在較低壓強和較高溫度下鋼零件的碳氮共滲方法和設備與流程

2023-09-17 19:57:15 3

本發明涉及用於強化鋼零件的一些熱化學處理，以及更確切地涉及這種鋼零件的碳氮共滲。

背景技術：

在一些領域中，例如在車輛(任選地機動車輛)的領域中，必須強化一些鋼零件的耐久性，以及更確切地至少強化這些鋼零件的抗疲勞性，以使這些鋼零件可承受較大的應力和/或以便增加這些鋼零件的使用壽命。這種強化可通過碳氮共滲獲得。

注意到，碳氮共滲是一種熱化學擴散處理，所述熱化學擴散處理涉及在淬火步驟之前使鋼的表面富集有碳和氮，以便獲得馬氏體結構和強化。使富集有氮(此處實施成奧氏體相)稱作滲氮成α相，並且使富集有碳稱作滲碳。滲氮成α相(或奧氏體相)用於通過滲入氮改善抗疲勞性和鋼冶金結構穩定性。滲碳涉及將碳滲入到鋼零件中以便增加要被淬火的鋼零件的性能並因此能夠增加所述鋼零件的表面硬度以及抗疲勞性和抗磨損性。

淬火是在液體或氣體環境中快速冷卻，這促使出現具有極高硬度的馬氏體結構。

如本領域技術人員所知，已知的碳氮共滲處理時間較長並且由於採取折衷而造成了提供非最優的冶金效果。事實上，所述碳氮共滲處理使用相對低的處理溫度(通常大約850℃)，以便優化使富集有氮操作(和更確切地避免了滲氮成α相的氨(nh3)中的大部分在觸碰到所述零件之前裂化)，但這有損於使富集有碳操作(所述使富集有碳需要更高的溫度)並且有損於處理時間(所述處理時間由於相對低的處理溫度而需增加)。

技術實現要素：

因此，本發明的目的尤其在於改善所述情況。

為此，本發明尤其提供了一種用於允許至少一個鋼零件的碳氮共滲的方法，所述方法包括：

-第一步驟，在所述第一步驟中，在包含中性氣體的環境中並且在所選擇壓強下加熱所述零件直至第一所選擇溫度，

-第二步驟，在所述第二步驟中，在第一富集腔中通過在低於或等於所述第一溫度的第二所選擇溫度下滲氮成α相使所述經加熱的零件富集有氮，

-第三步驟，在所述第三步驟中，在第二富集腔中通過在嚴格高於所述第二溫度的第三所選擇溫度下滲碳使所述富集有氮的零件富集有碳，以及

-第四步驟，在所述第四步驟中，在某壓強下淬火所述富集有氮和碳的零件。

由於所述零件的溫度比實施滲氮成α相所用的溫度更熱，因此避免了滲氮氣體在接觸到所述零件時瞬時裂化並因此使該滲氮氣體更可能用於使富集有氮。而且，這使氮能夠在零件中更好擴散並因此增加了所述氮的濃度。此外，由於在高於滲氮成α相的溫度的溫度下實施滲碳，使零件富集有碳因此更有效且更快速。最後，由於在與實施使富集有氮的步驟的腔不同的腔中執行使富集有碳的步驟，這能夠在使富集有氮的步驟與使富集有碳的步驟之間使溫度極快速地變化。

