專利名稱：改進低溫表面硬化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基本上沒有碳化物生成的鐵基產(chǎn)品的表面硬化。
碳化沉淀物不僅提高了表面硬度，而且加快了腐蝕。鑒于此，不銹鋼很少采用常規(guī)氣體滲碳方法進行表面硬化的，因為這會損害鋼的“不銹”的品質(zhì)。
在1998年8月12日提交的我們的早期申請SN 9/133,040中，已敘述了關(guān)于不銹鋼的表面硬化技術(shù)，其中工件是在低于1000°F下進行氣體滲碳的。在此溫度下，若假設(shè)滲碳時間不是太長，則滲碳后的工件將很少或沒有碳化沉淀物生成。因此，工件表面不僅變得淬硬，而且保留了不銹鋼固有的耐蝕性。
還可參閱US 5,792,282，EPO 0787817和日本專利文件9-14019(KoKai 9-268364)。
雖然低溫氣體滲碳方法能得到淬硬的且高耐蝕性的不銹鋼產(chǎn)品，但總希望能改進上述方法以達到更快、更經(jīng)濟的操作目的。
因此，本發(fā)明的目的是要提供一種適用于不銹鋼和其它鐵基材料表面硬化的改進了的低溫氣體滲碳方法，該方法允許所進行的滲碳比過去可能的更快，從而降低了該程序的總成本。
因此，本發(fā)明提供了一種新的適用于含有鐵，鎳或二者的工件的低溫氣體滲碳方法，該方法包括使工件在某一提高了的滲碳溫度下與滲碳氣體相接觸，而該溫度足以促使碳擴散到產(chǎn)品的表面，但又不足以促進在該產(chǎn)品表面生成大量碳化沉淀物，其中滲碳溫度是從初始滲碳溫度下降到最后的滲碳溫度，以使?jié)B碳速率比僅按最后的滲碳溫度所進行的滲碳可能達到的速度更快。
另外，本發(fā)明又提供了一種新的適用于含有鐵，鎳或二者的工件的低溫氣體滲碳方法，該方法包括使工件在某一提高了的滲碳溫度下與滲碳氣體相接觸，而該溫度足以促使碳擴散到產(chǎn)品的表面，但又不足以在該產(chǎn)品表面生成大量碳化沉淀物，其中滲碳氣體中的滲碳物質(zhì)的濃度在滲碳過程中從初始濃度下降到最后濃度，以使?jié)B碳層硬度比僅按最后濃度進行的滲碳可能得到的滲碳層更硬，另外，生成的煙垢要比僅按最終濃度進行的滲碳可能產(chǎn)生的煙垢少。
再進一步，本發(fā)明還提供了一種新的適用于不銹鋼工件的低溫氣體滲碳方法，該方法包括使待滲碳的工件表面活化以使這些表面參讓碳原子透過，然后使工件在某一提高了的滲碳溫度下與滲碳氣體相接觸，而該溫度足以促使碳擴散到產(chǎn)品的表面，但又不足以促進在該產(chǎn)品表面生成大量碳化沉淀物，其中在根據(jù)測得的被該工件表面所吸收的碳的數(shù)量確定的滲碳至少完成10％之后但在滲碳至少完成80％以前，中斷滲碳并再活化工件，以便提高碳原子擴散到工件表面的能力。
再就另一方面而言，本發(fā)明還提供一種新的采用氣體滲碳使工件表面硬化的方法，其中使表面鍍鐵的工件在某一提高了的滲碳溫度下與滲碳氣體相接觸，以使碳擴散到該工件表面，從而形成預(yù)定厚度的淬硬滲碳層，其中在滲碳已開始之后但在滲碳完成以前，使?jié)B碳中止，然后使工件在低于600°F的清洗溫度下與基本由惰性氣體組成的清洗氣體相接觸，以便在滲碳結(jié)束時形成的滲碳層比不與清洗氣體相接觸所形成的滲碳層更硬。
發(fā)明詳述按照本發(fā)明，對含鐵工件采用低溫滲碳方法進行表面硬化，在此過程中，實施一道或更多道工藝步驟-包括調(diào)整滲碳溫度，調(diào)整滲碳氣體中的滲碳物質(zhì)的濃度，使要被滲碳的表面再活化，和清洗要被滲碳的表面-以提高滲碳的總速率并由此使?jié)B碳能比過去可能的更快地完成。工件本發(fā)明適用于任何含鐵或鎳的材料的表面硬化，通過使碳原子擴散到該材料表面而又無沉淀物生成的方法，能夠形成淬硬表面或“滲碳層”。這些材料是眾所周知的并陳述于例，如1998年8月12日提交的上述申請書SN 9/133040，US 5792 282，EPO 0787817和日本專利文件-14019(KoKai9-268364)中，其公開內(nèi)容在此引入作為參考。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)特別適用于鋼的表面硬化，尤其是含有5～50wt％Ni，優(yōu)選含有10～40wt％Ni的鋼。優(yōu)選的合金包含有10～40wt％Ni和10～35wt％Cr。更優(yōu)選不銹鋼，尤其是AISI 300和400型鋼。特別感興趣的是為一些實例舉出的AISI 316,316L,317,317L和304不銹鋼，合金600，合金C-276和合金20Cb。
