專利名稱：真空碳氮共滲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在減壓下進(jìn)行真空碳氮共滲的方法。
背景技術(shù)：
作為對(duì)齒輪、軸承、燃料噴嘴、等速接頭等鋼制汽車部件進(jìn)行滲碳處理的真空滲碳方法，目前已經(jīng)知道使用乙烯氣體作為滲碳?xì)怏w，將真空熱處理爐內(nèi)減壓至1-10kPa進(jìn)行滲碳的方法(參見日本特開平11-315363號(hào)公報(bào))。
但是，在以往的方法中，將裝載了許多被處理工件的籃筐放置在真空熱處理爐內(nèi)可以保證溫度均一性的有效加熱空間中進(jìn)行真空滲碳時(shí)，由于在籃筐中裝載的位置不同，被處理工件上產(chǎn)生滲碳不均勻，裝載位置不同的被處理工件的有效硬化層深度(滲碳深度)和表面碳濃度等滲碳質(zhì)量出現(xiàn)不均一的問題。
作為解決這個(gè)問題的真空滲碳方法，本申請(qǐng)人以前曾提出過(guò)使用乙烯氣體與氫氣的混合氣體作為滲碳?xì)怏w的方法(參見日本特開2001-262313號(hào)公報(bào))。
采用上述本申請(qǐng)人提出的真空滲碳方法，即使在真空熱處理爐內(nèi)的可以保證溫度均一性的有效加熱空間中配置許多被處理工件進(jìn)行滲碳的情況下，也可以防止在所有的被處理工件中產(chǎn)生滲碳不均，從而可以使所有的被處理工件的滲碳品質(zhì)保持均一。
但是，采用上述日本特開2001-262313號(hào)公報(bào)中記載的方法時(shí)，低級(jí)鋼(例如含有較多量的MnS等雜質(zhì)的鋼)、低合金鋼以及低碳鋼在滲碳后急冷淬火時(shí)不能硬化，無(wú)法得到足夠的表面硬度和有效硬化層深度。另外，在該方法中，如果為了在低級(jí)鋼中獲得表面硬化層，在向真空熱處理爐內(nèi)導(dǎo)入乙烯氣體和氫氣的同時(shí)還導(dǎo)入氨氣，則殘余奧氏體增多，或者容易析出滲碳體。特別是在乙烯氣體和氫氣的基礎(chǔ)上還同時(shí)導(dǎo)入氨氣的情況下，為了增大有效硬化層的深度，必須延長(zhǎng)處理的時(shí)間，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高。此外，在表面硬化鋼的情況下，表層部析出許多滲碳體而變脆，容易產(chǎn)生裂紋。
本發(fā)明是為了解決上述問題而完成的。本發(fā)明的目的是，提供可以在較短的時(shí)間內(nèi)、以良好的再現(xiàn)性在由低級(jí)鋼或表面硬化鋼構(gòu)成的被處理工件中獲得表面硬度、有效硬化層深度以及韌性等必要的熱處理品質(zhì)的真空碳氮共滲方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明第1項(xiàng)發(fā)明所述的碳氮共滲方法，其特征在于，在減壓的真空熱處理爐內(nèi)將被處理工件加熱至規(guī)定的滲碳溫度，然后向爐內(nèi)供給滲碳?xì)怏w，進(jìn)行真空滲碳處理，接著，在保持滲碳溫度的狀態(tài)下停止供給滲碳?xì)怏w，在減壓狀態(tài)下使碳在被處理工件中擴(kuò)散，降低爐內(nèi)溫度后，向減壓狀態(tài)的爐內(nèi)供給氮化氣體，進(jìn)行氮化處理。
采用第1項(xiàng)發(fā)明的真空碳氮共滲方法，即使是由低級(jí)鋼構(gòu)成的被處理工件，也能防止表層部的殘余奧氏體量過(guò)剩，提高表面硬度，同時(shí)，可以在比較短的時(shí)間內(nèi)增大有效硬化層深度。而且，可以簡(jiǎn)便地控制有效硬化層深度，以良好的再現(xiàn)性獲得所希望深度的有效硬化層深度。另外，即使是由表面硬化鋼構(gòu)成的被處理工件，也可以減少在表層部中的滲碳體的析出量，提高韌性，防止產(chǎn)生裂紋。
