專(zhuān)利名稱(chēng)：氣體滲碳方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)用于汽車(chē)工業(yè)或機(jī)械工業(yè)等的鋼制部件進(jìn)行氣體滲碳的方法。
背景技術(shù)：
在對(duì)鋼制處理對(duì)象物進(jìn)行氣體滲碳時(shí)，通過(guò)提高滲碳溫度可縮短滲碳處理時(shí)間。但滲碳溫度過(guò)高的話(huà)，處理對(duì)象物會(huì)熔化。為此，以往所用的滲碳溫度定在不到從液相相變?yōu)棣描F和滲碳體的低共熔點(diǎn)(eutectic point)溫度(如圖1所示的鐵和碳的平衡狀態(tài)圖中的C點(diǎn)溫度1147℃)，通常在1050℃以下。
為在以往的滲碳溫度下使?jié)B碳處理時(shí)間縮短，對(duì)處理對(duì)象物進(jìn)行滲碳處理而使其表面的碳濃度高于最終目標(biāo)值，此后，在碳濃度比滲碳?xì)夥盏偷母邷貧夥罩校M(jìn)行使處理對(duì)象物表面的碳擴(kuò)散的擴(kuò)散處理以使其表面碳濃度降至最終目標(biāo)值(參考日本特許公報(bào)平6-45868號(hào))。
但是，由于限制滲碳溫度不到低共熔點(diǎn)溫度，也限制了處理對(duì)象物中碳原子的擴(kuò)散速度，所以不能大幅度縮短滲碳時(shí)間。即因?yàn)閿U(kuò)散處理需要長(zhǎng)時(shí)間，所以存在生產(chǎn)率下降的問(wèn)題。
本發(fā)明的目的是提供一種能解決上述以往所存在的問(wèn)題的氣體滲碳方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明氣體滲碳方法的一個(gè)特征是它包括2個(gè)工序于在從δ鐵和液相相變?yōu)棣描F的包晶點(diǎn)溫度以下、從液相相變?yōu)棣描F和滲碳體的低共熔點(diǎn)溫度以上的滲碳溫度，預(yù)先求得滲碳?xì)夥罩袖撝铺幚韺?duì)象物的樣品表層不熔融而被奧氏體化的臨界滲碳條件的工序；于在該包晶點(diǎn)溫度以下、低共熔點(diǎn)溫度以上的滲碳溫度，并在不違反上述臨界滲碳條件而設(shè)定的滲碳條件下對(duì)該處理對(duì)象物進(jìn)行氣體滲碳的工序；該臨界滲碳條件包括樣品的表層不熔融而被奧氏體化的滲碳?xì)夥罩袧B碳?xì)怏w分壓的上限值。
即，通過(guò)將處理對(duì)象物加熱至可能的高溫并在奧氏體化的狀態(tài)下進(jìn)行氣體滲碳，可使?jié)B碳時(shí)間縮短。通過(guò)提高滲碳?xì)夥罩袧B碳?xì)怏w濃度就可防止處理對(duì)象物的硬化層變淺，同時(shí)短時(shí)間內(nèi)可得到有足夠厚度的硬化層。
處理對(duì)象物被加熱至圖1所示的鐵和碳平衡狀態(tài)圖中的GS線及ES線以上的溫度而被奧氏體化。若處理對(duì)象物表面的碳濃度超過(guò)JE線的話(huà)，其表層開(kāi)始熔融。對(duì)滲碳溫度和滲碳時(shí)間等滲碳條件，本發(fā)明者分別發(fā)現(xiàn)存在有處理對(duì)象物表層不熔融的滲碳?xì)怏w分壓的上限值，而該上限值隨著滲碳溫度變高而降低，且滲碳時(shí)間越短，該上限值越高。本發(fā)明的氣體滲碳方法中的滲碳溫度范圍因在包晶點(diǎn)溫度(1494℃)以下，低共熔點(diǎn)溫度(1147℃)以上，所以可大幅度縮短滲碳時(shí)間。并且，通過(guò)將滲碳?xì)怏w分壓設(shè)定在預(yù)先求得的上限值以下，可不發(fā)生處理對(duì)象物表層的熔融而在高溫下進(jìn)行滲碳。這樣可大幅度削減能源消費(fèi)量并節(jié)省能源。另外還可以將氣體滲碳工序和例如機(jī)械加工工序或不同的熱處理工序的其他工序連續(xù)進(jìn)行。
