專利名稱：低真空下的低溫滲碳的制作方法
低真空下的低溫滲碳相關(guān)申請的交叉引用本申請基 于并要求2009年8月7日提交的專利申請No. 61/232，148的優(yōu)先權(quán)，該專利申請的論述在此以參考的方式并入。常規(guī)滲碳傳統(tǒng)的(高溫)滲碳是廣泛使用的工業(yè)過程，用于提高成形物品的表面硬度(“表面硬化”)。在典型的商業(yè)過程中，工件與高溫含碳?xì)怏w接觸，由此通過氣體的分解釋放的碳原子擴(kuò)散到工件的表面中。硬化通過如下方式出現(xiàn)這些擴(kuò)散的碳原子與工件中的一種或多種金屬的反應(yīng)，從而形成獨(dú)特的化合物、即碳化物，繼之以作為離散的非常硬的結(jié)晶顆粒的這些碳化物在金屬基體中的沉淀，以形成工件的表面。參見ASM International, 1991,ASM Handbook,卷 4,第 312 至 324 頁 “Gas Carburizing”，Stickels。在最近幾年中，已引入用于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)滲碳的新方法，其中將以非常低的壓力供應(yīng)的乙炔用作滲碳?xì)怏w。該方法的主要益處是，減少作為滲碳反應(yīng)的一部分形成的副產(chǎn)品煙灰的量。參見EP818555和對(duì)應(yīng)的U. S. 5，702，540。在有些情況下，到反應(yīng)室的乙炔流是脈沖的而非恒定的，結(jié)果這被認(rèn)為更進(jìn)一步減少煙灰的形成。由于一旦鋼暴露于大氣就固有地形成在鋼的表面上的粘附的氧化鉻防滲層，所以不銹鋼是“不銹的”。當(dāng)傳統(tǒng)地使不銹鋼滲碳時(shí)，通過對(duì)表面硬化負(fù)責(zé)的碳化物沉淀的形成耗盡鋼的鉻含量。結(jié)果，至少在直接圍繞碳化鉻沉淀的區(qū)域中的鋼中沒有足夠的鉻以形成在該氧化鉻保護(hù)涂層。為此，由于危及鋼的耐蝕性，所以不銹鋼很少通過常規(guī)滲碳表面硬化。低溫滲碳在二十世紀(jì)八十年代中期，發(fā)展了用于對(duì)不銹鋼進(jìn)行表面硬化的技術(shù)，其中工件與通常低于 550°C ( 1000 T )的低溫含碳?xì)怏w接觸。在這些溫度下，并且假如滲碳不持續(xù)太長，則通過氣體的分解釋放的碳原子在無碳化物沉淀形成的情況下擴(kuò)散到工件表面中通常到20-50μ的深度。盡管如此，獲得非常硬的殼(表面層)。由于沒產(chǎn)生碳化物沉淀，所以鋼的耐蝕性是未受損傷，甚至被改善。在許多公布中描述了關(guān)系到“低溫滲碳”的該技術(shù)，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，完全由于由擴(kuò)散到金屬的晶體點(diǎn)陣中的碳原子置于該晶格上的應(yīng)力，所以表面硬化在低溫滲碳中出現(xiàn)。然而，最近的分析工作建議，在該硬化表面層中可形成附加的一個(gè)或多個(gè)相。盡管這些附加相的確切性質(zhì)仍然是未知的，但已知的是，這些附加相的鉻含量與周圍的金屬基體的鉻含量一致。由于對(duì)耐蝕性負(fù)責(zé)的鉻保持遍及金屬均勻地分布，所以結(jié)果是，鋼的耐蝕性保持未受損傷。由于低溫滲碳所涉及的溫度如此低，所以碳原子不會(huì)穿透鋼的氧化鉻保護(hù)涂層。因此，通常在不銹鋼的低溫滲碳之前加上活化步驟，其中工件與例如200至400°C的高溫的諸如HF、HC1、NF3、F2或Cl2的含鹵素氣體接觸，以使鋼的保護(hù)氧化物涂層對(duì)碳原子透明。
清理低溫滲碳通常產(chǎn)生作為不需要的副產(chǎn)品的煙灰。另外，低溫滲碳還在工件最外面的表面上產(chǎn)生大約20-30nm厚的不合需要的多孔“熱”氧化膜。參見Japan9-71853 (Kokai9_71853)。另外，尤其地如果低溫滲碳條件太嚴(yán)格，則在該熱氧化膜下，金屬非常薄的外表面層可包含少量碳化物沉淀。參見U. S. 5，556，483、U. S. 5，593，510和U. S. 5，792，282。為了使工件呈現(xiàn)有吸引力的閃亮金屬外觀，必須去除該煙灰和最外面的熱氧化膜。因此，作為一個(gè)實(shí)際問題，在使用工件之前去除這些不合需要的表面層(即煙灰、熱氧化膜以及如果有的話，包含碳化物沉淀的薄的最外面的金屬層)。通常，由于由低溫滲碳產(chǎn)生的硬化“殼”僅向下延伸至工件表面首先的10-25微米左右，所以僅去除工件的金屬表面大約I微米左右的最低的量。在任何情況下，在本發(fā)明的背景下，對(duì)于“基本上無碳化物沉淀”或者使得“無碳化物沉淀形成”的工件表面層的參考指的是在這些不需要的副產(chǎn)品層下面的耐蝕的碳硬化表面層。為了方便起見，這些耐蝕的無副產(chǎn)品的硬化表面層在此稱為工件的“主”表面層。 乙炔整個(gè)公開在此以參考的方式并入的W02006/136166描述了一種低溫滲碳過程，其中將乙炔用作用于滲碳反應(yīng)的碳源。如果需要，可在滲碳?xì)怏w中包括氫(H2),以便于乙炔的分解并使過程的控制更容易。如在該國際專利中進(jìn)一步描述地，用于滲碳的乙炔的分解還活化氧化鉻涂層，從而使單獨(dú)的活化步驟不必要。盡管“設(shè)想” 了在“低于大氣壓力”下的滲碳，但所有的工作示例在常規(guī)壓力下完成。整個(gè)公開在此同樣以參考的方式并入的授予Tanaka等的U. S. 7，122，086描述了一種類似的低溫滲碳過程，其中不銹鋼工件在首先通過與含氟氣體接觸而被活化之后，通過與高度真空下、即在I托(133Pa(帕斯卡))或更低的總壓力下的乙炔接觸而被滲碳。對(duì)于該技術(shù)方案所主張的主要益處是，充分減少煙灰和不合需要的熱氧化膜的副產(chǎn)品的產(chǎn)生。盡管如此，獲得的滲碳工件仍然需要機(jī)械地和/或化學(xué)地處理，以在獲得可使用的最終產(chǎn)品之前去除這些副產(chǎn)品層。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，不銹鋼工件同樣通過與真空下的乙炔接觸而被低溫滲碳。然而，在本發(fā)明中，使用大約3. 5至100托( 500至 13，OOOPa (帕斯卡))的總反應(yīng)壓力的低真空。另外，乙炔保持在大約O. 5至20托( O. 5至 2，666Pa)的分壓力。另外，在系統(tǒng)中包括諸如氫(H2)的附帶氣體(companion gas)。根據(jù)本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)的是，通過遵循該方法，實(shí)際上完全消除煙灰和熱氧化膜的產(chǎn)生。結(jié)果，在無先前為生產(chǎn)具有期望的有吸引力的閃亮金屬外觀的“表面清潔”產(chǎn)品所需的后去除處理的情況下，可獲得最終可用的滲碳產(chǎn)品。因此，本發(fā)明提供一種用于通過氣體滲碳對(duì)由鐵、鎳和/或鉻基合金制成的工件進(jìn)行表面硬化的方法，其中工件在已升高的滲碳溫度下與滲碳?xì)怏w接觸，以使碳擴(kuò)散到工件表面中，從而形成基本上無碳化物沉淀的硬化主表面層，其中滲碳?xì)怏w的滲碳種(carburizing specie)是不飽和烴,滲碳?xì)怏w中的滲碳種的分壓力大約為O. 5至20托( 67至 2，666Pa)，滲碳?xì)怏w的總壓力大約為3. 5至100托( 500至 13，OOOPa)，而滲碳?xì)怏w還包含氫或其他附帶氣體。
