低真空下的低温渗碳制造技术

在有氢或其他附带气体的情况下在低真空的条件下进行不锈钢的将乙炔用作渗碳种的低温渗碳。结果，实际上完全消除烟灰和通常在低温渗碳期间出现的不合需要的热氧化膜的形成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】低真空下的低温渗碳相关申请的交叉引用本申请基 于并要求2009年8月7日提交的专利申请No. 61/232，148的优先权，该专利申请的论述在此以参考的方式并入。常规渗碳传统的(高温)渗碳是广泛使用的工业过程，用于提高成形物品的表面硬度(“表面硬化”)。在典型的商业过程中，工件与高温含碳气体接触，由此通过气体的分解释放的碳原子扩散到工件的表面中。硬化通过如下方式出现这些扩散的碳原子与工件中的一种或多种金属的反应，从而形成独特的化合物、即碳化物，继之以作为离散的非常硬的结晶颗粒的这些碳化物在金属基体中的沉淀，以形成工件的表面。参见ASM International, 1991,ASM Handbook,卷 4,第 312 至 324 页 “Gas Carburizing”，Stickels。在最近几年中，已引入用于实现传统渗碳的新方法，其中将以非常低的压力供应的乙炔用作渗碳气体。该方法的主要益处是，减少作为渗碳反应的一部分形成的副产品烟灰的量。参见EP818555和对应的U. S. 5，702，540。在有些情况下，到反应室的乙炔流是脉冲的而非恒定的，结果这被认为更进一步减少烟灰的形成。由于一旦钢暴露于大气就固有地形成在钢的表面上的粘附的氧化铬防渗层，所以不锈钢是“不锈的”。当传统地使不锈钢渗碳时，通过对表面硬化负责的碳化物沉淀的形成耗尽钢的铬含量。结果，至少在直接围绕碳化铬沉淀的区域中的钢中没有足够的铬以形成在该氧化铬保护涂层。为此，由于危及钢的耐蚀性，所以不锈钢很少通过常规渗碳表面硬化。低温渗碳在二十世纪八十年代中期，发展了用于对不锈钢进行表面硬化的技术，其中工件与通常低于 550°C ( 1000 T )的低温含碳气体接触。在这些温度下，并且假如渗碳不持续太长，则通过气体的分解释放的碳原子在无碳化物沉淀形成的情况下扩散到工件表面中通常到20-50μ的深度。尽管如此，获得非常硬的壳(表面层)。由于没产生碳化物沉淀，所以钢的耐蚀性是未受损伤，甚至被改善。在许多公布中描述了关系到“低温渗碳”的该技术，包括 U. S. 5，556，483、U. S. 5，593，510、U. S. 5，792，282、U. S. 6，165，597、EPO 0787817、Japan9-14019(Kokai 9-268364)和 Japan 9-71853(Kokai 9-71853)。初始的想法是，完全由于由扩散到金属的晶体点阵中的碳原子置于该晶格上的应力，所以表面硬化在低温渗碳中出现。然而，最近的分析工作建议，在该硬化表面层中可形成附加的一个或多个相。尽管这些附加相的确切性质仍然是未知的，但已知的是，这些附加相的铬含量与周围的金属基体的铬含量一致。由于对耐蚀性负责的铬保持遍及金属均匀地分布，所以结果是，钢的耐蚀性保持未受损伤。由于低温渗碳所涉及的温度如此低，所以碳原子不会穿透钢的氧化铬保护涂层。因此，通常在不锈钢的低温渗碳之前加上活化步骤，其中工件与例如200至400°C的高温的诸如HF、HC1、NF3、F2或Cl2的含卤素气体接触，以使钢的保护氧化物涂层对碳原子透明。清理低温渗碳通常产生作为不需要的副产品的烟灰。另外，低温渗碳还在工件最外面的表面上产生大约20-30nm厚的不合需要的多孔“热”氧化膜。参见Japan9-71853 (Kokai9_71853)。另外，尤其地如果低温渗碳条件太严格，则在该热氧化膜下，金属非常薄的外表面层可包含少量碳化物沉淀。参见U. S. 5，556，483、U. S. 5，593，510和U. S. 5，792，282。为了使工件呈现有吸引力的闪亮金属外观，必须去除该烟灰和最外面的热氧化膜。因此，作为一个实际问题，在使用工件之前去除这些不合需要的表面层(即烟灰、热氧化膜以及如果有的话，包含碳化物沉淀的薄的最外面的金属层)。通常，由于由低温渗碳产生的硬化“壳”仅向下延伸至工件表面首先的10-25微米左右，所以仅去除工件的金属表面大约I微米左右的最低的量。