本發(fā)明也適用于任何形狀的產(chǎn)品。實例包括泵部件，齒輪，閥，噴嘴，攪拌器，手術(shù)器械，醫(yī)用植入管，表殼，軸承，連接器，緊固件，濾波器，電子設(shè)備的旋鈕，花鍵，金屬箍等等。
此外，本發(fā)明能用于工件所有表面的表面硬化或根據(jù)要求只硬化某些表面。活化處理不銹鋼，尤其是奧氏體不銹鋼，當暴露于大氣中時，基本上在瞬時便會形成氧化鉻(Cr2O3)凝固保護層。這氧化鉻能防碳原子擴散。因此，當按照本發(fā)明被滲碳的工件是不銹鋼或具有能防碳原子經(jīng)此擴散的表面層的其它材料時，要進行表面硬化的工件表面，在滲碳之前應(yīng)進行活化或“去鈍化”處理。
已知有許多種活化不銹鋼和其它金屬產(chǎn)品以促使碳原子擴散到其中的技術(shù)。這些實例包括使工件在提高了的溫度(例如500°F～600°F)下與諸如HCl或HF之類的鹵化氫相接觸，與強堿相接觸，電鍍鐵，與液體鈉相接觸，與內(nèi)裝氰化鈉的熔鹽槽相接觸。例如，這些技術(shù)陳述在1998年8月12日存檔的上述申請SN 9/133,040，US 5792282，EPO0787817，和日本專利文件9-14019(Kokai 9-268364)中。也可參閱ASM國際1991年版的ASM手冊第4卷P.312,314史迪克萊斯等人的論文“熱處理”，以及US 4975147，US 5732655和WO＿＿＿＿(代理卷號22188/05640)，其公開內(nèi)容也在此引入作為參考。
不管待滲碳的工件是否形成有防止碳原子擴散的鈍化保護層，在滲碳之前(和如有要求，在活化之前)，例如采用與肥皂水或有機溶劑例如丙酮或溶劑油相接觸的方法，清洗待滲碳的表面是有利的。低溫滲碳一旦作好了工件滲碳的準備，就可使其在提高了的溫度下，與碳化氣體接觸一段足以使碳原子能擴散到該工件表面的時間。
在低溫滲碳過程中，使?jié)B碳氣體保持在某一提高了的滲碳溫度下，該溫度高得足以促使碳原子擴散該產(chǎn)品的表面，但又不致高得形成任何程度的大量碳化沉淀物。
這點通過參考

圖1更易于理解，圖1是AISI 316不銹鋼相圖，它闡明了當對該鋼利用特定滲碳氣體進行滲碳時，形成碳化沉淀物的時間和溫度條件。特別是，例如圖1表明了如果在由曲線A所界定的包絡(luò)線內(nèi)對工件加熱，則將形成化學(xué)式為M23C6的金屬碳化物。因此，應(yīng)意識到如果工件是在曲線A下半部以上任一處的時間和溫度條件下加熱，則在該工件表面將會形成碳化沉淀物。所以，低溫滲碳要在低于曲線A的條件下進行，以使碳化沉淀物不能形成。
根據(jù)圖1還能看出，對于已知的滲碳氣體，促使碳化沉淀物生成的滲碳溫度將作為滲碳時間的函數(shù)而變化。例如，圖1表明了在滲碳溫度1350°F下，僅在1/10小時(6分鐘)后碳化沉淀物就開始形成。另一方面，在約975°F的滲碳溫度下，碳化沉淀物直到滲碳已進行了約100小時左右才開始形成。由于這一現(xiàn)象，低溫滲碳通常是在使?jié)B碳溫度恒定保持低于滲碳結(jié)束時會形成碳化沉淀物的溫度條件下進行。例如，對于利用圖1的合金和滲碳氣體預(yù)期持續(xù)100小時的低溫滲碳方法，滲碳通常應(yīng)在925°F或更低的恒定溫度下進行，因為這將使工件保持安全地低于在滲碳結(jié)束時會形成碳化沉淀物的溫度(即975°F)?；蛘呷鐖D1所闡明的，滲碳通常應(yīng)沿M線進行，因為這會使工件保持安全地低于Q點，從而使碳化沉淀物不會形成。