更具體地，本發(fā)明提供一種在無需副產(chǎn)品煙灰或熱氧化物從工件表面的去除的情況下生產(chǎn)呈現(xiàn)有吸引力的閃亮金屬外觀的表面硬化的耐蝕不銹鋼工件的方法，該方法包括在如下條件下使工件與滲碳?xì)怏w接觸時(shí)間和溫度足夠使碳擴(kuò)散到工件表面中，從而形成基本上無碳化物沉淀的硬化主表面層，但不足以在很大的程度上使副產(chǎn)品煙灰或熱氧化物形成，其中滲碳?xì)怏w包括乙炔和氫，滲碳?xì)怏w中的乙炔的分壓力大約為O. 5至20托( 67至 2，666Pa)，滲碳?xì)怏w的總壓力大約為3. 5至100托( 500至 13，OOOPa)，而滲碳?xì)怏w中的氫與乙炔的摩爾比率至少為2 I。
具體實(shí)施例方式合金盡管本發(fā)明通常在不銹鋼上實(shí)現(xiàn)，但本發(fā)明同樣可用在由其他的鐵、鎳、鈷和/或鉻基合金制成的工件上。這樣的材料為大家所熟知，并且例如在上述美國專利第5，792，282號(hào)、美國專利第6, 093, 303號(hào)、美國專利第6，547，888號(hào)、EPO 0787817和日本專利文獻(xiàn) 9-14019 (Kokai 9-268364)中描述了這樣的材料。所注意的特定的合金是鋼，尤其地包含5至50wt. %、優(yōu)選地10至40wt. %的Ni的鋼。優(yōu)選的合金包含10至40wt. %的Ni和10至35wt. %的Cr。更優(yōu)選的是不銹鋼，尤其地AISI300 系列的鋼。所特別注意的是 AISI301、303、304、309、310、316、316L、317、317L、321、347、CF8M、CF3M、254SM0、A286 和 AL6XN不銹鋼。AISI400 系列的不銹鋼和尤其地Alloy410、Alloy416和Alloy400C同樣是引起特別的注意。僅舉幾個(gè)示例，特定的可根據(jù)本發(fā)明低溫滲碳的鎳基合金包括Alloy 600、Alloy625、Alloy 825、Alloy C-22、Alloy C-276、Alloy 20 Cb 和 Alloy 718。除鐵基合金和鎳基合金之外，根據(jù)本發(fā)明的低溫滲碳還可在鈷基合金以及錳基合金上實(shí)踐。這樣的鈷基合金的示例包括MP35N和Biodur CMM,而這樣的猛基合金的示例包括 AISI201、AISI203EZ 和 Biodur08。根據(jù)本發(fā)明的低溫滲碳還可在例如包括Alloy2205、Alloy2507、Alloy2101和Alloy2003的各種雙煉鋼上實(shí)踐，以及在例如諸如Alloyl3_8、Alloyl5_5和Alloyl7_4的各種可時(shí)效硬化的合金上實(shí)踐。由于本發(fā)明可在包括但不局限于奧氏體、鐵素體。馬氏體、雙金屬(例如奧氏體/鐵素體)等的任何相結(jié)構(gòu)的金屬上實(shí)踐，所以根據(jù)本發(fā)明處理的金屬特定的相是不重要的。滲碳反應(yīng)器最常見地，通過如下方式完成滲碳將工件安置在滲碳反應(yīng)器中；將反應(yīng)器抽空至期望的真空水平；然后在維持反應(yīng)器中期望的真空水平的同時(shí)以合適的流率向反應(yīng)器供應(yīng)滲碳?xì)怏w。通過控制向反應(yīng)器供給的滲碳?xì)怏w和/或其成分的流率以及反應(yīng)器內(nèi)的真空水平來控制工件在滲碳期間實(shí)際接觸的滲碳?xì)怏w。當(dāng)然可使用使工件與滲碳?xì)怏w接觸的其他技術(shù)。滲碳溫度常規(guī)的低溫滲碳通常在低于550°C、通常大約450°C至525°C的反應(yīng)溫度進(jìn)行。相反，由于不飽和烴如此有活性，所以將乙炔或相似物用作碳源的改進(jìn)低溫滲碳可在通常大約350°C至510°C、但更普遍地350°C至450°C的更低的溫度進(jìn)行。如果需要，這些滲碳溫度中的任何溫度可用于發(fā)明方法。然而，由于350°C至510°C、更普遍地350°C至450°C的上述更低的滲碳溫度允許滲碳反應(yīng)更好的控制并導(dǎo)致較少的煙灰產(chǎn)生，所以通常采用上述更低的滲碳溫度。滲碳?xì)怏w根據(jù)本發(fā)明，使要滲碳的工件與包含作為滲碳種的乙炔或相似物的滲碳?xì)怏w接觸。關(guān)于這一點(diǎn)，“滲碳種”指的是滲碳?xì)怏w中的分解以產(chǎn)生用于滲碳反應(yīng)的元素碳的含碳化合物。除乙炔之外，基本上任何其他不飽和烴(“乙炔相似物”)可用作本發(fā)明的滲碳種，包括具有烯屬不飽和的烴、具有炔屬不飽和的烴和具有芳族不飽和的烴。關(guān)于這一點(diǎn)，“烴” 具有其普通含義，即在沒有其他元素存在的情況下僅由碳和氫組成的化合物。例如，可使用包括共軛和非共軛的單烯烴和聚烯烴的烯屬不飽和烴。乙烯、丙烯、丁烯和丁二烯是良好的示例。還可使用諸如乙炔和丙炔(C3H4)的炔屬不飽和烴。乙炔和C1-C6烯屬不飽和化合物由于低的成本和立即可用性而引起特別的注意。還可使用這些化合物的混合物。除該滲碳種(carburizing specie)之外,用于發(fā)明方法的滲碳?xì)怏w還包括附帶氣體。在這一點(diǎn)上，“附帶氣體”被理解成指的是如下的任何氣體，所述氣體在滲碳反應(yīng)期間遭遇的反應(yīng)條件下容易與氧反應(yīng)，并且另外不是不飽和烴。由于氫(H2)便宜并且可容易得到，所以其是優(yōu)選的。由于天然氣、丙烷、其他C1-C6烷屬烴及其他飽和烴在低溫滲碳涉及的高溫時(shí)容易與氧反應(yīng)，所以它們同樣被認(rèn)為適于該用途。另一方面，由于氮和其他惰性氣體在這些條件下不與氧反應(yīng)，所以它們不適于該用途。另外，由于乙炔及其他不飽和烴用作活性滲碳種，所以它們不是本發(fā)明的含義內(nèi)的“附帶氣體”。除滲碳種和附帶氣體之外，用于發(fā)明方法的滲碳?xì)怏w根據(jù)常規(guī)實(shí)踐還可包含還有的其他成分。因此，例如，滲碳?xì)怏w可包含諸如氮、氬等的合適的惰性稀釋氣體。還可使用其他的氣體，合乎需要的是避免使用相當(dāng)大的氧、氮、硼和/或任何其他非惰性元素(不同于碳和氫)的量，以避免將這樣的元素引入工件。真空條件根據(jù)本發(fā)明，將乙炔或相似物用作滲碳種的低溫滲碳在具有還包含附帶氣體的低真空條件下進(jìn)行。在這一點(diǎn)上，“低真空”被理解成指的是大約3. 5至100托( 500至