根據本發明的方法可包括可單獨採用或組合採用的其它特徵，所述其它特徵尤其是：

-在所述第一步驟中，所述中性氣體可為氮氣(或n2)；

-在所述第一步驟中，所述壓強可在大約1巴至大約1.5巴之間。但所述壓強可顯著更低，例如約等於第二步驟和第三步驟中所使用的較低壓強；

-在所述第一步驟中，所述第一溫度可在大約800℃至大約1100℃之間；

-在所述第二步驟中，所述第二溫度可在大約700℃至大約880℃之間；

-在所述第二步驟中，可通過使用氨滲氮成α相使所述零件富集有氮；

-在所述第三步驟中，所述第三溫度可在大約900℃至大約1100℃之間；

-在所述第三步驟中，可通過使用乙炔滲碳使所述零件富集有碳；

-在所述第四步驟中，所述淬火壓強可在大約1巴至大約20巴之間；

-在所述第四步驟中，所述淬火可實施在包含一種所選擇氣體的環境中。

本發明還提供了一種專用於鋼零件的碳氮共滲的設備，所述設備包括：

-至少一個加熱腔，所述至少一個加熱腔能夠在包含中性氣體的環境中並且在所選擇壓強下加熱至少一個鋼零件直至第一所選擇溫度，

-至少一個第一富集腔，所述至少一個第一富集腔能夠通過在低於或等於所述第一溫度的第二所選擇溫度下滲氮成α相使所述經加熱的零件富集有氮，

-至少一個第二富集腔，所述至少一個第二富集腔能夠通過在嚴格高於所述第二溫度的第三所選擇溫度下滲碳使所述富集有氮的零件富集有碳，

-至少一個淬火腔，所述至少一個淬火腔能夠在某壓強下淬火所述富集有氮和碳的零件，

-轉移閘腔，所述轉移閘腔以受控的方式與所述腔中的每個連通，並且能夠臨時地將所述零件容納在支配受控氣氛的環境中，以及

-轉移部件，所述轉移部件能夠經由所述轉移閘腔將所述零件從一個腔轉移至另一個腔。

附圖說明

通過閱讀下文的詳細說明和附圖，本發明的其它特徵和優點將更加清楚，在附圖中：

-圖1示意性和功能性地示出了根據本發明的碳氮共滲設備的實施例，以及

-圖2示意性地示出了實施根據本發明的碳氮共滲方法的算法示例。

具體實施方式

本發明的目的尤其在於提供一種用於允許在較高溫度和較低壓強下鋼零件的碳氮共滲的方法以及一種相關聯的設備ic。

在下文中，作為非限制性示例，認為鋼零件pa用於裝配在車輛(任選地機動車輛)上。例如，可涉及變速箱的零件、傳動裝置的零件、或各種齒輪系。但本發明不限於該應用。本發明事實上涉及用於裝配在裝置、儀器、系統(和尤其是車輛，無論為任何類型的)、或設備(任選地為工業類型的)上的任何鋼零件。因此，本發明還尤其涉及航空領域中的一些傳動裝置元件，以及通常涉及機械地誘發出磨損和疲勞的零件。

鋼零件pa的碳氮共滲方法至少包括第一步驟、第二步驟、第三步驟和第四步驟。

這種方法可由具有圖1上非限制性所示的碳氮共滲設備的類型的碳氮共滲設備ic實施。

如圖1上所示，根據本發明的碳氮共滲設備ic包括至少一個加熱腔cc、至少一個第一富集腔ce1、至少一個第二富集腔ce2、至少一個淬火腔ct、轉移閘腔st和轉移部件mt。

轉移閘腔st包括具有受控入口的輸入端es以及具有受控入口的輸出端ss，並且通過所述輸入端引入要處理的每個(鋼)零件pa，通過所述輸出端取出經處理的零件pa。例如，輸入端es和輸出端ss每個都包括電動或氣動控制的並且確保密封界面的單重或雙重密封的滑動門。該轉移閘腔st以受控的方式與腔cc、ce1、ce2和ct中的每個連通，並且能夠在從一個腔轉移到另一個腔的過程中的每個時臨時地將零件pa容納在支配用於避免氧化的受控氣氛的環境中。

該受控氣氛可為所選擇的真空，優選地在大約2毫巴至大約50毫巴之間，並且該受控氣氛可為中性的(例如由中性氣體(例如氮氣(或n2))限定)。

注意到，每個零件pa優選地安置在託盤上，所述託盤可容納一個或多個要處理的零件。在下文中，作為非限制性示例，認為一次僅處理一個零件pa。

所述(每個)加熱腔cc配置用於在包含中性氣體的環境中並且在所選擇壓強p1下加熱零件pa直至第一所選擇溫度t1。所述(每個)加熱腔包括入口控制部件，例如電動或氣動控制的並且使用轉移閘腔st確保密封界面的單重或雙重密封的滑動門。

例如，中性氣體可為氮氣(或n2)。

還例如，壓強p1可基本等於大氣壓強。因此，壓強p1可例如在大約1巴至大約1.5巴之間。但在更經濟節省的變型中，該壓強p1可約等於(或等同)富集腔ce1和ce2中所使用的較低壓強(通常幾毫巴)。

優選地，第一溫度t1在大約800℃至大約1100℃之間。例如，第一溫度可選擇成等於1050℃。

所述(每個)第一富集腔ce1配置用於在較低壓強下通過在低於或等於第一溫度t2的第二所選擇溫度t2(即t2≤t1)下滲氮成α相使已經在所述(一個)加熱腔cc中加熱的零件pa富集有氮。優選地，該第二溫度t2嚴格低於第一溫度t2(即t2t2)下滲碳使已經在所述(一個)第一富集腔ce1中富集有氮的零件pa富集有碳。所述(每個)第二富集腔包括入口控制部件，例如電動或氣動控制的並且使用轉移閘腔st確保密封界面的單重或雙重密封的滑動門。