第2項(xiàng)發(fā)明所述的真空碳氮共滲方法是，在第1項(xiàng)發(fā)明的方法中，使用乙烯氣體與氫氣的混合氣體作為滲碳?xì)怏w。
第3項(xiàng)發(fā)明所述的真空碳氮共滲方法是，在第1或2項(xiàng)發(fā)明的方法中，基于氮化處理的時(shí)間來(lái)控制緊接在氮化處理后進(jìn)行的淬火之后的被處理工件的有效硬化層深度。在這種情況下，通過(guò)改變氮化時(shí)間，可以再現(xiàn)性良好地獲得各種深度的有效硬化層。


圖1表示本發(fā)明真空碳氮共滲方法處理工藝過(guò)程。
圖2是表示采用本發(fā)明的方法進(jìn)行了真空碳氮共滲處理的被處理工件的表層部碳濃度和氮濃度的示意圖。
圖3表示實(shí)施例1-3和比較例中使用的被處理工件的縱剖面圖。
圖4是表示按照實(shí)施例1進(jìn)行真空碳氮共滲處理的被處理工件表層部硬度分布的曲線圖。
圖5是表示按照實(shí)施例2進(jìn)行真空碳氮共滲處理的被處理工件的表層部硬度分布的曲線圖。
圖6是表示按照實(shí)施例3進(jìn)行真空碳氮共滲處理的被處理工件的表層部硬度分布的曲線圖。
圖7是表示按照比較例進(jìn)行真空碳氮共滲處理的被處理工件的表層部硬度分布的曲線圖。
圖8是表示實(shí)施例1-3中的氮化時(shí)間與有效硬化層深度關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖1表示本發(fā)明的真空碳氮共滲方法的處理工藝過(guò)程。
如圖1所示，碳氮共滲是按照如下進(jìn)行的，即，將被處理工件裝入真空熱處理爐內(nèi)后，用真空排氣裝置使?fàn)t內(nèi)減壓。然后，將爐內(nèi)加熱至規(guī)定的滲碳溫度進(jìn)行預(yù)熱處理，之后一邊向爐內(nèi)供給滲碳?xì)怏w(例如乙烯氣體與氫氣的混合氣體)，一邊進(jìn)行滲碳處理。接著，停止供給乙烯氣體和氫氣，在與滲碳溫度相等的擴(kuò)散溫度下進(jìn)行擴(kuò)散處理。隨后，使?fàn)t內(nèi)溫度降低至規(guī)定的氮化溫度后，一邊供給氮化氣體例如氨氣，一邊進(jìn)行氮化處理，最后進(jìn)行油淬火。從真空熱處理爐內(nèi)的加熱開始到氮化處理結(jié)束，持續(xù)用真空排氣裝置進(jìn)行爐內(nèi)排氣。
在上述的處理工藝中，滲碳溫度在870-1050℃為宜，例如930-950℃，氮化溫度為780-900℃并且比滲碳溫度要低。預(yù)熱時(shí)間根據(jù)滲碳溫度和被處理工件的形狀而有所不同，一般是35-40分鐘。滲碳時(shí)間、擴(kuò)散時(shí)間和氮化時(shí)間依據(jù)想要得到的有效硬化層深度而改變。從滲碳溫度到氮化溫度的降溫速度，因一次處理的被處理工件的重量(裝載重量)的改變而改變。另外，滲碳時(shí)的爐內(nèi)壓力在3-9kPa為宜，氮化時(shí)的爐內(nèi)壓力在3-9kPa為宜。
在按圖1所示的工藝過(guò)程進(jìn)行真空碳氮共滲處理的情況下，在被處理工件的表層部，如圖2所示，距表面的深度越大，碳濃度(參見圖2中的實(shí)線)和氮濃度(參見圖2中的虛線)越低。另外，氮化時(shí)間越長(zhǎng)，氮濃度越高。
下面說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例以及比較例。
作為被處理工件，使用由JIS SWCH10R構(gòu)成的如圖3所示形狀的推桿用杯形端頭(1)。該杯形端頭(1)的總長(zhǎng)度L是13.5mm，外徑D是14mm，具有球形的凹部(2)。凹部(2)的內(nèi)徑d是4.5mm。