13,OOOPa)的總系統(tǒng)壓力。根據(jù)本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)的是，當(dāng)這樣進(jìn)行不銹鋼的低溫滲碳時(shí)，實(shí)際上可完全消除副產(chǎn)品煙灰和通常在常規(guī)的低溫滲碳期間出現(xiàn)的不合需要的熱氧化膜的形成。因此，根據(jù)本發(fā)明在不需要通常采取以去除這些不需要的副產(chǎn)品的一個(gè)或多個(gè)清潔步驟的情況下，能夠生產(chǎn)具有期望的有吸引力的閃亮金屬外觀的完美低溫滲碳不銹鋼產(chǎn)品。如上所述,授予Tanaka等的U. S. 7, 122, 086描述了通過與高度真空下、即I托( 133Pa(帕斯卡))或更低的總壓力下的乙炔接觸的低溫滲碳不銹鋼。盡管該方法減少副產(chǎn)品煙灰和熱氧化膜的形成，但殘留了足夠的這些不合需要的副產(chǎn)品，使得在獲得最終產(chǎn)品之前，仍然需要機(jī)械地和/或化學(xué)地清潔滲碳工件。盡管不希望束縛于任何理論，但認(rèn)為該結(jié)果至少部分地由于在工件所謂的“Beilby”層中發(fā)現(xiàn)的污染物，即在拋光、機(jī)械加工或其他表面破碎制造技術(shù)期間通過鋼的晶體結(jié)構(gòu)的錯(cuò)取向形成在鋼最外面的表面上的達(dá)到大約2. 5微米厚的非晶形層。除斷裂的顆粒結(jié)構(gòu)之外，還已知Beilby層包含在包括氧、濕氣、潤滑劑等的鋼的制造期間拾取的污染。根據(jù)本發(fā)明的該方面，人們認(rèn)為這些污染物、尤其地水和氧在常規(guī)的低溫滲碳期間可參與熱氧化膜副產(chǎn)品的形成。因此，根據(jù)本發(fā)明，在有相當(dāng)量的氫或其他附帶氣體的情況下，在包括明顯較高的總壓力(在Tanaka中 3. 5托的最小值相對(duì)I托的最大值)的“低真空”條件下進(jìn)行滲碳。結(jié)果，人們認(rèn)為，由于由與分解乙炔一起的該附帶氣體的組合產(chǎn)生的更強(qiáng)烈的還原條件，所以防止這些污染物、尤其地水和氧促進(jìn)熱氧化膜的形成。在任何情況下，根據(jù)本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)的是，只要(I)滲碳?xì)怏w的總壓力大約為3. 5至100托( 500至 13，OOOPa) ； (2)滲碳?xì)怏w中的乙炔或相似物的分壓力大約為O. 5至20托( 67至 2，666Pa);以及(3)在滲碳?xì)怏w中包括相當(dāng)量的附帶氣體，則實(shí)際上完全消除副產(chǎn)品煙灰和熱氧化膜的形成。滲碳?xì)怏w的最低總壓力至少為大約3-4托( 500Pa)的原因是明顯較低的壓力促進(jìn)不需要的熱氧化層副產(chǎn)品的形成。滲碳?xì)怏w的最高總壓力大約為100托( 13，OOOPa)的原因是明顯較高的壓力同樣促進(jìn)不需要的熱氧化層副產(chǎn)品的形成。在這一點(diǎn)上，實(shí)質(zhì)上可以商業(yè)上可行的價(jià)格得到的所有工業(yè)氣體至少包含某一水平的氧和濕氣污染物。當(dāng)滲碳?xì)怏w的總壓力開始超過大約100托( 13，OOOPa)時(shí)，從用于發(fā)明方法的氣體中的濕氣和/或氧污染物的不需要的熱氧化層副產(chǎn)品的形成開始明顯。因此，合乎需要地將用于發(fā)明方法的滲碳?xì)怏w的總壓力保持在或低于大約100托( 13，OOOPa)，以使從這些濕氣和/或氧污染物的該不合需要的副產(chǎn)品的形成最少。滲碳?xì)怏w中的乙炔或相似物的最低分壓力大約為O. 5托( 67Pa)的原因是明顯較低的分壓力在用于發(fā)明系統(tǒng)的“低真空”條件下提供不充分的滲碳。最后，滲碳?xì)怏w中的乙炔或相似物的最高分壓力大約為20托( 2，666Pa)的原因是明顯較高的分壓力促進(jìn)過量的煙灰形成。
因此，一般而言，用于發(fā)明方法的滲碳?xì)怏w的總壓力通常為大約3. 5至100托( 500至 13，OOOPa)。合乎需要的是大約4至75托( 533至 10，OOOPa)、4· 5至50托( 600至 6，666Pa)、5至25托( 666至 3，333Pa)、5· 5至15托( 733至 2，OOOPa)和甚至6至9托( 80至 1，200Pa)的總壓力。類似地，滲碳?xì)怏w中的乙炔或相似物的分壓力通常為大約O. 5至20托( 67至 2，666Pa)。大約O. 5至15托( 80 至 2，OOOPa)、0· 7 至 10 托( 93 至 1，333Pa)、0· 8 至 5 托( 107 至 666Pa)和O. 9至2. I托( 120至 280Pa)的分壓力更引起注意。這意味著基于更普遍的總體上具有大約3至50vol. %、4至45vol. %、7至40vol. %和甚至10至35vol. %的濃度的滲碳?xì)怏w，乙炔或其他滲碳種的濃度通常大約為< 50vol. K 40vol. 35vol. %或者甚至< 30vol. %。更引起注意的是如下的系統(tǒng)，其中總壓力大約為5至25托( 666至 3，333Pa)或者甚至6至9托(80_1，200Pa)，并且滲碳種的濃度大約為7至40vol. %或者甚至 10 至 35νο1. % ο如上所述，用于發(fā)明方法的滲碳?xì)怏w還包含相當(dāng)量的附帶氣體、優(yōu)選地氫H2。如以上進(jìn)一步指示地，該附帶氣體的功能是使工件經(jīng)歷的還原條件比否則出現(xiàn)的情形強(qiáng)烈，已發(fā)現(xiàn)的是，至少當(dāng)在上述低真空條件下實(shí)現(xiàn)發(fā)明方法時(shí)，與早在系統(tǒng)中的乙炔結(jié)合的該附帶氣體的存在實(shí)際上完全消除不需要的熱氧化副產(chǎn)品膜的形成。因此，在本發(fā)明的滲碳?xì)怏w中包括的氫或其他附帶氣體的量應(yīng)足以實(shí)現(xiàn)該功能。
在實(shí)踐方面，這意味著滲碳?xì)怏w的整個(gè)剩余部分、即不是由乙炔或相似物組成的所有滲碳?xì)怏w通常由氫或其他附帶氣體組成。這是因?yàn)樵诎l(fā)明方法所涉及的3. 5至100托( 500至 13，OOOPa)的相對(duì)低的總反應(yīng)壓力下，該剩余部分的總量相對(duì)小。因此，作為一個(gè)實(shí)際問題，將氮或其他惰性氣體引入系統(tǒng)中沒有得到實(shí)際的經(jīng)濟(jì)利益。上述W02006/136166指示，在其乙炔基滲碳?xì)怏w中可包括除氫(H2)之外的氮(N2)。然而，以或者接近大氣壓力實(shí)現(xiàn)在該國際專利中描述的滲碳過程。在這樣相對(duì)高的壓力下，有道理的是在滲碳?xì)怏w中包括相當(dāng)量的氮，以不僅減少昂貴的氫的消耗，而且?guī)椭刂茲B碳反應(yīng)并減少煙灰產(chǎn)生。然而，在大約100托( 13，OOOPa)或更低的低得多的總壓力下實(shí)現(xiàn)發(fā)明方法。在這些低得多的壓力下，氫消耗的費(fèi)用變得不太明顯。另外，由于由該低得多的壓力引起的固有地較小的乙炔和氫的量，所以反應(yīng)控制自然較容易。另外，不需要的煙灰的產(chǎn)生固有地較低。實(shí)際結(jié)果是，作為一個(gè)實(shí)際問題，在系統(tǒng)中包括氮或其他惰性氣體以降低成本、幫助反應(yīng)控制和減少煙灰產(chǎn)生是不必要的。因此，實(shí)現(xiàn)發(fā)明方法最實(shí)際的方式是由氫(H2)或其他附帶氣體構(gòu)成滲碳?xì)怏w的整個(gè)剩余部分、即不是由乙炔或相似物組成的所有滲碳?xì)怏w。