体进行渗碳，其特点是，第一渗氮阶段(2a)在该加热阶段(1)结束后且第一渗碳阶段(3a)开始前开始。

Description

碳氮共渗方法

本发明涉及至少一个金属件的碳氮共渗方法。

现有技术

金属件的碳氮共渗方法由公开文献DE19909694A1、DE10118494A1和DE10322255A1公开。

公开文献DE19909694A1描述一种碳氮共渗方法，其中，氮的扩散在整个工艺过程中或者在使用氮作为施主气体的情况下最好单独在最后的工艺阶段中进行。

公开文献DE10118494C2描述一种低压碳氮共渗方法，其中，钢制件首先被渗碳，接着用氮施主气体进行渗氮。

公开文献DE10322255A1描述一种钢制件渗碳方法，其中，不仅在加热阶段中，而且在扩散阶段中加入释放氮的气体。

不过，通过在最后的渗碳阶段之后或最后的渗氮阶段过程中的渗氮，只是在具有比渗碳区域更浅的深度的近表面区域内富集氮。这导致渗碳区域内的耐回火性、硬度、强度和耐磨性可能提升不够。

而在加热阶段中的渗氮造成在金属件内或者一批多个金属件内的不均匀一致的耐回火性(回火稳定性)、硬度、强度和/或耐磨性。

因此，本发明所依据的任务是，提供一种金属件的碳氮共渗方法，借此能改善金属件的耐回火性和/或淬硬性和/或获得可与渗碳深度相似的渗氮深度。

发明公开内容

该任务将通过根据本发明的至少一个金属件的碳氮共渗方法来完成，其中，该金属件在一个加热阶段里被加热到处理温度，在至少一个渗氮阶段中用氮施主气体进行渗氮，并且在至少一个渗碳阶段中用碳施主气体进行渗碳，该方法的特点是，第一渗氮阶段在该加热阶段结束后且第一渗碳阶段开始前开始。

第一渗氮阶段只在该加热阶段结束后才开始带来以下优点，可以减小在金属件内的或者再一批多个金属件内的温度梯度，由此可以避免在金属件内的或者在一批多个金属件内的不均匀一致的耐回火性、硬度、强度和/或耐磨性。

第一渗碳阶段只在渗氮阶段开始后才开始带来以下优点，渗入金属件表面中的氮经过整个较长的处理持续时间能扩散到金属件中并且有助于提高表面区域内的耐回火性、硬度、强度和耐磨性。

此外，由于只有在渗氮阶段开始后才开始第一渗碳阶段，所以氮扩散或者碳扩散加速。究其原因在于，氮原子和碳原子能够在金属晶格中占据相同的晶格间隙位置。通过在一个渗氮阶段之后执行渗碳阶段，空出来的近表面的晶格间隙位置可以被碳原子占据，因而氮原子的扩散和与之相关的至表面的氮扩散变得困难。这样一来，也可以利用上述的工艺控制实现在低压区域内发生的已知的氮扩散的减少。

此外，氮可以通过提早供应氮而比较深地例如达到1.5毫米或甚至达到6毫米地渗入金属件的表面层中。由此一来，对于例如工作温度达到300℃或甚至达到350℃的金属件，实现了在表面区内的耐回火性提高，获得了足够高的硬度、强度和/或耐磨性和/或保证了金属件长期发挥功能。

此外，利用本发明的方法，可以获得≥0.3质量％至≤0.7质量％的或者甚至达到1质量％的表面碳浓度以及≥0.1质量％至≤0.35质量％或甚至达到0.5质量％的表面氮浓度。为了提高耐回火性、硬度、强度和/或耐磨性，可以在例如直到1.5毫米或甚至直到6毫米深的渗碳深度区域内有利地获得至少0.05质量％的氮浓度，或许可获得至少0.15质量％的氮浓度。