實(shí)施例1將多個(gè)杯形端頭(1)以凹部(2)的開口朝下的姿態(tài)裝載在二層籃筐的下層，同時(shí)，在二層籃筐的上層裝載多個(gè)樣品，將該二層籃筐放置在真空熱處理爐內(nèi)的溫度均一性可以保證的有效加熱空間內(nèi)。杯形端頭(1)的總重量是17.5kg，杯形端頭、樣品、籃筐和托架的總重量是75.5kg。
用8分鐘將真空熱處理爐內(nèi)減壓至0.14kPa，然后，用14分鐘將爐內(nèi)的有效加熱空間加熱至930℃，在該溫度下保持40分鐘進(jìn)行預(yù)熱處理。預(yù)熱處理后，一面向熱處理爐內(nèi)供給乙烯氣體和氫氣，一面在7-8kPa的壓力下于930℃下保持100分鐘進(jìn)行滲碳處理。此時(shí)，乙烯氣體的流量控制在20升/分，氫氣的流量控制在10升/分。滲碳處理后停止供給乙烯氣體和氫氣在930℃保持80分鐘進(jìn)行擴(kuò)散處理。接著，用34分鐘降溫至850℃，然后一面向爐內(nèi)供給氨氣，一面在2-4kPa的壓力下和850℃溫度下保持180℃進(jìn)行氮化處理。氮化處理之后，在由Dufnyquench(ダフニ-クエンチ)HV(出光公司制造)構(gòu)成的油溫60℃的淬火油中淬火，油冷20分鐘。油面壓是10kPa，使用油攪拌機(jī)以440rpm的轉(zhuǎn)速攪拌淬火油。最后，在150℃下保持90分鐘進(jìn)行回火處理。這樣，對(duì)杯形端頭(1)進(jìn)行了真空碳氮共滲處理。
實(shí)施例2將氮化處理時(shí)間改為120分鐘，除此之外與實(shí)施例1同樣操作，對(duì)杯形端頭(1)進(jìn)行真空碳氮共滲處理。
實(shí)施例3將氮化處理時(shí)間改為60分鐘，除此之外與實(shí)施例1同樣操作，對(duì)杯形端頭(1)進(jìn)行真空碳氮共滲處理。
比較例與實(shí)施例1同樣，將杯形端頭(1)與樣品一起裝載到籃筐中。
用10分鐘將真空熱處理爐內(nèi)減壓至0.14kPa以下，然后，用10分鐘將爐內(nèi)的有效加熱空間加熱至850℃，在該溫度下保持40分鐘進(jìn)行預(yù)熱處理。預(yù)熱處理后，一邊向熱處理爐內(nèi)供給乙烯氣體、氫氣和氨氣，一邊在4-5kPa的壓力下于850℃下保持160分鐘進(jìn)行滲碳處理。此時(shí)，乙烯氣體的流量控制在10升/分，氫氣的流量控制在5升/分，氨氣的流量控制在10升/分。滲碳處理后停止供給乙烯氣體、氫氣和氨氣，然后，在由Dufnyquench(ダフニ-クエンチ)HV(出光公司制造)構(gòu)成的油溫60℃的淬火油中淬火，油冷20分鐘。油面壓是10kPa，使用油攪拌機(jī)以440rpm的轉(zhuǎn)速攪拌淬火油。最后，在150℃下保持90分鐘進(jìn)行回火處理。這樣，對(duì)杯形端頭(1)進(jìn)行了真空碳氮共滲處理。
評(píng)價(jià)試驗(yàn)按照J(rèn)IS G0577規(guī)定的方法，測(cè)定實(shí)施例1-3和比較例的經(jīng)過(guò)真空碳氮共滲處理的各杯形端頭(1)的凹部(2)的底面的最深部P(參見圖3)的硬度，對(duì)于實(shí)施例1和2，求出從上述最深部P的最表面到0.1-1.5mm深度部分的硬度分布。對(duì)于實(shí)施例3，求出從上述最深部P的最表面到0.1-1.0mm深度部分的硬度分布。另外，對(duì)于比較例，求出從上述最深部P的最表面到0.1-1.2mm深度部分的硬度分布。圖4中示出實(shí)施例1的結(jié)果，圖5中示出實(shí)施例2的結(jié)果，圖6中示出實(shí)施例3的結(jié)果，圖7中示出比較例的結(jié)果。
由圖4可以看出，對(duì)于實(shí)施例1，距最深部P的最表面0.1mm深度部分的硬度是Hv744，具有Hv550硬度的有效硬化層深度是0.55mm。