該臨界滲碳條件包括樣品表層不熔融而被奧氏體化的滲碳溫度的上限值和滲碳時(shí)間的上限值，并預(yù)先求得該滲碳?xì)怏w分壓的上限值、滲碳溫度的上限值和滲碳時(shí)間的上限值之間的關(guān)系，設(shè)定滲碳?xì)怏w分壓、滲碳溫度及滲碳時(shí)間作為該處理對(duì)象物的滲碳條件以使其不違反滿(mǎn)足所求得的關(guān)系的臨界滲碳條件，較為理想。作為該臨界滲碳條件的滲碳?xì)怏w分壓的上限值、滲碳溫度的上限值及滲碳時(shí)間的上限值相互關(guān)聯(lián)，將滲碳?xì)怏w分壓、滲碳溫度及滲碳時(shí)間中的2個(gè)確定，就可求出余下1個(gè)的上限值。這樣，在處理對(duì)象物表層不熔融的范圍內(nèi)，容易設(shè)定可達(dá)到的高速的滲碳條件。
本發(fā)明氣體滲碳方法的另一個(gè)特征為在對(duì)鋼制處理對(duì)象物進(jìn)行氣體滲碳時(shí)，將滲碳溫度設(shè)定在從δ鐵和液相相變?yōu)棣描F的包晶點(diǎn)溫度(圖1情況下的J點(diǎn)溫度1494℃)以下、從液相相變?yōu)棣描F和滲碳體的低共熔點(diǎn)溫度(圖1情況下的C點(diǎn)溫度1147℃)以上；將處理對(duì)象物的表面碳濃度的目標(biāo)值設(shè)定在于設(shè)定滲碳溫度下處理對(duì)象物表面不熔融的值以下；將滲碳?xì)夥罩械臐B碳?xì)怏w分壓設(shè)定為經(jīng)預(yù)先設(shè)定時(shí)間的氣體滲碳，處理對(duì)象物的表面碳濃度可達(dá)到的設(shè)定目標(biāo)值的值。
本發(fā)明基于如下發(fā)現(xiàn)將滲碳溫度設(shè)定在包晶點(diǎn)溫度以下、低共熔點(diǎn)溫度以上，將鋼制處理對(duì)象物的表面碳濃度的目標(biāo)值設(shè)定在于設(shè)定滲碳溫度下，處理對(duì)象物表面不熔融的值以下時(shí)，若將滲碳?xì)夥罩械臐B碳?xì)怏w分壓設(shè)定在適當(dāng)值的話(huà)，處理對(duì)象物的表面碳濃度能達(dá)到氣體滲碳的設(shè)定目標(biāo)值，同時(shí)可得到充分的滲碳深度。因高溫下進(jìn)行滲碳就可使?jié)B碳中的碳原子的移動(dòng)較以往快，所以可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到以往數(shù)小時(shí)才達(dá)到的硬化層深度而且表面碳濃度不過(guò)高。
這樣，提高滲碳溫度就可大幅度縮短滲碳時(shí)間，而且因處理對(duì)象物表層的碳濃度沒(méi)超過(guò)設(shè)定目標(biāo)值，所以不需要碳的擴(kuò)散處理工序。這樣可提高生產(chǎn)率。還可以將氣體滲碳處理工序和其他的熱處理工序連續(xù)進(jìn)行。在進(jìn)行氣體滲碳后，不進(jìn)行擴(kuò)散處理而將處理對(duì)象物進(jìn)行冷卻，較為理想。在該冷卻后，較好再加熱處理對(duì)象物。該再加熱例如可利用高頻加熱進(jìn)行。對(duì)再加熱處理后的處理對(duì)象物較好進(jìn)行淬火處理。該淬火處理的冷卻可通過(guò)例如油冷卻或氣體冷卻進(jìn)行。在縮短滲碳時(shí)間上，較好將該滲碳溫度設(shè)定在1200℃以上。
