專利名稱：碳氮共滲方法
碳氮共滲方法本發(fā)明涉及至少一個金屬件的碳氮共滲方法。 現(xiàn)有技術(shù)金屬件的碳氮共滲方法由公開文獻(xiàn)DE19909694A1、DElOl 18494A1和 DE10322255A1 公開。公開文獻(xiàn)DE19909694A1描述一種碳氮共滲方法，其中，氮的擴散在整個工藝過程中或者在使用氮作為施主氣體的情況下最好單獨在最后的工藝階段中進(jìn)行。公開文獻(xiàn)DE10118494C2描述一種低壓碳氮共滲方法，其中，鋼制件首先被滲碳， 接著用氮施主氣體進(jìn)行滲氮。公開文獻(xiàn)DE10322255A1描述一種鋼制件滲碳方法，其中，不僅在加熱階段中，而且在擴散階段中加入釋放氮的氣體。不過，通過在最后的滲碳階段之后或最后的滲氮階段過程中的滲氮，只是在具有比滲碳區(qū)域更淺的深度的近表面區(qū)域內(nèi)富集氮。這導(dǎo)致滲碳區(qū)域內(nèi)的耐回火性、硬度、強度和耐磨性可能提升不夠。而在加熱階段中的滲氮造成在金屬件內(nèi)或者一批多個金屬件內(nèi)的不均勻一致的耐回火性(回火穩(wěn)定性)、硬度、強度和/或耐磨性。因此，本發(fā)明所依據(jù)的任務(wù)是，提供一種金屬件的碳氮共滲方法，借此能改善金屬件的耐回火性和/或淬硬性和/或獲得可與滲碳深度相似的滲氮深度。發(fā)明公開內(nèi)容該任務(wù)將通過根據(jù)本發(fā)明的至少一個金屬件的碳氮共滲方法來完成，其中，該金屬件在一個加熱階段里被加熱到處理溫度，在至少一個滲氮階段中用氮施主氣體進(jìn)行滲氮，并且在至少一個滲碳階段中用碳施主氣體進(jìn)行滲碳，該方法的特點是，第一滲氮階段在該加熱階段結(jié)束后且第一滲碳階段開始前開始。第一滲氮階段只在該加熱階段結(jié)束后才開始帶來以下優(yōu)點，可以減小在金屬件內(nèi)的或者再一批多個金屬件內(nèi)的溫度梯度，由此可以避免在金屬件內(nèi)的或者在一批多個金屬件內(nèi)的不均勻一致的耐回火性、硬度、強度和/或耐磨性。第一滲碳階段只在滲氮階段開始后才開始帶來以下優(yōu)點，滲入金屬件表面中的氮經(jīng)過整個較長的處理持續(xù)時間能擴散到金屬件中并且有助于提高表面區(qū)域內(nèi)的耐回火性、 硬度、強度和耐磨性。此外，由于只有在滲氮階段開始后才開始第一滲碳階段，所以氮擴散或者碳擴散加速。究其原因在于，氮原子和碳原子能夠在金屬晶格中占據(jù)相同的晶格間隙位置。通過在一個滲氮階段之后執(zhí)行滲碳階段，空出來的近表面的晶格間隙位置可以被碳原子占據(jù)， 因而氮原子的擴散和與之相關(guān)的至表面的氮擴散變得困難。這樣一來，也可以利用上述的工藝控制實現(xiàn)在低壓區(qū)域內(nèi)發(fā)生的已知的氮擴散的減少。此外，氮可以通過提早供應(yīng)氮而比較深地例如達(dá)到1. 5毫米或甚至達(dá)到6毫米地滲入金屬件的表面層中。由此一來，對于例如工作溫度達(dá)到300°C或甚至達(dá)到350°C的金屬件，實現(xiàn)了在表面區(qū)內(nèi)的耐回火性提高，獲得了足夠高的硬度、強度和/或耐磨性和/或保證了金屬件長期發(fā)揮功能。此外，利用本發(fā)明的方法，可以獲得彡0.3質(zhì)量％至彡0.7質(zhì)量％的或者甚至達(dá)到 1質(zhì)量％的表面碳濃度以及彡0. 1質(zhì)量％至< 0. 35質(zhì)量％或甚至達(dá)到0. 5質(zhì)量％的表面氮濃度。為了提高耐回火性、硬度、強度和/或耐磨性，可以在例如直到1. 5毫米或甚至直到6 毫米深的滲碳深度區(qū)域內(nèi)有利地獲得至少0. 05質(zhì)量％的氮濃度，或許可獲得至少0. 15質(zhì)量％的氮濃度。尤其是，本發(fā)明方法可以被用于金屬件的表面層的碳氮共滲。本發(fā)明的方法也可以被用于多個金屬件的碳氮共滲。例如本發(fā)明方法可以被用于一個或多個金屬工件的碳氮共滲。金屬件的金屬不僅可以是金屬，也可以是金屬合金，例如鋼。