另 一方面，如果需要，在系統(tǒng)中可包括氮或其他惰性氣體，只要足夠的氫或其他附帶氣體保留在系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)其如上所述的功能，即延遲熱氧化副產(chǎn)品層的形成。在實(shí)踐方面，這意味著滲碳?xì)怏w中的氫或其他附帶氣體的量至少為乙炔或相似物的量的大約兩倍。換句話說，氫或其他附帶氣體與乙炔或相似物的分壓力的比率通常至少大約為2。設(shè)想彡5、彡7、彡10、彡15、彡20、彡25、彡50和甚至彡100的分壓力比?；罨缟纤?，在可使不銹鋼低溫滲碳之前，通常處理該不銹鋼，以使其粘附的氧化鉻保護(hù)涂層對(duì)碳原子透明。通常，這通常以或者接近大氣壓力的壓力通過工件與活化氣體的接觸完成，所述活化氣體包括高溫、例如200至400°C的含鹵素氣體，例如HF、HC1、NF3、F2或Cl20最便利地，活化在活化與滲碳之間不從反應(yīng)器去除工件或者以另外的方式使工件暴露于大氣的情況下在與滲碳相同的反應(yīng)器中完成，因?yàn)檫@允許不太昂貴并且較容易地處理要使用的諸如HCl的氯基化合物。這些常規(guī)方法中的任何方法同樣可用于活化待由發(fā)明處理方法進(jìn)行低溫滲碳的不銹鋼工件。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，活化不僅在活化與滲碳之間不從反應(yīng)器去除工件或以另外的方式使工件暴露于大氣的情況下在與滲碳相同的反應(yīng)器中、而且在與滲碳反應(yīng)所涉及的相類似的條件規(guī)則下、即在基本上相同的“低”真空下、在基本上相同的溫度下和在有與用于滲碳步驟相同的附帶氣體的情況下完成。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，由于反應(yīng)器內(nèi)的溫度和總壓力可保持基本上僅與化學(xué)活性氣體的流量、即變化的活化步驟中的活化氣體、滲碳步驟中的滲碳種(如果需要，以及可能的附帶氣體)的流量相同，所以該方法大大地便于在整個(gè)過程期間的控制。這繼而顯著減小在活化與滲碳之間轉(zhuǎn)換所需的氣體流量變化的大小，這使得系統(tǒng)的整個(gè)控制更容易。如以下所進(jìn)一步討論地，該便于控制在本發(fā)明的工件經(jīng)受交替的活化與滲碳周期的某些附加的實(shí)施例中尤其有利。在該實(shí)施例中，活化和滲碳期間的反應(yīng)溫度通常保持基本上相同，因?yàn)檫@是最便利的。盡管例如350°C至450°C或者甚至510°C的這些溫度比通常在用于低溫滲碳的常規(guī)活化中所遭遇的(200°C至400°C)高，但尤其地如果活化氣體如以下所進(jìn)一步討論地被稍微稀釋，則這些溫度仍然是有效的。還可將不同的溫度用于活化和滲碳，但這樣做沒有特別的優(yōu)點(diǎn)。如果使用不同的溫度，則差通常不超過大約100°C、50°C、25°C或者甚至10°C。關(guān)于反應(yīng)壓力，如果需要,活化可在包括大氣壓力、低于大氣壓力和高于大氣壓力的任何壓力下完成。然而，根據(jù)該實(shí)施例，活化優(yōu)選地以或者接近用于滲碳步驟的“低真空”壓力完成，即3. 5至100托( 500至 13，OOOPa)、4至75托( 533至 10，OOOPa)、4. 5 至 50 托( 600 至 6，666Pa)、5 至 25 托( 666 至 3，333Pa)、5· 5 至 15 托( 733至 2，OOOPa)或者甚至6至9托( 80至 1，200Pa)。兩種不同的技術(shù)方案是典型的。在在關(guān)于壓力的第一技術(shù)方案中，總反應(yīng)壓力基本上保持與改變以考慮化學(xué)活性氣體的不同流動(dòng)速率的附帶氣體(如果有的話，以及系統(tǒng)中的惰性氣體)的流率相同。在這點(diǎn)上，滲碳?xì)怏w中的乙炔或其他滲碳種的濃度通常稍微比活化氣體混合物中的活化氣體的濃度高。因此，如果使用該方法，則當(dāng)從活化轉(zhuǎn)換成滲碳時(shí)降低附帶氣體的流率，以考慮化學(xué)活性氣體提高的流量。相反地，當(dāng)從滲碳轉(zhuǎn)換成活化時(shí)提高附帶氣體的流率，以考慮化學(xué)活性氣體減小的流量。
盡管反應(yīng)壓力在該方法的活化和滲碳期間基本上保持相同，但可能有壓力的差異。如果使用不同的壓力，則這些壓力之間的差通常不超過大約20托、15托、10托或者甚至5托。在關(guān)于壓力的第二技術(shù)方案中，附帶氣體的流動(dòng)速率保持與改變以適應(yīng)向反應(yīng)器供給的氣體的總量的變化的總壓力相同。如上所述，滲碳?xì)怏w中的乙炔或其他滲碳種的濃度通常稍微比活化氣體混合物中的活化氣體的濃度高。因此，如果使用該方法，則反應(yīng)室內(nèi)總的絕對(duì)壓力由于在該程序期間向反應(yīng)器供給的較高的氣體總量而在滲碳期間相對(duì)較高，并且由于在該程序期間向反應(yīng)器供給的較低的氣體總量而在活化期間相對(duì)較低。在該方法中，反應(yīng)壓力的變化與到反應(yīng)器的總氣體流率的變化成正比。例如，如果當(dāng)從活化轉(zhuǎn)換成滲碳時(shí)，向反應(yīng)器供給的氣體的總量的流率提高10%，則在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后的反應(yīng)器中的絕對(duì)壓力也提高10%。然而，如果需要，可使用反應(yīng)壓力的該變化的差異。如果想要差異，貝1J可使用該穩(wěn)態(tài)壓力±20%、±15%、±10%和甚至±5%的差異。如果需要，還可使用以上兩種壓力方法的混合。換句話說，當(dāng)從活化轉(zhuǎn)換成滲碳和從滲碳轉(zhuǎn)換成活化時(shí)，可改變附帶氣體的總流率，但不至于反應(yīng)壓力保持恒定。因?yàn)樵摶旌戏椒ń档蜑閴毫刂扑璧木?，所以其在使用大得多的反?yīng)容器的商業(yè)操作中可更加便利。只要反應(yīng)器內(nèi)的壓力保持在由第一壓力方法和第二壓力方法建立的穩(wěn)態(tài)壓力之間，就將實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)。至于用于該實(shí)施例的活化氣體，其可“純地”使用，即不存在任何其他氣體。然而，如上所述，活化氣體通常與用于滲碳步驟的相同附帶氣體(如果有的話，以及惰性氣體)結(jié)合，因?yàn)檫@是最便利的。然而，與在滲碳情況下一樣，由于所涉及的低的壓力，所以在系統(tǒng)中包括惰性氣體沒有實(shí)際的經(jīng)濟(jì)或技術(shù)利益，因此通常不使用惰性氣體。在任何情況下，當(dāng)附帶氣體(如果有的話，以及惰性氣體)與活化氣體結(jié)合時(shí)，在活化氣體混合物中、即在活化氣體與附帶氣體的混合物中可包括任何合適濃度的活化氣體。要用于特定的實(shí)施例的特定的濃度取決于許多因素，包括期望的活化條件的嚴(yán)重程度、為活化程序分配的時(shí)間、依據(jù)附帶氣體的流動(dòng)速率的活化與滲碳步驟之間期望的相似性等，并且能容易地通過例行試驗(yàn)確定該要用于特定的實(shí)施例的特定的濃度。