尤其是，本发明方法可以被用于金属件的表面层的碳氮共渗。本发明的方法也可以被用于多个金属件的碳氮共渗。例如本发明方法可以被用于一个或多个金属工件的碳氮共渗。

金属件的金属不仅可以是金属，也可以是金属合金，例如钢。

在本发明方法的另一实施方式的范围内，第一渗氮阶段尤其是紧接在第一渗碳阶段之前或者在第一渗碳阶段过程中或者随第一渗碳阶段一起或者在第一渗碳阶段之后结束。因为第一渗碳阶段可以紧接在第一渗氮阶段后或者至少部分与第一渗氮阶段同时地进行，所以减少或者阻止在进一步渗碳阶段、进一步渗氮阶段或者扩散阶段中的渗氮扩散。

此外，本发明方法可以具有至少一个第二渗氮阶段。该第二渗氮阶段可以例如在第一渗碳阶段之后进行。尤其是该第二渗氮阶段可以紧接在第一渗碳阶段后开始。

在本发明方法的另一实施方式的范围内，该方法在该加热阶段和第一渗氮阶段之间具有一个均热阶段，在均热阶段中，处理温度尤其在恒定气氛下保持不变，以使金属件内的或者多个金属件之间的温度均匀一致。此时，恒定气氛不仅可以指真空，也可以指最好具有恒定压力和恒定组成的惰性气氛。尤其是该均热阶段可以在加热阶段之后进行。第一渗氮阶段又可以在均热阶段后进行。该均热阶段例如可以持续至少5分钟，尤其是持续30分钟。均热阶段具有以下优点，可以进一步减小在金属件内的或者在一批多个金属件内的温度梯度，由此可以进一步避免在金属件内的或者在一批多个金属件内的不均匀一致的耐回火性、硬度、强度和/或耐磨性。

在跟在均热阶段后的阶段中，例如在渗氮阶段、渗碳阶段和/或扩散阶段中，处理温度还可以是恒定不变的，尤其是被保持在与在均热阶段内一样的处理温度。但是可以想到在后面的处理阶段中的温度升降。

在本发明方法的另一实施方式的范围内，该方法在一个尤其可抽真空的处理室内进行。

在本发明方法的另一实施方式的范围内，该方法具有至少一个扩散阶段，在该扩散阶段中，该处理室被抽真空和/或填充以惰性气体例如氩气。第一扩散阶段例如可以在第一渗氮阶段和第一渗碳阶段之间或者在第一渗碳阶段和第二渗氮阶段之间进行。

在本发明方法的另一实施方式的范围内，该方法除了第一渗氮阶段外还具有至少一个另外的渗氮阶段和/或除了第一渗碳阶段外还具有至少一个另外的渗碳阶段和/或除了第一扩散阶段外还具有至少一个另外的扩散阶段。该另外的渗氮阶段和/或另外的渗碳阶段可以不仅尤其直接、先后、例如以交替方式来进行，也可以部分或完全同时地进行。通过同时或先后进行的渗氮阶段和渗碳阶段，可以有利地加强在金属件组织内的碳氮扩散。此外，在所述另外的渗氮阶段和/或另外的渗碳阶段中，可以进行另外的扩散阶段。例如，一个另外的渗碳阶段可以在一个另外的渗氮阶段过程中或之后开始，或者一个另外的渗氮阶段可以在一个渗碳阶段过程中或者之后开始。在这两个阶段结束后，随后可以例如开始一个另外的扩散阶段。

在本发明方法的另一实施方式的范围内，氮施主气体包含选自以下组的化合物，该组由氨、氮及其混合物组成，尤其是含有氨。尤其是该氮施主气体可以由选自以下组的化合物构成，该组由氨、氮及其混合物组成，尤其是由氨构成。

在本发明方法的另一实施方式的范围内，碳施主气体包含选自以下组的化合物，该组由乙炔、乙烯、丙烷、丙烯、甲烷和其混合物组成。尤其是该碳施主气体可以由选自以下组的化合物构成，该组由乙炔、乙烯、丙烷、丙烯、甲烷和其混合物组成。