典型的低溫滲碳方法可能要耗時50至100到1000小時或更長，以便達到要求的滲碳量。因此，應(yīng)意識到，當滲碳是安全地在低于Q點的恒溫下進行時，在滲碳的早期階段的任一瞬時t時的滲碳溫度將低于曲線A很遠。這點也闡明在圖1上，圖中線段S代表曲線A的溫度與滲碳結(jié)束時的滲碳溫度(925°F)之間的差值，而線段T代表滲碳開始后1小時的差值。根據(jù)線段S和T的對比可見，當將滲碳溫度保持在滲碳結(jié)束時Q點以下至少50°F的恒溫925°F時，則實際滲碳溫度和滲碳開始之后1小時的曲線A之間將有150°F的差值(1175°F-925°F)。因為滲碳速率取決于溫度，故可以看出，在滲碳早期階段中，相對低的滲碳溫度925°F放慢了用本方法進行的滲碳方法的總速度。滲碳溫度的調(diào)整按照本發(fā)明的一個方面，這一限制通過下述方法可基本消除，即在比過去典型采用的滲碳溫度要高的條件下開始本滲碳方法，然后隨著滲碳的進行，將這溫度降低以便達到本滲碳方法終點時的正常滲碳溫度。
這一方法可通過圖2上的曲線X加以闡明，該曲線相似于圖1上的曲線M，只是曲線X說明了滲碳溫度在滲碳過程中從初始高值降低到較低最后值。特別是，曲線X表明在初始滲碳溫度比碳化沉淀物開始形成半小時時的溫度低約50°F的1125°F下，滲碳開始轉(zhuǎn)成本滲碳方法(圖2的W點)，然后隨著滲碳的進行，使?jié)B碳溫度降低，以便達到在滲碳結(jié)束時的最后滲碳溫度925°F，這一相同的終點溫度用于圖1所闡明的常規(guī)方法。
在本具體實施方案中，將在本滲碳方法中任一時刻t時的滲碳溫度，保持在比在該時刻正好開始形成碳化物的溫度要低一預(yù)定值(例如50°F，75°F，100°F，150°F或甚至200°F)的范圍內(nèi)。換言之，在整個本滲碳方法中，要將滲碳溫度保持低于曲線A-預(yù)定值。用這種方法能使?jié)B碳溫度保持比常規(guī)實踐中的滲碳溫度顯薯地高，但該溫度仍然低于開始形成碳化沉淀物的溫度。本方法的實際影響是提高了滲碳的總速率，因為在本滲碳方法的大部分過程中滲碳溫度是高于其它方法的。在滲碳過程中的任一時刻t，此時的滲碳瞬時速率取決于溫度，而在本方法中，本發(fā)明通過提高瞬時滲碳溫度的方法提高了這瞬時速率。這實際影響是有一較高的滲碳總速率，這本身又導(dǎo)致了有一較短的完成本滲碳方法所需的總時間。
當然，當在上述較高的滲碳溫度下作業(yè)時，還必須保證在滲碳過程中不會有任何程度的碳化沉淀物形成。因此，如上所述，不僅要將滲碳溫度調(diào)整到在任一時刻t都不致于低于最小預(yù)定值，且還要將它調(diào)整到不超過太接近曲線A的某一最大值。換言之，必須使?jié)B碳溫度在任一時刻t仍然保持低于曲線A一足夠值(例如25°F或50°F)，以保證不會形成碳化沉淀物。于是，在實際操作中，這意味著將滲碳溫度調(diào)整在低于曲線A的范圍內(nèi)，該溫度的最大值在曲線A以下有一足夠的距離(例如25°F或50°F)而該溫度的最小值更要比曲線A低，上述的預(yù)定值(亦即例如50°F，75°F，100°F，150°F或200°F)。這樣，滲碳溫度將被典型地調(diào)整在低于曲線A的某一合適范圍內(nèi)(例如25°F至200°F或50°F至100°F)。
本發(fā)明這方面的另一實施方案用圖3上的曲線Y加以闡明。該實施方案按上述同樣的方法進行，只是滲碳溫度是逐步地而不是連續(xù)地下降的。在很多場合，尤其當立足于設(shè)備考慮時，遞減方式可能比較簡便。因為滲碳方法要花幾小時到很多小時，故遞減次數(shù)可以從少到3～5次變化至多到10，15，20，25次或更多次。
