專利名稱：低壓滲碳氮化方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于加工鋼工件的方法，更具體地說，本發明涉及滲碳氮化方 法，即把碳和氣引入鋼工件表面上，以提高它們的硬度和疲勞特性。
背景技術：
目前有幾種用于滲碳氮化鋼工件的方法，這些方法能夠把碳和氮引入在工 件表面上，可滲入到數百微米的深度。
第一類滲碳氮化方法即所謂的高壓滲碳氮化方法，這是由于在整個加工時 間里，容納要加工工件的爐膛維持在通常接近大氣壓力的壓力。例如，這種方
法包括把工件保持在例如大約880° C的溫度等級，同時把由甲醇和氨形成 的氣體混合物供應給爐膛。滲碳氮化步驟后面接著進行淬火步驟，例如油淬火 以及可能的話使加工工件加工硬化。
第二類滲碳氮化方法即所謂的低壓或者降低壓力滲碳氮化方法，這是由于 包含要處理工件的爐膛維持在幾百帕斯卡(幾亳巴)以下的壓力。
第2004/0187966號美國公開文件描述了低壓滲碳氮化方法的兩個實例。 圖1相應于第2004/0187966號美國專利申請的圖5(a),示出了在爐膛內 溫度變化曲線IO,其中，根據第一實施例的滲碳氮化方法包括實施七個連續步 驟I至VII。要處理的工件受熱(步驟I)直到溫度等級12，并維持在該溫度等 級12(步驟I1)以獲得工件的溫度補償。通過把乙烯和氫氣混合物注入到爐膛
內，在溫度等級i2進行滲碳步驟(步驟ni),然后在溫度等級i2執行擴散步
驟(步驟IV)。爐膛的溫度接著降低(步驟V)到溫度等級12以下的溫度等 級14。通過把氨氣注入爐膛內，在溫度等級14執行氮化步驟(步驟VI)。工 件最終例如通過油淬火步驟被淬火(步驟VII)。
圖2相應于第2004/0187966號美國專利申請的圖5(b),示出了在爐膛內 溫度變化曲線16，其中根據第二實施例的滲碳氮化方法包括實施四個連續步驟
i'-iv'。步驟r和ir分別相應于第一實施例的步驟i和n。步驟nr相應于在溫
度等級18執行的滲碳氮化步驟，在此步驟期間，乙烯、氫氣和氨氣的氣體混合 物被注入到爐膛內。步驟iv'相應于油淬火步驟。
第2004/0187966號美國公開文件中描述的第一滲碳氮化方法實例的缺陷在 于，在滲碳溫度等級以下的溫度等級，在滲碳步驟后執行氮化步驟。總處理時 間因此過長，這使這種方法在工業范圍內的應用變得困難。
在第2004/0187966號美國公開文件中描述的第二滲碳氮化方法實例的缺陷 是由于滲碳和氮化氣體同時注入爐膛內而導致。因此很難精確控制爐膛內的氣 體環境，因此也就很難精確和可重復地控制在已處理工件中獲得的氮和碳的濃 度分布。

發明內容
本發明提供一種鋼工件的低壓滲碳氮化方法，其中該方法能夠在已處理工 件中精確和可重復地獲得期望的碳和氮濃度分布。
本發明的另一個目的是提供一種具有與在工業領域中鋼工件處理匹配的設
本發明還旨在提供一種低壓鋼工件滲碳氮化爐，其中該爐能夠在已處理工 件中精確和可重復地獲得期望的碳和氮分布。
本發明的另一個目的是提供一種簡單設計的低壓滲碳氮化爐。
為此，本發明提供 一種用于對布置在保持降低內壓力的爐膛中的鋼工件滲 碳氮化的方法，該工件保持一定的溫度等級。該方法包括第一和第二步驟的交 替，只在第一步驟期間，滲碳氣體注入到爐膛內，而只在至少兩個第二步驟中 至少一部分期間，氮化氣體注入到爐膛內。
根據實施例，滲碳氣體為丙烷或者乙炔，而氮化氣體為氨氣。
根據實施例，中性氣體與氮化氣體同時注入到爐膛內。
根據實施例，在至少第二步驟期間，在比所述第二步驟持續時間較短的時 間里，氮化氣體注入到爐膛內，第二步驟的其余過程在中性氣體存在下進行。