由圖5可以看出，對(duì)于實(shí)施例2，距最深部P的最表面0.1mm深度部分的硬度是Hv770，具有Hv550硬度的有效硬化層深度是0.44mm。
由圖6可以看出，對(duì)于實(shí)施例3，距最深部P的最表面0.1mm深度部分的硬度是Hv740，具有Hv550硬度的有效硬化層深度是0.31mm。
圖8中示出實(shí)施例1-3中的氮化時(shí)間與有效硬化層深度的關(guān)系。如圖8中所示，有效硬化層深度與氮化時(shí)間與正比。
由圖7可以看出，對(duì)于比較例，距最深部P的最表面0.1mm深度部分的硬度是Hv730，具有Hv550硬度的有效硬化層深度是0.22mm。另外，根據(jù)計(jì)算，為了使具有Hv550硬度的有效硬化層深度達(dá)到0.55mm，碳氮共滲處理時(shí)間必須達(dá)到560分鐘。
此外，觀察實(shí)施例1-3的經(jīng)過(guò)真空碳氮共滲處理的各杯形端頭(1)的凹部(2)的底面最深部P的表層部觀察時(shí)，未發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體和滲碳體，形成了良好的回火馬氏體組織。與此相對(duì)，對(duì)比較例的經(jīng)過(guò)真空碳氮共滲處理的各杯形端頭(1)的凹部(2)的底面最深部P的表層部進(jìn)行觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在大量的殘余奧氏體和滲碳體。而且，在杯形端頭(1)的表面上附著有大量的炭黑。
如上所述，本發(fā)明的真空碳氮共滲處理方法可以用于對(duì)低級(jí)鋼和表面硬化鋼進(jìn)行碳氮共滲處理，特別是由低級(jí)鋼和表面硬化鋼構(gòu)成的被處理工件，可以在較短的時(shí)間內(nèi)以良好的再現(xiàn)性獲得表面硬度、有效硬化層深度和韌性等必需的熱處理品質(zhì)。
權(quán)利要求
1.真空碳氮共滲方法，其特征在于，在減壓的真空熱處理爐內(nèi)將被處理工件加熱至規(guī)定的滲碳溫度，然后向爐內(nèi)供給滲碳?xì)怏w，進(jìn)行真空滲碳處理，接著，在保持滲碳溫度的狀態(tài)下停止供給滲碳?xì)怏w，在減壓狀態(tài)下使碳向被處理工件中擴(kuò)散，接著，降低爐內(nèi)溫度后，向減壓狀態(tài)的爐內(nèi)供給氮化氣體，進(jìn)行氮化處理。
2.權(quán)利要求1所述的真空碳氮共滲方法，其中，使用乙烯氣體與氫氣的混合氣體作為滲碳?xì)怏w。
3.權(quán)利要求1或2所述的真空碳氮共滲方法，其中，基于氮化處理的時(shí)間來(lái)控制緊接在氮化處理后進(jìn)行的急冷之后的被處理工件的有效硬化層深度。
全文摘要
本發(fā)明的真空碳氮共滲方法，其特征在于，在減壓的真空熱處理爐內(nèi)將被處理工件加熱至規(guī)定的滲碳溫度，然后向爐內(nèi)供給滲碳?xì)怏w，進(jìn)行真空滲碳處理，接著，在保持滲碳溫度的狀態(tài)下停止供給滲碳?xì)怏w，在減壓狀態(tài)下使碳向被處理工件中擴(kuò)散，接著，降低爐內(nèi)溫度后，向減壓狀態(tài)的爐內(nèi)供給氮化氣體，進(jìn)行氮化處理。即使是由低級(jí)鋼或表面硬化鋼構(gòu)成的被處理工件，也可以在較短的時(shí)間內(nèi)、以良好的再現(xiàn)性獲得表面硬度、有效硬化層深度和韌性等必需的熱處理品質(zhì)。
文檔編號(hào)C23C8/32GK1558961SQ0182368
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2001年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月13日
發(fā)明者山口和嘉 申請(qǐng)人:光洋熱系統(tǒng)株式會(huì)社