還應(yīng)意識到，即使是在滲碳的最早階段沒有使初始滲碳溫度接近曲線A，也能體現(xiàn)出本發(fā)明的優(yōu)點。圖1～3表明，在滲碳的最早階段，例如在第1小時內(nèi)，由于開始形成碳化沉淀物的溫度急劇下降，曲線A的斜率是比較陡的。因此，雖然本滲碳方法的整個過程中，可采用使瞬時滲碳溫度接近曲線A的辦法來達到滲碳最快的目的，便包括設(shè)備限制在內(nèi)的實際情況卻指令在滲碳的初始操作階段調(diào)定初始滲碳溫度時，不必將曲線A的初始部分考慮在內(nèi)。這在圖2和圖3上也有所闡明，從圖上可看出，將曲線X和Y的初始滲碳溫度調(diào)定為從半小時標線開始的曲線A以下至少50°F，這就意味著已將按照曲線A進行的頭半小時作業(yè)不予考慮。同樣地，根據(jù)本發(fā)明的這方面，在調(diào)定初始滲碳溫度時，對第1，2，3，5或甚至10，15或20小時的初始作業(yè)可不予考慮?？傊?，應(yīng)意識到，按照本發(fā)明采用下述方法能達到較快的總滲碳速率，即在滲碳溫度比過去所采用的溫度要高，以便實現(xiàn)較高的瞬時滲碳速率的條件下開始，然后在滲碳過程中降低這滲碳溫度，達到在本滲碳方法的實施過程中繼續(xù)避免碳化沉淀物出現(xiàn)。
按照與本發(fā)明的這方面有關(guān)的另一特點，可以允許瞬時滲碳溫度在滲碳過程中的某個時段下降到低于上述溫度范圍但沒有違反本發(fā)明的精神和意圖。例如，即使瞬時滲碳溫度下降到低于上述溫度范圍，時間達到滲碳發(fā)生時段的5，10或甚至20％，本發(fā)明的優(yōu)點仍將能實現(xiàn)。當然，如果滲碳是在這些較低的溫度下進行，則滲碳總速率將降低。盡管如此，只要在滲碳發(fā)生的基本時段內(nèi)，用上述方法使?jié)B碳溫度保持高于終點滲碳溫度，則較快的滲碳總速率的優(yōu)點仍將達到。滲碳氣體在常規(guī)氣體滲碳中，有許多種不同的碳化合物能用來向被滲碳的工件供給碳。這些實例是碳氫化合物氣體例如甲烷，乙烷和丙烷，含氧化合物例如一氧化碳和二氧化碳，和這些氣體的混合物例如合成氣。請見上述史迪克萊斯的論文。
眾所周知，在常規(guī)氣體滲碳中，稀釋劑氣體也包括在滲碳氣體混合物中。稀釋劑氣體起降低滲碳氣體中含碳物質(zhì)濃度的作用，借此防止在工件表面上有過量的元素碳的沉淀物。這類稀釋劑氣體的實例有氮，氫，和惰性氣體例如氬。
按照本發(fā)明，在常規(guī)氣體滲碳中用于配制滲碳氣體的這些化合物和稀釋劑中任一種也可用來制備本發(fā)明中所采用的滲碳氣體。已被發(fā)現(xiàn)特別適用于本發(fā)明的氣體混合物是由一氧化碳和氮與二氧化碳的混合物構(gòu)成，其中二氧化碳的含量為0.5～60％，更典型的含量為1～50％或甚至10～40％。根據(jù)本發(fā)明，特別有用的另一種氣體混合物是由0.5～60體積％的一氧化碳，10～50體積％的氫，其余為氮構(gòu)成。這些氣體一般均在約1個大氣壓下應(yīng)用，不過，如有需要，較高或較低的壓力也能應(yīng)用。滲碳氣體的調(diào)整按照本發(fā)明的另一方面，低溫滲碳方法的總滲碳速率，還可采用調(diào)整滲碳氣體中含碳物質(zhì)的濃度的辦法來提高。和溫度一樣，在常規(guī)低溫氣體滲碳中的碳濃度通常保持恒量，以保證在滲碳的后期階段能避免過量的碳和煙垢產(chǎn)物產(chǎn)生。所以，按照本發(fā)明的這一情況，滲碳氣體中的含碳化合物或物質(zhì)的濃度，將在滲碳過程中從初始的較高值調(diào)整到較低的最后值。
在低溫氣體滲碳方法中，滲碳的瞬時速率，在達到飽和限之前，還取決于滲碳氣體中碳物質(zhì)的濃度。因此，根據(jù)本發(fā)明的這一情況，在滲碳開始時使用較高的碳濃度，隨后，在本滲碳方法實施的過程中降低碳的濃度。用這種方法，在滲碳的早期階段，在具有足以滿足此時對碳更多需求的碳物質(zhì)的條件下，能實現(xiàn)較快的滲碳。然后，在本方法的后階段，滲碳是在較低的碳物質(zhì)濃度下實現(xiàn)的，從而避免了過量的碳和煙垢生成?？偟慕Y(jié)果是在產(chǎn)品上所形成的煙垢比如果碳濃度在本滲碳方法的整個實施過程中一直保持為初始值的要少，另外，所得到的滲碳層比若碳濃度在本滲碳方法的整個實施過程中一直保持為最后值的要更淬硬和更均勻。