在本发明方法的另一实施方式的范围内，该方法是低压碳氮共渗法。

在本发明方法的另一实施方式的范围内，处理温度在≥780℃至≤1050℃、尤其是≥780℃至≤950℃的范围内。

在本发明方法的另一实施方式的范围内，在渗氮阶段中存在小于500毫巴的氮施主气体分压，例如小于100毫巴，尤其是小于或等于50毫巴，例如小于20毫巴。在渗碳阶段中，例如可以存在小于300毫巴、尤其是小于20毫巴、例如为小于10毫巴的碳施主气体分压。

为了补偿在扩散阶段中因氮扩散引起的氮损失，可以在一个尤其是接在扩散阶段之前的渗氮阶段之中或者之前将温度调整/提高例如到位于850℃至950℃范围内的温度，和/或氮供应量例如通过提高氮施主气体分压例如到50毫巴或30毫巴和/或提高氮施主气体体积流通量至例如3000升/小时被提高。通过这种方式，在例如≥0.1毫米至≤0.2毫米或甚至到0.3毫米的近表面区域中的氮浓度被调节成高于最终产品中的氮浓度，并且补偿了氮扩散。如果氮浓度在随后的扩散阶段中现在因为氮扩散而减小并且例如降低到达到0.5质量％或例如到≥0.1质量％至≤0.35质量％的表面氮浓度，则还是可以有利地保证在表面的耐回火性和淬硬性的提高。

本发明的另一个主题是金属件例如金属工件，其中，渗氮深度大于渗碳深度。这样的金属件可以通过本发明的方法来制造。此时有利的是，该构件可以具有在更高工作温度在机械载荷下的足够强的支承作用。

本发明的另一个主题是金属件例如金属工件，它由根据本发明的方法制造。尤其是对于这样的金属件，渗氮深度可以大于渗碳深度。

附图说明

本发明主题的其它优点和有利实施方式由附图示出并且在以下说明中加以描述。此时要注意，附图只具有描述性质而不是想要以任何形式限制本发明。

图1是示意表示本发明方法的一个实施方式的曲线图。

在图1所示的实施方式的范围内，该方法包括一个加热阶段1、一个均热阶段4、四个渗氮阶段2a、2b、2c、2d、四个渗碳阶段3a、3b、3c、3d和两个扩散阶段5a、5b。

图1示出在加热阶段1内温度以恒定的加热速度被连续提高到约950℃的处理温度。

在紧接在加热阶段1之后的均热阶段4里，处理温度恒定保持在约950℃。在加热阶段1和均热阶段4中，此时既没有供应氮施主气体，也没有供应碳施主气体。

在紧接在均热阶段4后的第一渗氮阶段2a中，以约50毫巴的氮施主气体分压供应氮施主气体例如氨气。处理温度此时就像在随后的渗氮阶段2b、2c、2d、渗碳阶段3a、3b、3c、3d和扩散阶段5a、5b中那样恒定保持在约950℃。在第一渗氮阶段2a后是第一渗碳阶段3a，在第一渗碳阶段中，氮施主气体分压又降低到0毫巴，而碳施主气体分压提高到约10毫巴。在第一渗碳阶段3a之后是第一扩散阶段5a，在第一扩散阶段中，碳施主气体分压又降低到0毫巴。这例如可以通过处理室的抽空或者给处理室填充惰性气体来实现。

在第一扩散阶段5a之后是具有约10毫巴的碳施主气体分压的第二渗碳阶段3b和具有约50毫巴的氮施主气体分压的第二渗氮阶段2b。图1示出了第二渗碳阶段3b和第二渗氮阶段2b同时开始。不过，第二渗碳阶段3b比第二渗氮阶段2b漫长并且因此只在第二渗氮阶段2b后结束。在这两个阶段2b和3b同时进行的该时间段内，存在约10毫巴的碳施主气体分压和约50毫巴的氮施主气体分压。但是，在第二渗氮阶段2b结束后，氮施主气体分压降低到0毫巴，并且大约10毫巴的碳施主气体分压在第二渗碳阶段3b结束前都保持不变。在第二渗碳阶段3b之后是第二扩散阶段5b，在第二扩散阶段中渗碳施主气体分压重新降低到0毫巴。