在任何情况下，在本专利技术的背景下，对于“基本上无碳化物沉淀”或者使得“无碳化物沉淀形成”的工件表面层的参考指的是在这些不需要的副产品层下面的耐蚀的碳硬化表面层。为了方便起见，这些耐蚀的无副产品的硬化表面层在此称为工件的“主”表面层。 乙炔整个公开在此以参考的方式并入的W02006/136166描述了一种低温渗碳过程，其中将乙炔用作用于渗碳反应的碳源。如果需要，可在渗碳气体中包括氢(H2),以便于乙炔的分解并使过程的控制更容易。如在该国际专利中进一步描述地，用于渗碳的乙炔的分解还活化氧化铬涂层，从而使单独的活化步骤不必要。尽管“设想” 了在“低于大气压力”下的渗碳，但所有的工作示例在常规压力下完成。整个公开在此同样以参考的方式并入的授予Tanaka等的U. S. 7，122，086描述了一种类似的低温渗碳过程，其中不锈钢工件在首先通过与含氟气体接触而被活化之后，通过与高度真空下、即在I托(133Pa(帕斯卡))或更低的总压力下的乙炔接触而被渗碳。对于该技术方案所主张的主要益处是，充分减少烟灰和不合需要的热氧化膜的副产品的产生。尽管如此，获得的渗碳工件仍然需要机械地和/或化学地处理，以在获得可使用的最终产品之前去除这些副产品层。
技术实现思路
在本专利技术中，不锈钢工件同样通过与真空下的乙炔接触而被低温渗碳。然而，在本专利技术中，使用大约3. 5至100托( 500至 13，OOOPa (帕斯卡))的总反应压力的低真空。另外，乙炔保持在大约O. 5至20托( O. 5至 2，666Pa)的分压力。另外，在系统中包括诸如氢(H2)的附带气体(companion gas)。根据本专利技术已发现的是，通过遵循该方法，实际上完全消除烟灰和热氧化膜的产生。结果，在无先前为生产具有期望的有吸引力的闪亮金属外观的“表面清洁”产品所需的后去除处理的情况下，可获得最终可用的渗碳产品。因此，本专利技术提供一种用于通过气体渗碳对由铁、镍和/或铬基合金制成的工件进行表面硬化的方法，其中工件在已升高的渗碳温度下与渗碳气体接触，以使碳扩散到工件表面中，从而形成基本上无碳化物沉淀的硬化主表面层，其中渗碳气体的渗碳种(carburizing specie)是不饱和烃,渗碳气体中的渗碳种的分压力大约为O. 5至20托( 67至 2，666Pa)，渗碳气体的总压力大约为3. 5至100托( 500至 13，OOOPa)，而渗碳气体还包含氢或其他附带气体。更具体地，本专利技术提供一种在无需副产品烟灰或热氧化物从工件表面的去除的情况下生产呈现有吸引力的闪亮金属外观的表面硬化的耐蚀不锈钢工件的方法，该方法包括在如下条件下使工件与渗碳气体接触时间和温度足够使碳扩散到工件表面中，从而形成基本上无碳化物沉淀的硬化主表面层，但不足以在很大的程度上使副产品烟灰或热氧化物形成，其中渗碳气体包括乙炔和氢，渗碳气体中的乙炔的分压力大约为O. 5至20托( 67至 2，666Pa)，渗碳气体的总压力大约为3. 5至100托( 500至 13，OOOPa)，而渗碳气体中的氢与乙炔的摩尔比率至少为2 I。具体实施例方式合金尽管本专利技术通常在不锈钢上实现，但本专利技术同样可用在由其他的铁、镍、钴和/或铬基合金制成的工件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.08.07 US 61/232,1481.一种用于通过气体渗碳对由铁、镍或铬基合金制成的工件进行表面硬化的方法，其中所述工件在已升高的渗碳温度下与渗碳气体接触，以使碳扩散到所述工件表面中，从而形成基本上无碳化物沉淀的硬化主表面，其中 (1)所述渗碳气体包含包括不饱和烃的渗碳种， (2)所述渗碳气体中的所述渗碳种的分压力大约为O.5至20托( 67至 2，666Pa), (3)所述渗碳气体的总压力大约为3.5至100托( 500至 13，OOOPa)，以及 (4)所述渗碳气体还包含附带气体，所述附带气体包括会在所述已升高的渗碳温度和总压力下与氧反应但不是不饱和烃的气体。2.根据权利要求I所述的方法，其中所述工件由不锈钢制成，并且其中所述渗碳气体中的所述附带气体的分压力为所述渗碳种的分压力的至少两倍。3.根据权利要求I或2所述的方法，其中所述渗碳气体包括乙炔和氢。