因此，本發(fā)明還設(shè)想了一種低溫滲碳方法，其中滲碳氣體中的滲碳物質(zhì)的濃度在滲碳過程中，從初始濃度下降到最后的濃度。以使?jié)B碳速度比只按最后濃度進行滲碳可能達到的速度更快。
在實施本發(fā)明的這一方面時，滲碳氣體中滲碳物質(zhì)的濃度應(yīng)降低的量的變化范圍可以很寬，而任何不大的減少量就基本上能獲得本發(fā)明的優(yōu)點。典型地，將滲碳物質(zhì)的濃度降至大約小于其初始值的75％。實踐中采用的最后濃度值大約小于初始值的50％，通常小于25％或甚至小于10％。
降低滲碳氣體中含碳物質(zhì)濃度所采用的本方法也可作相當大的改變。因為在溫度降低的情況中，碳濃度的減少在滲碳過程中可連續(xù)地發(fā)生，可以在滲碳的最開始時開始或在初始作業(yè)時期之后(例如在0.5，1，5或10小時之后)開始。更典型地，減少碳濃度將逐步進行，其中滲碳物質(zhì)的濃度在初始和最后滲碳之間可按至少2，5，或甚至10次或更多次方式進行遞減。同樣，在這種情況中，減少碳濃度可在滲碳已開始之后不久進行或者在經(jīng)一段合適的延遲時間例如0.5，1，5或10小時之后進行。
還應(yīng)理解，例如在溫度降低的情況中，在碳濃度降低條件下進行的低溫滲碳，在以較高碳濃度進行的初始作業(yè)和以較低水平的碳濃度進行的后階段滲碳之間的某個中間階段，要使其中斷。尤其是，在本滲碳方法的整個實施過程中，保持滲碳氣體中碳的濃度高于某一水平對實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點不是必需的，只要從滲碳開始到結(jié)束時間的基本時段內(nèi)，用上述方法使碳濃度下降就夠了。但是，例如在溫度降低的情況中，如果在本滲碳方法的實施過程中有任何相當長的時段內(nèi)碳濃度顯著下降，則總的滲碳速率將下降。
例如在溫度降低的情況中，將滲碳氣體中碳的濃度從初始較高值下降到滲碳結(jié)束時的較低值增強了整個滲碳方法。在降低滲碳溫度的情況中，這種增強反映在有一較快的滲碳時間上。在降低滲碳氣體中碳濃度的情況中，這種增強反映在最終的產(chǎn)品上有更淬硬的滲碳層和/或更少的煙垢。在每一種情況下，通過對滲碳條件適當控制能達到改善結(jié)果。
還應(yīng)理解，本發(fā)明的上述二個方面-溫度降低和碳濃度降低-可用相同的方法同時進行。這兩種技術(shù)，即采用在滲碳初期階段中保進較高的滲碳速率，同時在滲碳的后期階段避免出現(xiàn)有利于沉淀物生成的條件，便都能達到提高滲碳的總速率，同時又使碳化沉淀物生成的風(fēng)險降至最小的同一目的。所以，這兩種技術(shù)可以一起使用，從而提供了一種加快常規(guī)低溫滲碳的特別有效的方法。再活化處理按照本發(fā)明的另一方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使工件在完成滲碳之前進行一次額外的活化步驟，能更進一步提高不銹鋼產(chǎn)品的低溫滲碳速率。正如以上所指出的，形成了一層氧化鉻凝固層的不銹鋼和其它合金，在滲碳之前必須使其活化，以便使這氧化層變成能被透過的，以使碳原子由此擴散。在包括常規(guī)低溫氣體滲碳方法在內(nèi)的常規(guī)氣體滲碳方法中，活化只有在將該工件放置在滲碳爐中后進行，同時該工件在活化后仍留在爐中，因為如果將該工件從爐中取出，這凝固氧化層會再形成。
但是，按照本發(fā)明的這一情況，已進一步發(fā)現(xiàn)，當工件在初始活化后對其實行不與大氣接觸時，低溫滲碳方法的滲碳總速率可通過使該工件在完成滲碳之前，經(jīng)受另一次活化程序而得以進一步提高。這再活化似乎比初始活化更充分，這可能是由于早已有相當數(shù)量的碳擴散到該工件表面?？傊倩罨瘜?dǎo)致生成一層比沒有再活化所得到的更均勻和更淬硬的淬硬表面或滲碳層。