根據實施例，第一和第二步驟在低于1,500帕斯卡的恒定壓力下進行。 根據實施例，溫度等級范圍在800。 C和1050。 C之間。 根據實施例，溫度等級高于900。 C。
本發明還提供一種用于接納鋼工件的滲碳氮化爐，該爐與氣體引入和氣體 抽取裝置連接，被控制成保持降低的內部壓力，以及包括用于把該工件保持在 一定溫度等級的加熱裝置。該引入裝置包括在所述溫度等級下進行第一和第二 步驟的交替期間、用于只在第一步驟引入滲碳氣體和只在至少兩個第二步驟的 至少一部分期間引入氮化氣體的裝置。
根據實施例，該引入裝置包括用于引入中性氣體的裝置。


在下面連同附圖的具體實施例的非限制描述中，將詳細論述本發明的上述 及其他目的、特征和優點，在這些附圖中
圖1和2，前面描述過，示出了傳統的低壓滲碳氮化方法的實例； 圖3示意地示出了根據本發明的低壓滲碳氮化爐的實施例； 圖4示出了根據本發明的低壓滲碳氮化方法的實例；
圖5示出了根據發明低壓滲碳氮化方法的實例在已處理鋼工件中獲得的氮 濃度分布實例；
圖6、7和8分別示出了根據本發明的滲碳氮化方法的另外實例和對于這種 滲碳氮化方法而獲得的碳和氮濃度分布圖；以及
圖9、 10和11分別示出了根據本發明的滲碳氮化方法的另外實例和對于這 種滲碳氮化方法而獲得的碳和氮濃度分布圖。
具體實施例方式
本發明包括在維持基本恒溫的裝有待處理鋼工件的爐膛內，實施碳富集 步驟以及碳擴散步驟的交替，在實施碳富集步驟期間，滲碳氣體在降低壓力條 件下被注入到爐膛內；在實施碳擴散步驟期間，滲碳氣體注入被間斷。本發明 包括將碳擴散步驟的全部或者一部分中使用的氮化氣體注入到爐膛內。碳富集 步驟然后相應于氮擴散步驟。在至少兩個碳擴散步驟的至少一部分期間，即在 兩個碳富集步驟之間的碳擴散步驟的至少一部分期間，注入氮化氣體。這樣處 理的優點是，由于氮化氣體注入與滲碳氣體注入分開進行，因此這能夠精確地 和可重復地控制在已處理工件中獲得的碳和氮濃度分布。此外，由于氮化氣體 注入在碳擴散步驟期間進行，因此滲碳氮化處理總時間大致與傳統的滲碳過程
圖3示意地示出了根據本發明的低壓滲碳氮化爐10的實施例。爐IO包括 限定內部爐膛14的密封壁12，其中布置待處理的負載16,該負載通常是布置 在適當支撐物上的大量工件。通過連接到抽取器20上抽氣管18,在爐膛14內 維持幾百帕斯卡(幾毫巴)數量級的真空。注入器22能夠以分布方式將氣體引 入到爐膛14內。分別由閥門30、 32、 34 36控制的氣體入口 22、 24、 26、 28 已經作為實例示出。在爐膛14中的溫度可通過加熱裝置38設定。
圖4示出了根據發明滲碳氮化方法實例的在滲碳氮化循環期間、在圖3的 滲碳氣化爐10的爐膛14中溫度變化曲線40。該方法包括起始步驟H，該步驟 對應于在裝有負載16的爐膛14中直到溫度等級44的溫度上升階段42，在該 實例中，溫度等級44等于930。 C，并且通常對應于在大約800° C和大約1050 ° C之間的溫度范圍。步驟H后面進行步驟PH，是在溫度等級44下對負載16 的工件進行溫度補償。在中性氣體存在下進行步驟H和PH,其中還原氣體可 加入到該中性氣體中。該中性氣體例如為氮氣(N2)。例如是氫氣(H2)的 還原氣體可根據在從中性氣體體積的1%到5%范圍內變化比例來添加。為了安
全，期望的是，把氫氣比例限制成低于大約5%，以阻止在氫氣偶然接觸到周圍 空氣的情況中產生任何爆炸的危險。