典型的是活化氣體混合物中 O. Ivol. %至 30vol. % >0. 5vol. %至 10vol. %和甚至 1vol. %至 5vol. % 的活化氣體的濃度。使活化氣體產(chǎn)生脈動(dòng)根據(jù)本發(fā)明的又一特征，使到反應(yīng)器的活化氣體的供應(yīng)產(chǎn)生脈沖。換句話說，在活化步驟期間使該活化氣體的流率在上限值與下限值(包括零)之間產(chǎn)生脈動(dòng)。人們認(rèn)為，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐相比較，該方法使得能夠更加縮短活化實(shí)踐。使活化氣體產(chǎn)生脈動(dòng)能以各種不同的方式實(shí)現(xiàn).例如，在“純地”、即無稀釋劑地使用活化氣體的情況下，可通過在上限值與下限值之間重復(fù)地改變到反應(yīng)器的活化氣體的流率使活化氣體產(chǎn)生脈動(dòng)。此外，如果需要，在活化程序的過程期間可提高或降低這些上限值和下限值的水平，以實(shí)現(xiàn)工件經(jīng)歷的活化條件的嚴(yán)重程度對(duì)應(yīng)的提高或降低。同樣地，如果需要，在活化程序的過程期間可提高或降低每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間、每個(gè)脈沖的頻率或兩 者，以實(shí)現(xiàn)工件經(jīng)歷的活化條件的嚴(yán)重程度對(duì)應(yīng)的提高或降低。如上所述，在活化氣體與附帶氣體以及可選擇的惰性氣體結(jié)合的那些情形下同樣可使用相同的方法。例如，可在上限值與下限值之間使活化氣體混合物中的活化氣體的濃度產(chǎn)生脈動(dòng)，和/或可在上限值與下限值之間改變向反應(yīng)器供給的活化氣體的流動(dòng)速率。類似地，如果需要，在活化程序的過程期間可通過改變每個(gè)脈沖的大小、頻率和/或持續(xù)時(shí)間來提高或降低活化條件的嚴(yán)重程度。改變滲碳勢在我們較早的其公開在此同樣以參考的方式全文并入的U. S. 6，547，888中，我們描述了一種改進(jìn)的低溫滲碳過程，其中在滲碳反應(yīng)的過程期間改變不銹鋼工件經(jīng)歷的滲碳勢。假如以合適的方式實(shí)現(xiàn)該變化，則我們發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于常規(guī)實(shí)踐，能較快地完成總的滲碳反應(yīng)，減少的煙灰產(chǎn)生，或者兩者。如在該美國專利中所描述地，滲碳勢的這些變化包括(I)降低滲碳溫度；(2)滲碳?xì)怏w中較低的滲碳種濃度；⑶在將工件維持在高溫的同時(shí)中斷滲碳過程；以及⑷與在
(3)中一樣中斷滲碳過程，而且在該中斷期間通過與含鹵素氣體的接觸再活化工件。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，我們已發(fā)現(xiàn)，通過將在我們較早的U. S. 6，547，888中描述的技術(shù)應(yīng)用于在此描述的發(fā)明的低溫滲碳過程，我們能更進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)總的滲碳過程的改善。具體地，我們已發(fā)現(xiàn)，通過結(jié)合這兩種技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)完成滲碳反應(yīng)所花費(fèi)的總的時(shí)間的進(jìn)一步減少、在滲碳反應(yīng)期間產(chǎn)生的煙灰的量的進(jìn)一步減少或兩者。如在我們的'888專利中所描述地，方法(I)、即通過降低反應(yīng)溫度來改變滲碳勢預(yù)想利用比通常在滲碳的早期階段出現(xiàn)的情形高的反應(yīng)溫度，繼之以較晚階段的較低的反應(yīng)溫度。類似地，方法(2)、即通過降低滲碳?xì)怏w中的滲碳中的濃度來改變滲碳勢預(yù)想利用比通常在滲碳的早期階段出現(xiàn)的情形高的滲碳種濃度，繼之以較晚階段的較低的濃度。在該實(shí)施例中同樣遵循與“正?！睂?shí)踐的該相同的偏離。尤其地，該實(shí)施例可通過首先確定合適的“基線”滲碳條件組實(shí)現(xiàn)，其中發(fā)明過程在這些條件于整個(gè)滲碳反應(yīng)期間保持恒定的情況下實(shí)現(xiàn)。于是，可利用這些基線滲碳條件作為指導(dǎo)確定應(yīng)降低滲碳溫度的方式、應(yīng)降低滲碳?xì)怏w中的滲碳種的濃度的方式或兩者。這可容易地由例行試驗(yàn)完成。類似地，同樣可利用以上述方式確定的基線活化條件組合基線滲碳條件組通過例行試驗(yàn)容易地確定如何將'888專利的方法(3)(即在將工件維持在高溫的同時(shí)通過中斷滲碳來改變滲碳勢)用于本發(fā)明的技術(shù)和如何將^ 888專利的方法(4)(即在滲碳的中斷期間通過使工件與含鹵素氣體接觸來改變滲碳勢)用于本發(fā)明的技術(shù)。因此，例如，可用于通過發(fā)明方法低溫滲碳AISI316不銹鋼工件的基線恒定活化和反應(yīng)條件組包括在350°C至450°C和6至8托的壓力下，在具有4立方尺( 113升)的內(nèi)部體積的滲碳反應(yīng)器中，通過與在氫氣中包括Ivol. %的氯化氫的5升/分鐘的活化氣體混合物持續(xù)接觸達(dá)1/4至I小時(shí)來活化工件，繼之以在350°C至450°C的溫度和6至8托的壓力下，在相同的反應(yīng)器中通過與包括10%至35%的乙炔和平衡氫的滲碳?xì)怏w持續(xù)接觸達(dá)15至30小時(shí)來使工件滲碳。采用作為指導(dǎo)的該基線，可根據(jù)以下示例性變型中的任一變型實(shí)現(xiàn)在滲碳反應(yīng)的過程期間改變滲碳條件的，888專利的技術(shù)(a)和基線一樣，但用以與上述相同的方式進(jìn)行的預(yù)備滲碳步驟中斷工件的活化；
(b)和基線或(a) —樣，但用斜坡乙炔含量、即例如開始于20vol. %至35vol. %然后到滲碳結(jié)束之時(shí)降低至IOvol. %的持續(xù)降低的乙炔含量進(jìn)行主滲碳步驟(即在活化之后);(c)和基線或(a) —樣，但用滲碳?xì)怏w的脈沖流量進(jìn)行滲碳，每個(gè)脈沖例如包括I分鐘的上述富乙炔滲碳?xì)怏w的流量，繼之以14分鐘的100%的氫氣流量(在這點(diǎn)上，應(yīng)意識(shí)到的是，在此描述的滲碳?xì)怏w的脈沖流量正好是'888專利的方法(3)的另一示例，即在將工件維持在高溫的同時(shí)通過中斷滲碳來改變滲碳勢。)