按照本發(fā)明的這一方面，再活化工件可采用上述任一種活化技術(shù)對其進行再活化。已發(fā)現(xiàn)，利用鹵化氫氣體尤其是HCl進行活化特別有效。此外，最好是在活化氣體混合物中包含有稀釋劑氣體例如氮，氬，氫，氬或其它惰性氣體，該混合氣按這樣的量混合，即HCl或其它活化氣體的濃度約為5～50，更典型的是10～35，尤其為約15～30％。還有，進行再活化的最方便的方法是將工件溫度降至在任何程度上基本不會發(fā)生滲碳的溫度，例如200°F～700°F，更典型的是300°F～650°F，尤其是500°F～600°F。另外，最好還是在再活化期間使含碳物質(zhì)向工件的流動暫停以免浪費。其它的活化條件，如需要，可以采用。中間清洗按照本發(fā)明的另一方面，還發(fā)現(xiàn)，采用將已經(jīng)鍍了鐵使其活化工件，在實施本滲碳方法的中間階段，在600°F或更低的條件下，與惰性氣體相接觸的方法，來改善該工件由氣體滲碳所產(chǎn)生的滲碳層的質(zhì)量。
對包括局部已形成淬硬滲碳層的工件的任何惰性氣體均可用于本方法。實例是氮，氬、氫、氬或其它惰性氣體。
包括上述本發(fā)明方法在內(nèi)的大多數(shù)氣體滲碳方法均參在下述條件下方便地進行，該條件是基本上為大氣壓力和向滲碳爐連續(xù)地供給滲碳氣體以防止大氣空氣進行爐內(nèi)。此處所設(shè)想的中間清洗最容易實施的方法，是使?jié)B碳氣體中的稀釋劑的流動繼續(xù)而使碳化物質(zhì)的流動終止。另一種方法是，在惰性氣體充滿爐內(nèi)后終止所有氣體流。總之，按照本方法的這一方面，為了獲得增強的滲碳層，在實施本滲碳方法的中間階段，應(yīng)將工件的溫度降至600°F或更低，同時將與工件相接觸的大氣更換為惰性氣體，亦即可能會與工件表面發(fā)生反應(yīng)的此類組分，包括用于滲碳的碳物質(zhì)，均要排除。按照本方法的程序，采用本滲碳方法產(chǎn)生的淬硬表面或滲碳層將會更淬硬和更均勻。
象早先所述的再活化一樣，本清洗程序可在滲碳程序過程中任何時候?qū)嵭校m然這通常是在根據(jù)測得的被該工件表面所吸收的碳的數(shù)量確定的滲碳至少完成10％之后便在滲碳完成80％之前實行的。在滲碳完成35～65％時進行清洗更為典型。此外，清洗通常將在300°F～600°F，更典型的是400°F～500°F條件下進行，持續(xù)10分鐘至1小時，更典型的是20～40分鐘。
實施例為了更充分地敘述本發(fā)明，提供了以下操作實例實施例1AISI 316銹鋼工件，在清除了有機殘渣后，采用鍍以一薄層鐵的方法使其活化。
使活化后的工件干燥，然后被滲碳，方法是在980°F～880°F溫度下，使其與由CO和N2的連續(xù)流動混合氣構(gòu)成的滲碳氣體相接觸。本滲碳方法持續(xù)大約168小時。在那段時間內(nèi)，按照下表1中的作業(yè)表將滲碳溫度從980°F降至880°F，而CO的濃度則從50％降至1.0％。
表1

然后將經(jīng)這樣滲碳后的工件冷卻至室溫并清洗，從而生產(chǎn)出具有大約0.003英寸深的淬硬表面(亦即滲碳層)的產(chǎn)品，這滲碳層基本上沒有碳化沉淀物。實施例2重復(fù)實施例1，只是將滲碳溫度保持在恒定值880°F下，直到產(chǎn)生出沒有碳化沉淀物和深度約為0.003英寸的淬硬滲碳層為止。另外，使?jié)B碳氣體中CO的濃度在168到240小時之間保持為1.0％。根據(jù)這些條件，需要作業(yè)240小時，以便達到上述厚度的滲碳層。實施例3AISI 316不銹鋼工件，在清除了有機殘渣后，采用在550°F下與含20％HCl的N2相接觸達60分鐘的方法使其活化。
使活化后的工件干燥，然后采用與由CO，H2和N2的混合氣構(gòu)成的連續(xù)流動的滲碳氣體相接觸的方法對其加熱。滲碳持續(xù)大約24小時，在這段時間內(nèi)，滲碳氣體中的CO濃度將根據(jù)下表2中的作業(yè)表從50％降至1.0％，H2的濃度則保持恒值
表2