步驟PH后面是在此期間將滲碳氣體注入爐膛14內的碳富集步驟C1到C4 以及在此期間滲碳氣體不再注入爐膛14內的碳擴散步驟D1到D4的交替。例 如，在圖4中示出了四個富集步驟C1到C4和四個擴散步驟D1到D4。通過把 在爐膛14內的溫度保持在溫度等級44而進行富集和擴散步驟。在擴散步驟D1 到D4期間，把氮化氣體注入到爐膛14。對負載IO進行淬火的步驟Q (例如氣 冷淬火)結束了滲碳氮化循環。在步驟H、 PH、富集步驟C1到C4和擴散步驟 Dl到D4期間，在幾百帕斯卡(幾亳巴)壓力下，在爐膛14內維持真空。根 據發明的變型，在每個滲碳步驟期間，滲碳氣體注入通過脈沖進行。
該滲碳氣體例如是丙烷(C3H8)或者乙炔(C2H2)。還可以是任何其他碳 氫化合物(CXHY)，這些碳氫化合物可能在爐膛溫度下分解，以使待處理工件 表面滲碳。該氮化氣體例如為氨氣(NH3)。參見圖3中示意圖，碳氫化合物 (CXHY)可被供應到達閬門30入口 22，氮氣可被供應到達閥門32的入口 24, 氫氣可被供應到達閩門34的入口 36，而氨氣可被供應到達閥門36的入口 28。
在一些擴散步驟期間只進行氮化注入。此外，在氮化氣體注入的擴散步驟 期間，氮化氣體注入可只進行擴散步驟的一部分。僅僅在擴散步驟期間，或者 僅僅在擴散步驟一部分期間，對于所有富集和擴散步驟，可注入例如氮氣(N2) 的中性氣體。中性氣體注入被調節，以保持在爐膛14中的壓力恒定。當氮化氣 體和中性氣體同時注入時，該氮化氣體和中性氣體的相對比例根據在處理工件 中期望的氮濃度分布來確定。此外，在氮化氣體和中性氣體同時注入爐膛14 期間，對于每個擴散步驟，氮化氣體和中性氣體的相對比例可以不同。
根據本發明的可替代實施例，注入爐10的爐膛14內的所有氣體或者其中 一些可在注入爐膛14前混合。在溫度上升步驟H和溫度補償步驟PH步驟，這 種變型例如能夠直接把包含氫氣比例低于5% (體積比)的氮氣和氫氣混合物注 入爐膛14內，這種氫氣比例排除了任何爆炸危險。根據本發明的本實施例，滲碳氮化方法在沒有壓力變化情況下實施，在富 集和擴散步驟期間，滲碳氣體和氮化氣體(可能的話和/或中性氣體)的注入是 連續的，而在滲碳氣體和氮化氣體(可能的話和/或中性氣體)之間的替換可能
非常迅速發生。
圖5示出了根據從工件表面測量的擴散到已處理工件內的氮元素質量濃度 的深度分布圖的實例，此時滲碳氣體為丙烷而氮化氣體為氨氣。
圖6、 7和8分別示出了根據本發明滲碳氮化方法的實例以及對于這種滲碳 氮化方法得到的碳和氮濃度的分布圖，其中該滲碳氣體為乙炔，而氮化氣體為 氨氣。在該實例中，在880° C溫度等級下進行滲碳氮化。作為一個實例，加 熱步驟H和溫度補償步驟PH持續20分鐘，然后是三個富集步驟C1、 C2、 C3 (分別為123秒，51秒和49秒)和三個擴散步驟D1、 D2、 D3 (分別為194 秒、286秒、2，957秒)交替。
圖9、 10和11分別示出了根據本發明滲碳氮化方法的實例以及對于這種滲 碳氮化方法得到的碳和氮濃度的分布圖，其中該滲碳氣體為乙炔，而氮化氣體 為氨氣。在該實例中，在930° c溫度等級下進行滲碳氮化。加熱步驟H和溫 度補償步驟PH分別持續29分鐘和31分鐘，然后是五個富集步驟C1到C5(分 別為329秒、91秒、80秒、75秒和71秒)和五個擴散步驟Dl到D5 (分別 為108秒、144秒、176秒、208秒和2,858秒)交替。