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述渗碳气体基本上无惰性气体。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述渗碳气体的总压力大约为5-25托( 666至 3，333Pa),而所述渗碳气体中的渗碳种的浓度大约为7_40vol. %。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述渗碳气体的总压力大约为6-9托(80至l，200Pa)，而所述渗碳气体中的渗碳种的浓度大约为10-35vol. %。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述渗碳反应的过程期间改变所述渗碳气体的渗碳势。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述渗碳在渗碳反应器中进行，并且其中通过使得渗碳种至所述渗碳反应器的流率产生脉动来改变所述渗碳势。9.根据权利要求7所述的方法，其中通过如下方式中的至少一种来改变所述渗碳气体的渗碳势(I)通过将所述反应温度从在渗碳的较早阶段期间的较高的反应温度降低至在渗碳的较晚阶段期间的较低反应温度；以及(2)通过将所述渗碳气体中的渗碳种的浓度从在渗碳的较早阶段期间的较高的浓度降低至在渗碳的较晚阶段期间的较低浓度。10.根据权利要求7所述的方法，其中通过如下方式中的至少一种改变所述渗碳气体的渗碳势(3)中断所述渗碳反应器的渗碳种的流量；以及(4)中断所述渗碳反应器的渗碳种的流量，并且另外在该中断期间使所述工件与含卤素气体接触。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过与活化气体接触来活化所述工件，活化和渗碳在相同的反应器中完成，在活化与渗碳步骤期间不从所述反应器移除所述工件或以另外的方式使所述工件暴露于大气。12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过与包括所述活化气体和所述附带气体的混合物的活化气体混合物相接触，所述工件被以活化压力和已升高的活化温度来活化，其中所述活化与渗碳温度相差不超过100°C，并且其中所述活化与渗碳压力相差不超过20托。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述活化与渗碳温度相差不超过50°C，并且其中所述活化与渗碳压力相差不超过10托。14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其中，活化期间在所述反应器中的活化气体混合物的绝对压力，与渗碳期间在所述反应器中的渗碳气体的绝对压力相差不超过+10% ο15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过如下方式在渗碳反应器内活化由不锈钢制成的工件使在氢气中包括O. Ivol. %至20vol. %的氯化氢的混合物的活化气体流入所述反应器，并在350°C至510°C和3. 5至100托的压力下接触所述工件持续达1/4小时至4小时，之后在不从所述渗碳反应器移除所述工件的情况下在主渗碳步骤中使所述工件渗碳。16.根据权利要求15所述的方法，其中，使在氢气中包括O.5vol. %至10vol. %的氯化氢的混合物的活化气体流入所述反应器并在350°C至450°C和5至25托的压力下接触所述工件，之后在不从所述渗碳反应器移除所述工件的情况下在主渗碳步骤中通过如下方式使所述工件渗碳使包括7%至40%的乙炔和平衡氢的渗碳气体流入所述反应器并从而使之在350°C至450°C的温度和5至25托的压力下接触所述工件。17.根据权利要求16所述的方法，其中，使在氢气中包括O.Ivol. %至5%1. %的氯化氢的混合物的活化气体流入所述反应器并在350°C至450°C和6托至9托的压力下接触所述工件，之后...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮特·C·威廉姆斯，森尼瓦·R·柯林斯，史蒂文·V·马克斯，
申请(专利权)人：世伟洛克公司，
类型：
国别省市：