；(d)和(C) 一樣，其中例如通過使每個(gè)富乙炔脈沖的長度從滲碳早期的階段期間I分鐘的持續(xù)時(shí)間縮短至滲碳較晚的階段期間20秒的持續(xù)時(shí)間來使?jié)B碳?xì)怏w中的乙炔濃度產(chǎn)生脈沖，并向下斜降；(e)和(C) 一樣，其中用通過如下方式實(shí)現(xiàn)的乙炔濃度的向下斜降使?jié)B碳?xì)怏w中的乙炔濃度產(chǎn)生脈沖，并向下斜降使脈沖的頻率降低、例如通過使脈沖之間的時(shí)間從滲碳早期的階段期間的14分鐘提高至滲碳較晚的階段期間的29分鐘；(f)和(C) 一樣，其中用通過如下方式實(shí)現(xiàn)的乙炔濃度的向下斜降使?jié)B碳?xì)怏w中的乙炔濃度產(chǎn)生脈沖，并向下斜降利用相同持續(xù)時(shí)間的脈沖但降低連續(xù)脈沖中的乙炔濃度，例如通過將滲碳?xì)怏w中的乙炔濃度從滲碳早期的階段期間的大約20%至35%降低至滲碳較晚的階段期間的10% ；(g)和基線或(a) —樣，但用斜坡溫度、即開始于510°C持續(xù)達(dá)30分鐘、降低至450°C持續(xù)達(dá)120分鐘、繼之以進(jìn)一步降低至380°C持續(xù)達(dá)滲碳步驟的剩余部分的滲碳溫度進(jìn)行主滲碳步驟(即在活化之后)；(h)和基線或(a) —樣，但在滲碳溫度與在(g)中一樣向下斜降的情況下用與(C)中一樣的滲碳?xì)怏w的脈沖流量進(jìn)行滲碳；(i)和(h) —樣，但還與在(e)中一樣、即通過降低脈沖的頻率、例如通過使脈沖之間的時(shí)間從滲碳早期的階段期間的14分鐘提高至滲碳較晚的階段期間的29分鐘使?jié)B碳?xì)怏w中的乙炔濃度向下斜降；(j)和(h) —樣，但還與在(f)中一樣、即通過使用于每個(gè)脈沖的滲碳?xì)怏w中的乙炔濃度從滲碳早期的階段期間的大約20%至35%降低至滲碳較晚的階段期間的10%使?jié)B碳?xì)怏w中的乙炔濃度向下斜降；工作示例為了更詳盡地描述本發(fā)明，提供以下的工作示例。示例 I在進(jìn)行清潔以去除有機(jī)殘留物之后，將AISI316不銹鋼工件安置在具有4立方尺( 113升)的內(nèi)部體積的滲碳反應(yīng)器中，然后在將反應(yīng)器的內(nèi)部溫度升高至450°C的同時(shí)，將反應(yīng)器抽空至6托的氫壓力。然后在將反應(yīng)器的內(nèi)部溫度維持在450和將反應(yīng)器的內(nèi)部壓力維持在6托的同時(shí)，通過以大約5升/分鐘的流動(dòng)速率向反應(yīng)器連續(xù)供給在H2中包括Ivol. %的HCl的活化氣體來活化工件。在1/4小時(shí)之后，并且在不從反應(yīng)器取出工件或者以另外的方式使工件暴露于大氣的情況下，在將反應(yīng)器的內(nèi)部溫度維持在450°C和將反應(yīng)器的內(nèi)部壓力維持在6托的同 時(shí)，終止活化氣體到反應(yīng)器的流量，并用在氫(H2)中包括20vol. %的乙炔的滲碳?xì)怏w5升/分鐘的流量替代。這些條件基本上保持恒定持續(xù)達(dá)I小時(shí)，在該段時(shí)間，在不從反應(yīng)器取出工件或者以另外的方式使工件暴露于大氣的情況下重復(fù)以上的活化和滲碳步驟。換句話說，在使工件滲碳持續(xù)達(dá)I小時(shí)之后，終止第一滲碳步驟，并以第二活化步驟替代。這通過終止乙炔的流量、并開始新的HCl的流量和增加氫的流量完成，使得工件經(jīng)受與第一活化步驟基本上相同的第二活化步驟，即基本上相同的時(shí)間、基本上相同的溫度和基本上相同的活化氣體。在I小時(shí)之后，再次在不從反應(yīng)器取出工件或者以另外的方式使工件暴露于大氣的情況下，終止第二活化步驟，并且第二主滲碳步驟開始。這通過終止HCl的流量、開始新的乙炔的流量和降低氫的流量完成，使得工件暴露于與第一滲碳步驟相同的溫度、壓力和滲碳?xì)怏w成分條件。然后，在第二主滲碳步驟開始之后的大約3小時(shí)開始，為了使整個(gè)滲碳反應(yīng)進(jìn)行得比否則根據(jù)我們較早的U. S. 6，347，888的情形快，將滲碳?xì)怏w的滲碳勢從滲碳初始的階段期間的上限值降低至滲碳較晚的階段期間的下限值。這通過如下方式完成在第二滲碳步驟開始之后3小時(shí)開始以階梯式遞增方式將滲碳?xì)怏w中的乙炔濃度從20vol. %降低至15vol. %，然后在第二滲碳步驟開始之后5小時(shí)開始再次以階梯式增量方式將滲碳?xì)怏w中的乙炔濃度從15vol. %降低至IOvol. %。滲碳在這些條件(450°C、6托的總壓力、滲碳?xì)怏w中IOvol. %的乙炔濃度、平衡氫)下繼續(xù)達(dá)附加的9小時(shí)，之后滲碳完成。此時(shí)(在第二主滲碳步驟開始之后14小時(shí))，在以6托的壓力繼續(xù)氫的流動(dòng)速率的同時(shí)終止到滲碳反應(yīng)器的乙炔流量，直到工件大約冷卻至室溫為止。在從反應(yīng)器去除之后，檢查如此獲得的工件，并發(fā)現(xiàn)具有基本上無碳化物沉淀的近似16-18 μ深的硬化表面(即殼)，并具有大約700-800VickerS的近表面硬度。外觀檢查顯示出工件具有基本上無通常由于低溫滲碳而形成的表面粘附煙灰和熱氧化涂層的光澤的閃亮金屬表面，從而消除對(duì)任何后處理清潔的需求。示例 2除了在第二主滲碳步驟期間向滲碳反應(yīng)器供給乙炔的脈沖流量之外，重復(fù)示例I。初始地，以每15分鐘I個(gè)脈沖的頻率在I分鐘的脈沖中向滲碳反應(yīng)器供給5升/分鐘的包括20vol. %的乙炔/80vol. %的氫的滲碳?xì)怏w。在每個(gè)脈沖之間是14分鐘的間隔，在該間隔中向反應(yīng)器供給的滲碳?xì)怏w為5升/分鐘的100%的氫。在第二主滲碳步驟開始之后I小時(shí)，在每個(gè)間隔的持續(xù)時(shí)間延長20秒的同時(shí)將每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間從60秒減少至40秒，以保持脈沖的頻率相同。然后，在第二主滲碳步驟開始之后3小時(shí)，在每個(gè)間隔的持續(xù)時(shí)間又延長20秒的同時(shí)將再次每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間從40秒減少至20秒，以保持脈沖的頻率相同。滲碳在該第二次變化之后又繼續(xù)11 1/2小時(shí)(在第二主滲碳步驟中總共14 1/2小時(shí))，之后滲碳完成。然后使工件冷卻，從反應(yīng)器去除工件并以與以上示例I中相同的方式檢查工件。發(fā)現(xiàn)如此獲得的低溫滲碳工件具有基本上無碳化物沉淀的近似15-17 μ深的硬化表面(即殼)，并具有大約650-750VickerS的近表面硬度。外觀檢查顯示出該工件同樣基本上無表面粘附煙灰和淡黃色熱氧化物，以具有不需要后處理清潔的光澤的閃亮金屬表面。示例3