優選地，第三溫度t3在大約900℃至大約1100℃之間。例如，第三溫度可選擇成等於1050℃。

例如，為了通過滲碳實施使富集有碳，可使用氣態乙炔(或c2h2)。該氣體構成第二富集腔ce2內部的氣氛。但可使用其它滲碳氣體，尤其是丙烷。

所述(每個)淬火腔ct配置用於在某壓強下淬火已經在第一富集腔ce1和第二富集腔中富集有氮和碳的零件pa。優選地在接近環境溫度的第四所選擇溫度t4下並且在高於或等於大氣壓強的壓強p2下進行該淬火。所述(每個)淬火腔包括入口控制部件，例如電動或氣動控制的並且使用轉移閘腔st確保密封界面的單重或雙重密封的滑動門。

例如，淬火壓強p2可在大約1巴至大約20巴之間。因此，對於包含少量合金的鋼，淬火壓強可例如選擇成等於大約15巴。

注意到，淬火壓強的增加能夠更強烈地淬火零件pa，但這引起更多的變形。壓強的選擇因此為在旨在獲得的鋼的淬透性、變形與硬度之間的折衷。

淬火可通過浸泡實施在包含所選擇氣體(例如氮或氦)的環境中。淬火氣體因此構成淬火腔ct內部的氣氛。

作為變型，淬火可通過浸泡實施在包含所選擇液體(例如油或聚合物)的環境中。

轉移部件mt配置用於經由轉移閘腔st將零件pa從一個腔轉移至另一個腔。所述轉移部件包括例如(優選地電動)機動化的小車，所述小車包括能夠支撐至少一個零件pa的託盤，並且所述小車裝配成可在固定地安置在轉移閘腔st中的軌道上平移，並且(經由所述轉移閘腔st的輸入端es和輸出端ss)與外部連通以及與不同的腔cc、ce1、ce2和ct連通，以便能夠轉移零件pa。

當至少一個零件pa已藉助於轉移部件mt安裝到所述(一個)加熱腔cc中(圖1所示的箭頭f1和f2)時，實施根據本發明的方法的第一步驟。該安裝對應於圖2所示的算法示例的子步驟10。

在該第一步驟中，在包含中性氣體(如上文所述，例如氮氣)的環境中並且在所選擇壓強p1(任選地基本等於大氣壓強)下加熱零件pa直至第一所選擇溫度t1。

這種在中性氣氛中並且在較低壓強下的加熱能夠具有的零件pa的加熱速度明顯比在真空加熱的情況下的加熱速度更快。例如，為了在中性氣氛中並且在大約1巴下使零件pa的溫度達到大約1050℃，需要大約一小時，而在真空下需要大約一小時加一刻鐘。這樣能夠更快速地釋放加熱腔cc。

第一步驟對應於圖2所示的算法示例的子步驟20。

當所述零件pa已在加熱腔cc中在第一溫度t1下被加熱然後已藉助於轉移部件mt安裝到所述(一個)第一富集腔ce1中(圖1所示的箭頭f2、f3和f4)時，實施根據本發明的方法的第二步驟。

在該第二步驟中，在較低壓強(通常幾毫巴)下通過在第二所選擇溫度t2(低於或等於第一溫度t1，優選地嚴格低於t1)下滲氮成α相使經加熱的零件pa富集有氮。

由於零件pa的溫度t1優選地初始地比實施滲氮成α相所用的溫度t2更熱，避免了滲氮氣體在接觸到所述零件時瞬時裂化並因此使該氣體更多地使用於使富集有氮。而且，這使氮能夠在零件pa中更好擴散並因此增加了所述氮的濃度(符合菲克定律)。

注意到，當使用氨作為滲氮氣體時，在大約800℃至大約850℃之間達成使零件pa最大化地富集有氮。事實上，自大約900℃起，氨在氣氛中瞬時裂化達99％並且不再可用於使零件pa富集有氮。