在第二扩散阶段5b后面又有一个具有约10毫巴的碳施主气体分压的第三渗碳阶段3c。在第三渗碳阶段3c结束后，碳施主气体分压被降低到0毫巴并且进入具有约50毫巴的氮施主气体分压的第三渗氮阶段2c。随后又是第四渗碳阶段3d，在第四渗碳阶段中，氮施主气体分压被降低到0毫巴，并且碳施主气体分压提高到约10毫巴。在第四渗碳阶段3d结束后，碳施主气体分压又降低到0毫巴，并且具有约50毫巴的氮施主气体分压的第四渗氮阶段2d进行，第四渗氮阶段与之前的渗氮阶段2a-2c相似地都很漫长。在最后的渗氮阶段2d之后，不再保持950℃的处理温度，进行淬火到室温，以调节出期望的组织成分。

显然，通过这种方式可以有许多种碳氮共渗方法，本发明不局限于四个渗氮阶段2a、2b、2c、2d、四个渗碳阶段3a、3b、3c、3d和两个扩散阶段5a、5b的上述次序和数量。

Claims (13)

1.一种用于至少一个金属的金属件的碳氮共渗的方法，其中该金属件在一个加热阶段(1)中被加热到处理温度，在至少一个渗氮阶段(2a-2d)中用氮施主气体进行渗氮，并且在至少一个渗碳阶段(3a-3d)中用碳施主气体进行渗碳，其特征在于，该第一渗氮阶段(2a)在该加热阶段(1)结束后且在第一渗碳阶段(3a)开始前开始。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，第一渗氮阶段(2a)在第一渗碳阶段(3a)之前或者在第一渗碳阶段(3a)期间或者与第一渗碳阶段(3a)一起或者在第一渗碳阶段(3a)之后结束。

3.根据权利要求1或权利要求2的方法，其特征在于，该方法在该加热阶段(1)和该第一渗氮阶段之间具有一个均热阶段(4)，在该均热阶段中，该处理温度尤其在恒定的气氛下保持恒定不变，以使金属件内的或多个金属件之间的温度均匀化。

4.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于，该方法在一个尤其是可抽真空的处理室内进行。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，该方法包括至少一个扩散阶段(5a，5b)，在该扩散阶段中该处理室被抽真空和/或填充有惰性气体。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，该方法除了第一渗氮阶段(2a)外还具有至少一个另外的渗氮阶段(2b-2d)和/或除了第一渗碳阶段(3a)外还具有至少一个另外的渗碳阶段(3b-3d)和/或除了第一扩散阶段(5a)外还具有至少一个另外的扩散阶段(5b)。

7.根据权利要求1至6之一的方法，其特征在于，该氮施主气体包含选自以下组的化合物，该组由氨、氮及其混合物构成。

8.根据权利要求1至7之一的方法，其特征在于，该碳施主气体包含选自以下组的化合物，该组由乙炔、乙烯、丙烷、丙烯、甲烷及其混合物构成。

9.根据权利要求1至8之一的方法，其特征在于，该方法是低压碳氮共渗法。

10.根据权利要求1至9之一的方法，其特征在于，该处理温度位于≥780℃至≤1050℃的范围内。

11.根据权利要求1至10之一的方法，其特征在于，在渗氮阶段(2a-2d)期间存在小于500毫巴的氮施主气体分压。

12.一种金属件，其中渗氮深度大于渗碳深度。

13.一种金属件，通过根据权利要求1至11之一的方法制造。