除以下項(xiàng)之外重復(fù)示例I :(a)在兩活化步驟期間，活化氣體到反應(yīng)器的流動(dòng)速率大約為12升/分鐘；(b)用于第一滲碳步驟的滲碳?xì)怏w由在H2中IOvol. %的乙炔組成；以及(c)第二滲碳步驟持續(xù)13. 5小時(shí)，并在整個(gè)第二滲碳步驟期間使用由在H2中IOvol. %的乙炔組成的滲碳?xì)怏w。獲得的滲碳工件的分析顯示出基本上無碳化物沉淀的近似18-20 μ深的硬化表面(即殼)，并具有大約800-900VickerS的近表面硬度。外觀檢查顯示出工件沒有由于低溫滲碳而形成的類型的熱氧化涂層，但有些表面面積的確帶有薄的粘附煙灰層。示例 4除了工件由Alloy 6M0(UNS N08367)制成之外，重復(fù)示例3，該Alloy 6M0是在指不 AL6XN 下可從 Allegheny Ludlum Corporation 獲得的由 Ni 25. 5/23. 5wt % >Mo 7/6wt%, N 0.25/0. 18wt%和余額Fe組成的高度合金化的不銹鋼。獲得的滲碳工件的分析顯示出基本上無碳化物沉淀的近似12-14μ深的硬化表面(即殼)，并具有大約900-1000Vickers的近表面硬度。外觀檢查顯示出工件具有基本上無通常由于低溫滲碳而形成的表面粘附煙灰和熱氧化涂層的光澤的閃亮金屬表面，從而消除對(duì)任何后處理清潔的需求。示例5除了活性氣體由在N2中Ivol. %的HCl組成之外，重復(fù)示例3。由于尤其地通過消除通過用于燃燒未消耗的H2的補(bǔ)燃器處理流出的活化氣體的需求，該方法允許流出的活性氣體較容易的處理，所以N2在該示例中用作活化氣體中的附帶氣體。獲得的滲碳工件的分析顯示出基本上無碳化物沉淀的近似14-16 μ深的硬化表面(即殼)，并具有大約800-900Vickers的近表面硬度。外觀檢查顯示出獲得的工件沒有由于低溫滲碳而形成的類型的熱氧化涂層，但有些表面面積的確帶有薄的粘附煙灰層。示例6除了活性氣體由在N2中Ivol. %的HCl組成之外，重復(fù)示例4。獲得的滲碳工件的分析顯示出基本上無碳化物沉淀的近似10-14 μ深的硬化表面(即殼)，并具有大約700-800Vickers的近表面硬度。外觀檢查顯示出工件具有基本上無通常由于低溫滲碳而形成的表面粘附煙灰和熱氧化涂層的光澤的閃亮金屬表面，從而消除對(duì)任何后處理清潔的需求。盡管以上僅描述了本發(fā)明的少數(shù)實(shí)施例，但應(yīng)意識(shí)到的是，在不偏離本發(fā)明的精 神和范圍的情況下可作出許多變型。所有這樣的變型確定為被包括在僅由所附權(quán)利要求所限制的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于通過氣體滲碳對(duì)由鐵、鎳或鉻基合金制成的工件進(jìn)行表面硬化的方法，其中所述工件在已升高的滲碳溫度下與滲碳?xì)怏w接觸，以使碳擴(kuò)散到所述工件表面中，從而形成基本上無碳化物沉淀的硬化主表面，其中 (1)所述滲碳?xì)怏w包含包括不飽和烴的滲碳種， (2)所述滲碳?xì)怏w中的所述滲碳種的分壓力大約為O.5至20托( 67至 2，666Pa), (3)所述滲碳?xì)怏w的總壓力大約為3.5至100托( 500至 13，OOOPa)，以及 (4)所述滲碳?xì)怏w還包含附帶氣體，所述附帶氣體包括會(huì)在所述已升高的滲碳溫度和總壓力下與氧反應(yīng)但不是不飽和烴的氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述工件由不銹鋼制成，并且其中所述滲碳?xì)怏w中的所述附帶氣體的分壓力為所述滲碳種的分壓力的至少兩倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中所述滲碳?xì)怏w包括乙炔和氫。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述滲碳?xì)怏w基本上無惰性氣體。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述滲碳?xì)怏w的總壓力大約為5-25托( 666至 3，333Pa),而所述滲碳?xì)怏w中的滲碳種的濃度大約為7_40vol. %。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述滲碳?xì)怏w的總壓力大約為6-9托(80至l，200Pa)，而所述滲碳?xì)怏w中的滲碳種的濃度大約為10-35vol. %。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在所述滲碳反應(yīng)的過程期間改變所述滲碳?xì)怏w的滲碳勢。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述滲碳在滲碳反應(yīng)器中進(jìn)行，并且其中通過使得滲碳種至所述滲碳反應(yīng)器的流率產(chǎn)生脈動(dòng)來改變所述滲碳勢。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中通過如下方式中的至少一種來改變所述滲碳?xì)怏w的滲碳勢(I)通過將所述反應(yīng)溫度從在滲碳的較早階段期間的較高的反應(yīng)溫度降低至在滲碳的較晚階段期間的較低反應(yīng)溫度；以及(2)通過將所述滲碳?xì)怏w中的滲碳種的濃度從在滲碳的較早階段期間的較高的濃度降低至在滲碳的較晚階段期間的較低濃度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中通過如下方式中的至少一種改變所述滲碳?xì)怏w的滲碳勢(3)中斷所述滲碳反應(yīng)器的滲碳種的流量；以及(4)中斷所述滲碳反應(yīng)器的滲碳種的流量，并且另外在該中斷期間使所述工件與含鹵素氣體接觸。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過與活化氣體接觸來活化所述工件，活化和滲碳在相同的反應(yīng)器中完成，在活化與滲碳步驟期間不從所述反應(yīng)器移除所述工件或以另外的方式使所述工件暴露于大氣。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過與包括所述活化氣體和所述附帶氣體的混合物的活化氣體混合物相接觸，所述工件被以活化壓力和已升高的活化溫度來活化，其中所述活化與滲碳溫度相差不超過100°C，并且其中所述活化與滲碳?jí)毫ο嗖畈怀^20托。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述活化與滲碳溫度相差不超過50°C，并且其中所述活化與滲碳?jí)毫ο嗖畈怀^10托。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)所述的方法，其中，活化期間在所述反應(yīng)器中的活化氣體混合物的絕對(duì)壓力，與滲碳期間在所述反應(yīng)器中的滲碳?xì)怏w的絕對(duì)壓力相差不超過+10% ο
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過如下方式在滲碳反應(yīng)器內(nèi)活化由不銹鋼制成的工件使在氫氣中包括O. Ivol. %至20vol. %的氯化氫的混合物的活化氣體流入所述反應(yīng)器，并在350°C至510°C和3. 5至100托的壓力下接觸所述工件持續(xù)達(dá)1/4小時(shí)至4小時(shí)，之后在不從所述滲碳反應(yīng)器移除所述工件的情況下在主滲碳步驟中使所述工件滲碳。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，使在氫氣中包括O.5vol. %至10vol. %的氯化氫的混合物的活化氣體流入所述反應(yīng)器并在350°C至450°C和5至25托的壓力下接觸所述工件，之后在不從所述滲碳反應(yīng)器移除所述工件的情況下在主滲碳步驟中通過如下方式使所述工件滲碳使包括7%至40%的乙炔和平衡氫的滲碳?xì)怏w流入所述反應(yīng)器并從而使之在350°C至450°C的溫度和5至25托的壓力下接觸所述工件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，使在氫氣中包括O.Ivol. %至5%1. %的氯化氫的混合物的活化氣體流入所述反應(yīng)器并在350°C至450°C和6托至9托的壓力下接觸所述工件，之后在不從所述滲碳反應(yīng)器移除所述工件的情況下在主滲碳步驟中通過如下方式使所述工件滲碳使包括10%至35%的乙炔和平衡氫的滲碳?xì)怏w流入所述反應(yīng)器并從而使之在6至9托的壓力下接觸所述工件。