申請人已經表明在擴散步驟期間氨氣注入能夠使具有氮的滲碳層的富集深 入到數百微米的深度。對于三個示出的實例，獲得的氮含量在幾微米深度上重 量百分比為0.2%數量級。經過數百微米之后，氮含量然后從0.2%慢慢地降低。 作為實例，對于前面針對圖6、 7和8描述的實例，氮濃度在30pm處為0.2% 數量級，在60pm為0.14%，在130)im為0.12%在200|dm為0.05%。
根據本發明的變型，在溫度上升步驟H期間，在爐膛14內溫度一超過給 定的溫度，和/或在溫度補償步驟PH期間，可以注入氮化氣體。作為實例，當 氮化氣體為氨氣時，在爐膛14內的溫度一超過大約800。 C，就進行注入。
在碳擴散步驟期間，注入氮化氣體僅僅能夠使已處理工件的氮和碳富集更 好，并能夠精確和重復地獲得期望的碳和氮濃度分布。實際上，如果氮化氣體 與滲碳氣體同時注入，則出現滲碳氣體和氮化氣體的稀釋。這個因素沒有促進 來源于滲碳氣體或者氮化氣體與待處理工件碳和氮的反應，這使工件對氮和碳 的富集減慢。此外，如果滲碳氣體和氮化氣體混合，它難以精確地控制在爐膛 14內的氣體環境，這使得工件中氮和碳的濃度分布的精確和可重復獲得變得困 難。此外，對于在相同處理條件下，由于氮擴散到鋼工件比碳擴散快，則在不 同步驟的氮化氣體和滲碳氣體的注入更容易修正每種氣體的注入持續時間，同 時確保在爐膛14內保持恒定壓力。
當然，本發明可能具有各種變化和改型，這對于本領域技術人員來說可以 想到。例如，先前描述的氣冷淬火步驟可替換為油淬火步驟。
權利要求
1、一種用于對放置在保持降低內壓力的爐膛(14)中的鋼工件進行滲碳氮化的方法，該工件保持一定的溫度等級，特征在于，它包括第一和第二步驟的交替，只在第一步驟期間，滲碳氣體注入到爐膛內，而只在至少兩個第二步驟中的至少一部分期間，氮化氣體注入到爐膛內。
2、 如權利要求l的方法，其中滲碳氣體為丙烷或者乙炔。
3、 如權利要求l的方法，其中氮化氣體為氨氣。
4、 如權利要求l的方法，其中中性氣體與氮化氣體同時注入到爐膛(14)內。
5、 如權利要求l的方法，其中在至少第二步驟期問，在比所述第二步驟持 續時間較短的時間里，氮化氣體注入到爐膛(14)內，第二步驟的其余過程在 中性氣體存在下進行。
6、 如權利要求l的方法，其中第一和第二步驟在低于1,500帕斯卡的恒定壓力下進行。
7、 如權利要求l的方法，其中溫度等級范圍在800° C和1050。 C之間。
8、 如權利要求l的方法，其中溫度等級高于900。 C。
9、 一種用于接納鋼工件的滲碳氮化爐(10),該爐與氣體引入裝置(22、 24、 26、 28)和氣體抽取(18、 20)裝置連接，被控制成保持降低的內部壓力， 并包括用于把該工件保持在一定溫度等級的加熱裝置(38)，特征在于，引入 裝置包括引入滲碳氣體的裝置和引入氣化氣體的裝置(22、 28),在所述溫度 等級下進行第一和第二步驟的交替期間，只在第一步驟引入滲碳氣體，只在至 少兩個第二步驟的至少 一部分期間引入氮化氣體。
10、 如權利要求9的滲碳氮化爐(10)，其中該引入裝置(22、 24、 26、 28)包括用于引入中性氣體的裝置(24)。
全文摘要
本發明涉及一種用于對放置在保持降低內壓力的爐膛(14)中的鋼工件滲碳氮化的方法，其中該工件保持一定的溫度等級。本發明的方法包括第一和第二步驟的交替，只在第一步驟期間，滲碳氣體注入到爐膛內，而只在至少兩個第二步驟中至少一部分期間，氮化氣體注入到爐膛內。
文檔編號C23C8/34GK101180416SQ200680013305
公開日2008年5月14日 申請日期2006年4月19日 優先權日2005年4月19日
發明者A·戈爾德斯坦納斯, 薩菲爾·杜索, 讓·貝利耶 申請人:機械研究與制造公司