在本發(fā)明方法的另一實施方式的范圍內(nèi)，第一滲氮階段尤其是緊接在第一滲碳階段之前或者在第一滲碳階段過程中或者隨第一滲碳階段一起或者在第一滲碳階段之后結(jié)束。因為第一滲碳階段可以緊接在第一滲氮階段后或者至少部分與第一滲氮階段同時地進(jìn)行，所以減少或者阻止在進(jìn)一步滲碳階段、進(jìn)一步滲氮階段或者擴散階段中的滲氮擴散。此外，本發(fā)明方法可以具有至少一個第二滲氮階段。該第二滲氮階段可以例如在第一滲碳階段之后進(jìn)行。尤其是該第二滲氮階段可以緊接在第一滲碳階段后開始。在本發(fā)明方法的另一實施方式的范圍內(nèi)，該方法在該加熱階段和第一滲氮階段之間具有一個均熱階段，在均熱階段中，處理溫度尤其在恒定氣氛下保持不變，以使金屬件內(nèi)的或者多個金屬件之間的溫度均勻一致。此時，恒定氣氛不僅可以指真空，也可以指最好具有恒定壓力和恒定組成的惰性氣氛。尤其是該均熱階段可以在加熱階段之后進(jìn)行。第一滲氮階段又可以在均熱階段后進(jìn)行。該均熱階段例如可以持續(xù)至少5分鐘，尤其是持續(xù)30分鐘。均熱階段具有以下優(yōu)點，可以進(jìn)一步減小在金屬件內(nèi)的或者在一批多個金屬件內(nèi)的溫度梯度，由此可以進(jìn)一步避免在金屬件內(nèi)的或者在一批多個金屬件內(nèi)的不均勻一致的耐回火性、硬度、強度和/或耐磨性。在跟在均熱階段后的階段中，例如在滲氮階段、滲碳階段和/或擴散階段中，處理溫度還可以是恒定不變的，尤其是被保持在與在均熱階段內(nèi)一樣的處理溫度。但是可以想到在后面的處理階段中的溫度升降。在本發(fā)明方法的另一實施方式的范圍內(nèi)，該方法在一個尤其可抽真空的處理室內(nèi)進(jìn)行。在本發(fā)明方法的另一實施方式的范圍內(nèi)，該方法具有至少一個擴散階段，在該擴散階段中，該處理室被抽真空和/或填充以惰性氣體例如氬氣。第一擴散階段例如可以在第一滲氮階段和第一滲碳階段之間或者在第一滲碳階段和第二滲氮階段之間進(jìn)行。在本發(fā)明方法的另一實施方式的范圍內(nèi)，該方法除了第一滲氮階段外還具有至少一個另外的滲氮階段和/或除了第一滲碳階段外還具有至少一個另外的滲碳階段和/或除了第一擴散階段外還具有至少一個另外的擴散階段。該另外的滲氮階段和/或另外的滲碳階段可以不僅尤其直接、先后、例如以交替方式來進(jìn)行，也可以部分或完全同時地進(jìn)行。通過同時或先后進(jìn)行的滲氮階段和滲碳階段，可以有利地加強在金屬件組織內(nèi)的碳氮擴散。 此外，在所述另外的滲氮階段和/或另外的滲碳階段中，可以進(jìn)行另外的擴散階段。例如，一個另外的滲碳階段可以在一個另外的滲氮階段過程中或之后開始，或者一個另外的滲氮階段可以在一個滲碳階段過程中或者之后開始。在這兩個階段結(jié)束后，隨后可以例如開始一個另外的擴散階段。在本發(fā)明方法的另一實施方式的范圍內(nèi)，氮施主氣體包含選自以下組的化合物， 該組由氨、氮及其混合物組成，尤其是含有氨。尤其是該氮施主氣體可以由選自以下組的化合物構(gòu)成，該組由氨、氮及其混合物組成，尤其是由氨構(gòu)成。在本發(fā)明方法的另一實施方式的范圍內(nèi)，碳施主氣體包含選自以下組的化合物， 該組由乙炔、乙烯、丙烷、丙烯、甲烷和其混合物組成。尤其是該碳施主氣體可以由選自以下組的化合物構(gòu)成，該組由乙炔、乙烯、丙烷、丙烯、甲烷和其混合物組成。在本發(fā)明方法的另一實施方式的范圍內(nèi)，該方法是低壓碳氮共滲法。在本發(fā)明方法的另一實施方式的范圍內(nèi)，處理溫度在彡780°C至彡1050°C、尤其是彡780°C至彡950°C的范圍內(nèi)。在本發(fā)明方法的另一實施方式的范圍內(nèi)，在滲氮階段中存在小于500毫巴的氮施主氣體分壓，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。在滲碳階段中，例如可以存在小于300毫巴、尤其是小于20毫巴、例如為小于10毫巴的碳施主氣體分壓。