然后將經(jīng)這樣滲碳后的工件冷卻至室溫并清洗，從而產(chǎn)生出具有大約0.00095英寸深的淬硬表面(亦即滲碳層)的產(chǎn)品，這滲碳層基本上沒有碳化沉淀物，且同時使煙垢產(chǎn)物降至最少。實施例4重復(fù)實施例3，只是在滲碳2小時后通過終止CO氣流的方法使?jié)B碳方法中斷，然后利用連續(xù)N2氣流使該工件冷卻至300°F。接著，將20％HCl添加到用于再活化工件表面的流動氣體中，并將該工件溫度提升到550°F。在這些條件下經(jīng)過60分鐘后，滲碳重新開始。曾發(fā)現(xiàn)，用相同的時間得到了約0.00105英寸深的滲碳層，而且所形成的滲碳層在深度上比實例3中所形成的滲碳層更均勻。
雖然上面已敘述的只是少數(shù)幾個本發(fā)明實施方案，應(yīng)理解在不違反本發(fā)明的精神和意圖的情況下，能作出許多改進。所有這類改進均被規(guī)定包括在僅由以下權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種采用氣體滲碳的工件表面硬化方法，其中該工件在提高了滲碳溫度下與滲碳氣體相接觸，以使碳能擴散到該工件表面，由此形成一層預(yù)定厚度的淬硬滲碳層而又無碳化沉淀物生成，其中滲碳瞬時速率在滲碳過程中是下降的，以便在滲碳的早期階段促進快速滲碳，而在滲碳的后期階段避免生成碳化沉淀物。
2.一種適用于含有鐵、鎳或二者的工件的低溫氣體滲碳方法，該方法包括使該工件在提高了的滲碳溫度下與滲碳氣體相接觸，而該溫度要足以促使碳擴散到該產(chǎn)品的表面，但又不足以促進在該產(chǎn)品表面大量生成碳化沉淀物，其中滲碳溫度從初始滲碳溫度下降到最后滲碳溫度，以使?jié)B碳速率比僅按最后的滲碳溫度所進行的滲碳可能達到的速率更快。
3.權(quán)利要求2的方法，其中滲碳溫度的下降在初始和最后滲碳溫度之間，按至少2次遞減方式進行。
4.權(quán)利要求3的方法，其中滲碳溫度的下降在初始期和最后滲碳溫度之間，按至少5次遞減方式進行。
5.權(quán)利要求2的方法，其中從已開始滲碳之后的1小時開始到滲碳基本完成而終止的這一時段的至少80％的時間內(nèi)，將瞬時滲碳溫度保持在碳化沉淀物開始大量生成時的溫度的200°F之內(nèi)。
6.權(quán)利要求5的方法，其中從已開始滲碳之后的1小時開始到滲碳基本完成而終止的這一時段的至少80％的時間內(nèi)，將瞬時滲碳溫度保持在碳化沉淀物開始大量生成時的溫度的100°F之內(nèi)。
7.權(quán)利要求2的方法，其中從已開始滲碳之后的1小時開始到滲碳基本完成而終止的這一時段的至少95％的時間內(nèi)，將瞬時滲碳溫度保持在碳化沉淀物開始大量生成時的溫度的200°F之內(nèi)。
8.權(quán)利要求7的方法，其中從已開始滲碳之后的1小時開始到滲碳基本完成而終止的這一時段的至少95％的時間內(nèi)，將瞬時滲碳溫度保持在碳化沉淀物開始大量生成時的溫度的100°F之內(nèi)。
9.權(quán)利要求2的方法，其中工件由不銹鋼制成，另外其中要進行硬化的工件表面在滲碳之前應(yīng)使其活化，以使這樣的表面能讓碳原子透過。
10.權(quán)利要求2的方法，其中在根據(jù)測得的被工件表面所吸收的碳的數(shù)量確定的滲碳至少完成5％之后但在滲碳完成80％之前，中斷滲碳并對工件進行活化處理，以提高碳原子擴散到該工件表面的能力。
11.權(quán)利要求10的方法，其中從滲碳已開始之后的1小時開始到滲碳基本完成而終止的這一時段中，只有滲碳溫度比碳化沉淀物開始基本生成的溫度低100°F以上的這段時間才是工件活化處理時期，以便提高碳原子擴散到該工件表面的能力。
12.一種適用于含有鐵、鎳或二者的工件的低溫氣體滲碳方法，該方法包括使該工件在提高了的滲碳溫度下與滲碳氣體相接觸，而該溫度要足以促使碳擴散到該產(chǎn)品的表面，但又不足以促進在該產(chǎn)品表面上大量生成碳化沉淀物，其中滲碳氣體中的滲碳物質(zhì)的濃度，在滲碳過程中，從初始濃度下降到最后的濃度，以使?jié)B碳層的硬度比僅按最后的濃度所進行的滲碳可能達到的硬度更硬，并使煙垢生成物比僅按初始濃度所進行滲碳可能產(chǎn)生的煙垢生成物更少。