還注意到，滲氮成α相所用的時長可等於大約十分鐘。該時長取決於期望引入到零件pa中的氮量。

在滲氮成α相結束時，由於滲氮成α相所需的溫度t2嚴格低於t1，零件pa的溫度變得略微低於t1。例如，當t1等於1050℃時並且當滲氮成α相所用的溫度等於830℃時，富集有氮的零件pa的溫度在滲氮成α相所用的十分鐘末尾等於大約1010℃。

第二步驟對應於圖2所示的算法示例的子步驟30。

當零件pa已在第一富集腔ce1中富集有氮然後已藉助於轉移部件mt安裝到所述(一個)第二富集腔ce2中(圖1所示的箭頭f4、f5和f6)時，實施根據本發明的方法第三步驟。

在該第三步驟中，在較低壓強(通常幾毫巴)下通過在第三所選擇溫度t3(嚴格高於第二溫度t2)下滲碳使已富集有氮的零件pa富集有碳。

滲碳所用的第三溫度t3越高，使零件pa富集有碳更有效且更快速。例如，為了通過滲碳獲得稱作e650的值為0.4毫米的慣例深度，當滲碳所用的第三溫度t3等於900℃時，需要大約210分鐘進行處理，而當滲碳所用的第三溫度t3等於1050℃時，需要15分鐘。

然而注意到，由於引起鋼的冶煉因晶粒增大而強烈惡化，不推薦使用高於1100℃的滲碳t3所用的第三溫度。另外，對於高於950℃的滲碳所用的第三溫度t3，優選地初始就給零件pa的鋼添加合金元素(例如鈮)，以便阻止晶粒增大。

還注意到，第三步驟的時長可等於大約十五分鐘(其中十分鐘用於在乙炔下有效地滲碳，然後五分鐘用於在氮氣下碳在零件pa中完全擴散)。該時長取決於零件pa中所期望的處理深度。

在滲碳結束時，由於滲碳所用的溫度t3嚴格高於第一富集腔ce1的輸出端具有的溫度，零件pa的溫度變得等於t3。

第三步驟對應於圖2所示的算法示例的子步驟40。

當零件pa已在第一富集腔ce1和第二富集腔ce2中富集有氮和碳然後已藉助於轉移部件mt安裝到所述(一個)淬火腔ct中(圖1所示的箭頭f6、f7和f8)時，實施根據本發明的方法的第四步驟。

在該第四步驟中，在壓強p2下淬火(或快速冷卻)富集有氮和碳的零件pa。

淬火所用的第四溫度t4例如環境溫度，通常等於大約20℃。

所使用的淬火壓強p2優選地在大約1巴至大約20巴之間。這些比在第二步驟和第三步驟中使用的較低壓強的值更大的值能夠增加冷卻速度。極快速的速度能夠轉變富集有氮和碳的奧氏體，以便形成馬氏體以及明顯增加零件pa的硬度。

注意到，淬火所用的時長可在大約2分鐘至大約5分鐘之間。該時長主要取決於要處理的零件pa的尺寸以及所述鋼的初始化學組成。

第四步驟對應於圖2所示的算法示例的子步驟50。

在淬火結束時，零件pa通過轉移部件mt從加熱腔cc輸出然後從轉移閘腔st(經由所述轉移閘腔的輸出端ss)輸出(圖1所示的箭頭f8和f9)。

還注意到，根據本發明的碳氮共滲設備ic可任選地包括：至少一個其它加熱腔cc，所述至少一個其它加熱腔用於能夠幾乎連續地向第一富集腔ce1中供應，在所述第一富集腔中的處理時長顯著比加熱時長更短；和/或至少一個其它第一富集腔ce1，所述至少一個其它第一富集腔用於並列地處理多個零件pa和/或用於執行附加的使富集有氮；和/或至少一個其它第二富集腔ce2，所述至少一個其它第二富集腔用於並列地處理多個零件pa和/或用於執行附加的使富集有碳；和/或至少一個其它淬火腔ct，所述至少一個其它淬火腔用於並列地處理多個零件pa。尤其是，可考慮在滲碳之後實施第二滲氮成α相，以獲得零件pa的表面上的較大的氮濃度。

本發明具有多個優點，所述多個優點包括：

-相對於傳統的碳氮共滲較大地減少了處理時間，

-顯著地減少了氣體消耗，

-減少了所需的用於控制碳氮共滲設備的技術人員的數量，

-可能按較緊流程運行，

-顯著地增加了零件中含有的氮，並因此改善了所述零件的功能性特徵(以及主要改善所述零件的抗疲勞性)，

-獲得具有幾乎同樣屬性的零件，

-削減了處理成本。