為了補償在擴散階段中因氮擴散引起的氮損失，可以在一個尤其是接在擴散階段之前的滲氮階段之中或者之前將溫度調(diào)整/提高例如到位于850°C至950°C范圍內(nèi)的溫度， 和/或氮供應(yīng)量例如通過提高氮施主氣體分壓例如到50毫巴或30毫巴和/或提高氮施主氣體體積流通量至例如3000升/小時被提高。通過這種方式，在例如> 0. 1毫米至< 0. 2 毫米或甚至到0. 3毫米的近表面區(qū)域中的氮濃度被調(diào)節(jié)成高于最終產(chǎn)品中的氮濃度，并且補償了氮擴散。如果氮濃度在隨后的擴散階段中現(xiàn)在因為氮擴散而減小并且例如降低到達(dá)到0. 5質(zhì)量％或例如到彡0. 1質(zhì)量％至彡0. 35質(zhì)量％的表面氮濃度，則還是可以有利地保證在表面的耐回火性和淬硬性的提高。本發(fā)明的另一個主題是金屬件例如金屬工件，其中，滲氮深度大于滲碳深度。這樣的金屬件可以通過本發(fā)明的方法來制造。此時有利的是，該構(gòu)件可以具有在更高工作溫度在機械載荷下的足夠強的支承作用。本發(fā)明的另一個主題是金屬件例如金屬工件，它由根據(jù)本發(fā)明的方法制造。尤其是對于這樣的金屬件，滲氮深度可以大于滲碳深度。


本發(fā)明主題的其它優(yōu)點和有利實施方式由附圖示出并且在以下說明中加以描述。 此時要注意，附圖只具有描述性質(zhì)而不是想要以任何形式限制本發(fā)明。圖1是示意表示本發(fā)明方法的一個實施方式的曲線圖。在圖1所示的實施方式的范圍內(nèi)，該方法包括一個加熱階段1、一個均熱階段4、四個滲氮階段h、2b、2c、2d、四個滲碳階段3a、;3b、3C、3d和兩個擴散階段fe、5b。圖1示出在加熱階段1內(nèi)溫度以恒定的加熱速度被連續(xù)提高到約950°C的處理溫度。在緊接在加熱階段1之后的均熱階段4里，處理溫度恒定保持在約950°C。在加熱階段1和均熱階段4中，此時既沒有供應(yīng)氮施主氣體，也沒有供應(yīng)碳施主氣體。在緊接在均熱階段4后的第一滲氮階段加中，以約50毫巴的氮施主氣體分壓供應(yīng)氮施主氣體例如氨氣。處理溫度此時就像在隨后的滲氮階段2b、2c、2d、滲碳階段3a、3b、 3c、3d和擴散階段fe、5b中那樣恒定保持在約950°C。在第一滲氮階段加后是第一滲碳階段3a，在第一滲碳階段中，氮施主氣體分壓又降低到0毫巴，而碳施主氣體分壓提高到約10 毫巴。在第一滲碳階段3a之后是第一擴散階段fe，在第一擴散階段中，碳施主氣體分壓又降低到0毫巴。這例如可以通過處理室的抽空或者給處理室填充惰性氣體來實現(xiàn)。在第一擴散階段fe之后是具有約10毫巴的碳施主氣體分壓的第二滲碳階段北和具有約50毫巴的氮施主氣體分壓的第二滲氮階段2b。圖1示出了第二滲碳階段北和第二滲氮階段2b同時開始。不過，第二滲碳階段北比第二滲氮階段2b漫長并且因此只在第二滲氮階段2b后結(jié)束。在這兩個階段2b和北同時進(jìn)行的該時間段內(nèi)，存在約10毫巴的碳施主氣體分壓和約50毫巴的氮施主氣體分壓。但是，在第二滲氮階段2b結(jié)束后，氮施主氣體分壓降低到0毫巴，并且大約10毫巴的碳施主氣體分壓在第二滲碳階段北結(jié)束前都保持不變。在第二滲碳階段: 之后是第二擴散階段恥，在第二擴散階段中滲碳施主氣體分壓重新降低到0毫巴。在第二擴散階段恥后面又有一個具有約10毫巴的碳施主氣體分壓的第三滲碳階段3c。在第三滲碳階段3c結(jié)束后，碳施主氣體分壓被降低到0毫巴并且進(jìn)入具有約50毫巴的氮施主氣體分壓的第三滲氮階段2c。隨后又是第四滲碳階段3d，在第四滲碳階段中， 氮施主氣體分壓被降低到0毫巴，并且碳施主氣體分壓提高到約10毫巴。在第四滲碳階段 3d結(jié)束后，碳施主氣體分壓又降低到0毫巴，并且具有約50毫巴的氮施主氣體分壓的第四滲氮階段2d進(jìn)行，第四滲氮階段與之前的滲氮階段2a-2c相似地都很漫長。在最后的滲氮階段2d之后，不再保持950°C的處理溫度，進(jìn)行淬火到室溫，以調(diào)節(jié)出期望的組織成分。顯然，通過這種方式可以有許多種碳氮共滲方法，本發(fā)明不局限于四個滲氮階段 h、2b、2c、2d、四個滲碳階段3a、;3b、3C、3d和兩個擴散階段fe、5b的上述次序和數(shù)量。