18.根據(jù)權(quán)利要求15-17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，中斷到所述反應(yīng)器的活化氣體的流量，在該中斷期間，所述工件經(jīng)受預(yù)備滲碳步驟，在所述預(yù)備滲碳步驟中，所述工件在350°C至450°C的溫度和6至9托的壓力下與包括10%至35%的乙炔和平衡氫的滲碳?xì)怏w接觸持續(xù)達(dá)1/4小時(shí)至I小時(shí)，之后恢復(fù)所述工件的活化。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，在完成所述工件的活化之后，在主滲碳步驟中使所述工件滲碳，在主滲碳步驟中所述工件與滲碳?xì)怏w接觸，所述滲碳?xì)怏w的乙炔含量從大約20vol. %至35vol. %的初始值降低至大約IOvol. %的最終值。
20.根據(jù)權(quán)利要求15-19中任一項(xiàng)所述的方法，其中，使(a)和(b)中的至少一項(xiàng)的流率產(chǎn)生脈動(dòng)(a)到所述滲碳反應(yīng)器的活化氣體的氯化氫含量；以及(b)到所述滲碳反應(yīng)器的滲碳?xì)怏w的乙炔含量。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，使在所述主滲碳步驟期間向所述滲碳反應(yīng)器供給的滲碳?xì)怏w的乙炔含量產(chǎn)生脈動(dòng)，并且其中通過如下方式在所述主滲碳步驟的過程期間降低所述滲碳?xì)怏w的滲碳勢 降低這些脈動(dòng)的頻率； 縮短這些脈動(dòng)的持續(xù)時(shí)間； 降低在這些脈動(dòng)期間向所述反應(yīng)器供給的所述滲碳?xì)怏w中的滲碳種的濃度；或者 以上方式的組合。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，使在所述活化步驟期間到所述反應(yīng)器的活化氣體的流量產(chǎn)生脈動(dòng)，并且其中通過如下方式在所述活化處理的過程期間降低所述活化處理的強(qiáng)度 降低這些脈動(dòng)的頻率； 縮短這些脈動(dòng)的持續(xù)時(shí)間； 降低在這些脈動(dòng)期間向所述反應(yīng)器供給的所述活化氣體中的活化氣體的濃度；或者 以上方式的組合。
23.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法， 其中滲碳在滲碳反應(yīng)器中進(jìn)行， 其中在所述滲碳反應(yīng)的過程期間通過如下方式中的至少一種改變所述滲碳?xì)怏w的滲碳勢(1)降低所述滲碳溫度；(2)降低所述滲碳?xì)怏w中的滲碳種的濃度；(3)在將所述工件維持在已升高溫度的同時(shí)中斷所述滲碳過程；以及(4)在將所述工件維持在已升高溫度的同時(shí)中斷所述滲碳過程，并且另外在該中斷期間通過與含鹵素氣體的接觸再活化所述工件，并且 其中通過使向所述滲碳反應(yīng)器供給的所述滲碳種的流率產(chǎn)生脈動(dòng)來附加地改變所述滲碳勢。
24.一種用于在不需要從工件表面去除副產(chǎn)品煙灰或熱氧化物的情況下、生產(chǎn)具有閃亮的金屬外觀的表面硬化的耐蝕不銹鋼工件的方法，所述方法包括在如下條件下使所述工件與滲碳?xì)怏w接觸時(shí)間和溫度足夠使碳擴(kuò)散到所述工件表面中，從而形成基本上無碳化物沉淀的硬化主表面層，但不足以在顯著的程度上使副產(chǎn)品煙灰或熱氧化物形成，其中 (1)所述滲碳?xì)怏w包括乙炔和氫； (2)所述滲碳?xì)怏w中的乙炔的分壓力大約為O.5至20托( 67至 2，666Pa);以及 (3)所述滲碳?xì)怏w的總壓力大約為3.5至100托( 500至 13，OOOPa)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述滲碳?xì)怏w中的氫與乙炔的摩爾比率為至少2 I0
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中在所述工件與所述滲碳?xì)怏w的接觸之前，使所述工件與包括氫和含鹵素氣體的混合物的活化氣體接觸。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，在與所述活化氣體和所述滲碳?xì)怏w接觸之間，在不暴露所述工件使之與大氣接觸的情況下，在所述相同的滲碳反應(yīng)器中使所述工件與所述活化氣體和所述滲碳?xì)怏w接觸。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中使到所述滲碳反應(yīng)器的(a)和(b)中的至少一項(xiàng)的流率產(chǎn)生脈動(dòng)(a)所述活化氣體；以及(b)所述滲碳?xì)怏w中的乙炔。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中使所述脈沖的持續(xù)時(shí)間和所述脈沖的頻率中的至少一個(gè)從在滲碳的早期階段的較高值縮小至在滲碳的較晚階段的相對(duì)較低值，使得所述滲碳?xì)怏w的滲碳勢在所述滲碳反應(yīng)的過程期間降低。
30.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中在所述滲碳反應(yīng)的過程期間通過如下方式中的至少一種改變所述滲碳?xì)怏w的滲碳勢(I)降低所述滲碳溫度；(2)降低所述滲碳?xì)怏w中的滲碳種的濃度；(3)在將所述工件維持在已升高溫度的同時(shí)中斷所述滲碳過程；以及(4)在將所述工件維持在已升高溫度的同時(shí)中斷所述滲碳過程，并且另外在該中斷期間通過與含鹵素氣體的接觸再活化所述工件。
全文摘要
在有氫或其他附帶氣體的情況下在低真空的條件下進(jìn)行不銹鋼的將乙炔用作滲碳種的低溫滲碳。結(jié)果，實(shí)際上完全消除煙灰和通常在低溫滲碳期間出現(xiàn)的不合需要的熱氧化膜的形成。
文檔編號(hào)C23C8/00GK102844459SQ201080035086
公開日2012年12月26日 申請日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月7日
發(fā)明者皮特·C·威廉姆斯, 森尼瓦·R·柯林斯, 史蒂文·V·馬克斯 申請人:世偉洛克公司