13.權(quán)利要求12的方法，其中滲碳物質(zhì)的濃度的下降在初始和最后濃度之間，按至少2次遞減方式進行。
14.權(quán)利要求13的方法，其中滲碳物質(zhì)的濃度的下降在初始和最后濃度之間，按至少5次遞減方式進行。
15.權(quán)利要求12的方法，其中滲碳物質(zhì)最后的濃度小于滲碳物質(zhì)初始濃度的50％。
16.權(quán)利要求15的方法，其中滲碳物質(zhì)最后的濃度小于滲碳物質(zhì)初始濃度的25％。
17.權(quán)利要求16的方法，其中滲碳物質(zhì)最后的濃度小于滲碳物質(zhì)初始濃度的10％。
18.權(quán)利要求12的方法，其中工件由不銹鋼制成，另外其中要進行硬化的工件表面在滲碳之前應(yīng)使其活化，以使這樣的表面能讓碳原子透過。
19.權(quán)利要求12的方法，其中在根據(jù)測得的被工件表面所吸收的碳的數(shù)量確定的滲碳至少完成10％之后但在滲碳完成80％以前，中斷滲碳并對工件進行活化處理，以提高碳原子擴散到該工件表面的能力。
20.權(quán)利要求19的方法，其中從滲碳已開始之后的1小時開始到滲碳基本完成而終止的這一時段中，只有滲碳溫度比碳化沉淀物開始基本生成時的溫度低100°F以上的這段時間才是工件活化處理時期，以便提高碳原子擴散到該工件表面的能力。
21.一種利用氣體滲碳的工件表面硬化方法，其中該工件在提高了的滲碳溫度下與滲碳氣體相接觸，以使碳能擴散到該工件表面，由此形成一層預(yù)定厚度的淬硬滲碳層而又無碳化沉淀物生成，其中應(yīng)在滲碳已開始之后但在滲碳完成之前，中斷滲碳并對工件進行活化處理，以提高碳擴散到該工件表面的能力。
22.一種適用于不銹鋼工件的低溫氣體滲碳方法，該方法包括活化該工件的要進行滲碳的表面，以使這些表面能讓碳原子透過，然后使該工件在提高了的滲碳溫度下與滲碳氣體相接觸，該溫度要足以促使碳擴散到該產(chǎn)品的表面，但又不足以促進在產(chǎn)品表面上大量生成碳化沉淀物，其中在根據(jù)測得的被工件表面所吸收的碳的數(shù)量確定的滲碳至少完成10％之后但在滲碳完成80％以前，中斷滲碳并對工件進行再活化處理，以提高碳原子擴散到該工件表面的能力。
23.權(quán)利要求22的方法，其中在滲碳完成至少35％之后但在滲碳完成65％之前，中斷滲碳并對該工件進行再活化處理，以便提高碳原子擴散到該工件表面的能力。
24.權(quán)利要求22的方法，其中從滲碳已開始之后的1小時開始到滲碳基本完成時終止的這一時段中，只有滲碳溫度比碳化沉淀物開始大量生成時的溫度低100°F以上的這段時間才是工件再活化處理時期。
25.一種利用氣體滲碳的工件表面硬化方法，其中鍍以鐵的工件在提高了的溫度下與滲碳氣體相接觸，以使碳能擴散到該工件表面，由此形成一層預(yù)定厚度的淬硬滲碳層，其中在滲碳已開始之后但在滲碳完成之前，中斷滲碳并使工件與基本由惰性氣體組成的清洗氣體在清洗溫度低于600°F的條件下相接觸，以使?jié)B碳結(jié)束時所形成的滲碳層比沒有與清洗氣體接觸所形成的滲碳層更硬。
全文摘要
對含鐵工件采用低溫滲碳方法進行表面硬化,在此過程中,實施一道或多道工藝步驟－包括調(diào)整滲碳溫度,調(diào)整滲碳氣體中滲碳物質(zhì)的濃度和使要被滲碳的表面再活化,以便提高滲碳的總速率和均勻性,同時使煙垢生成物到達最少,由此使?jié)B碳能比過去可能的更快地完成。
文檔編號C23C8/22GK1423709SQ01807244
公開日2003年6月11日 申請日期2001年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月28日
發(fā)明者P·C·威廉斯, S·V·馬克斯 申請人:斯瓦戈洛克公司