權(quán)利要求
1.一種用于至少一個金屬的金屬件的碳氮共滲的方法，其中該金屬件在一個加熱階段 (1)中被加熱到處理溫度，在至少一個滲氮階段(h-2d)中用氮施主氣體進(jìn)行滲氮，并且在至少一個滲碳階段(3a_3d)中用碳施主氣體進(jìn)行滲碳，其特征在于，該第一滲氮階段Oa) 在該加熱階段(1)結(jié)束后且在第一滲碳階段(3a)開始前開始。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，第一滲氮階段Oa)在第一滲碳階段(3a)之前或者在第一滲碳階段(3a)期間或者與第一滲碳階段(3a) —起或者在第一滲碳階段(3a) 之后結(jié)束ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法，其特征在于，該方法在該加熱階段(1)和該第一滲氮階段之間具有一個均熱階段，在該均熱階段中，該處理溫度尤其在恒定的氣氛下保持恒定不變，以使金屬件內(nèi)的或多個金屬件之間的溫度均勻化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的方法，其特征在于，該方法在一個尤其是可抽真空的處理室內(nèi)進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，該方法包括至少一個擴散階段(5ajb)，在該擴散階段中該處理室被抽真空和/或填充有惰性氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于，該方法除了第一滲氮階段Qa)外還具有至少一個另外的滲氮階段(2b-2d)和/或除了第一滲碳階段(3a)外還具有至少一個另外的滲碳階段C3b_3d)和/或除了第一擴散階段(5a)外還具有至少一個另外的擴散階段(5b)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的方法，其特征在于，該氮施主氣體包含選自以下組的化合物，該組由氨、氮及其混合物構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的方法，其特征在于，該碳施主氣體包含選自以下組的化合物，該組由乙炔、乙烯、丙烷、丙烯、甲烷及其混合物構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一的方法，其特征在于，該方法是低壓碳氮共滲法。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的方法，其特征在于，該處理溫度位于彡780°C至 (1050°C的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一的方法，其特征在于，在滲氮階段(h-2d)期間存在小于 500毫巴的氮施主氣體分壓。
12.—種金屬件，其中滲氮深度大于滲碳深度。
13.一種金屬件，通過根據(jù)權(quán)利要求1至11之一的方法制造。
全文摘要
本發(fā)明涉及至少一個金屬件的碳氮共滲方法，其中該金屬件在一個加熱階段(1)被加熱到處理溫度，在至少一個滲氮階段(2a-2d)中用氮施主氣體進(jìn)行滲氮，并且在至少一個滲碳階段(3a-3d)中用碳施主氣體進(jìn)行滲碳，其特點是，第一滲氮階段(2a)在該加熱階段(1)結(jié)束后且第一滲碳階段(3a)開始前開始。
文檔編號C23C8/34GK102439194SQ201080020682
公開日2012年5月2日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
發(fā)明者J·施瓦策, L·哈吉馬西, L·弗爾斯特, T·瓦爾登邁爾 申請人:羅伯特·博世有限公司