此時(shí)，在進(jìn)行氣體滲碳方法前，于從δ鐵和液相相變?yōu)棣描F的包晶點(diǎn)溫度以下、從液相相變?yōu)棣描F和滲碳體的低共熔點(diǎn)溫度以上的滲碳溫度，較好是預(yù)先求得滲碳?xì)夥罩袖撝铺幚韺?duì)象物的樣品表層不熔融而被奧氏體化的臨界滲碳條件。該臨界滲碳條件包括樣品表層不熔融而被奧氏體化的滲碳?xì)夥罩械臐B碳?xì)怏w分壓的上限值。處理對(duì)象物被加熱至如圖1所示的鐵和碳平衡狀態(tài)圖中的GS線及ES線以上的溫度并奧氏體化。若處理對(duì)象物表面的碳濃度超過(guò)JE線的話(huà)，其表層開(kāi)始熔融。對(duì)于滲碳溫度和滲碳時(shí)間等滲碳條件，存在有處理對(duì)象物表層不熔融的滲碳?xì)怏w分壓的上限值。通過(guò)預(yù)先求得包括滲碳?xì)怏w分壓的上限值的臨界滲碳條件就可以容易設(shè)定滲碳?xì)怏w分壓和滲碳時(shí)間。
本發(fā)明中的滲碳?xì)夥盏目倝嚎梢允浅?、也可以從常壓進(jìn)行減壓、還可以加壓。滲碳?xì)夥諝饪梢匀渴菨B碳?xì)怏w，也可以用滲碳?xì)怏w和稀釋氣體的混合氣體。采用稀釋氣體時(shí)，較好用氮?dú)饣驓鍤庵?lèi)惰性氣體進(jìn)行稀釋。對(duì)適用于本發(fā)明的氣體滲碳方法的處理對(duì)象物的鋼種無(wú)特別限制，只要是在包晶點(diǎn)溫度以下、低共熔點(diǎn)溫度以上、可被奧氏體化的鋼即可，不僅是碳鋼，還可以是合金鋼。
在本發(fā)明中，對(duì)處理對(duì)象物和樣品的加熱，較好通過(guò)可高速加熱其表層的手段進(jìn)行。例如通過(guò)感應(yīng)加熱或激光加熱進(jìn)行較為理想。這樣可提高滲碳對(duì)象物的加熱的效率。另外，因滲碳處理變得簡(jiǎn)單，所以可容易對(duì)品質(zhì)進(jìn)行管理。即，因影響品質(zhì)的因素少，所以即使發(fā)生了處理對(duì)象物的斑痕、嚴(yán)歪斜、裂開(kāi)等品質(zhì)問(wèn)題，也容易對(duì)其原因進(jìn)行探明。還因能將覆蓋滲碳處理空間的壁變?yōu)榈蜏乇?，且不需要排出氣體的燃燒裝置，所以不破壞作業(yè)環(huán)境，減少最初投資，可適應(yīng)單品種少批量的生產(chǎn)，并容易整合成生產(chǎn)線，即用1條流水線進(jìn)行處理。因不需要設(shè)置有絕熱壁的以往的滲碳處理爐，所以不需要爐的升溫和調(diào)節(jié)(seasoning)，可削減運(yùn)行成本。
在本發(fā)明中，較好在使含有一定分壓的滲碳?xì)怏w的滲碳?xì)夥樟鲃?dòng)的同時(shí)，進(jìn)行上述氣體滲碳。這樣，可使?jié)B碳?xì)怏w分壓保持恒定，同時(shí)可得到處理對(duì)象物品質(zhì)的均一性。
利用本發(fā)明的氣體滲碳方法可使生產(chǎn)率大幅度提高。


圖1為鐵和碳的平衡狀態(tài)圖。
圖2為顯示利用本發(fā)明的實(shí)施方式的氣體滲碳用裝置加熱處理對(duì)象物的樣品的狀態(tài)圖。
圖3為顯示一例滲碳?xì)怏w分壓的上限值對(duì)不同的滲碳溫度、滲碳時(shí)間的關(guān)系圖。
圖4為顯示利用本發(fā)明實(shí)施方式的氣體滲碳用裝置加熱處理對(duì)象物的狀態(tài)圖。
圖5為顯示在滲碳溫度為1573K對(duì)處理對(duì)象物進(jìn)行滲碳處理直到處理對(duì)象物的表面開(kāi)始熔融的時(shí)間和滲碳?xì)怏w分壓和表面碳濃度的關(guān)系圖。
圖6為顯示在滲碳溫度為1623K對(duì)處理對(duì)象物進(jìn)行滲碳處理直到處理對(duì)象物的表面開(kāi)始熔融的時(shí)間和滲碳?xì)怏w分壓和表面碳濃度的關(guān)系圖。
圖7為顯示本發(fā)明實(shí)施例的于滲碳溫度1250℃、滲碳時(shí)間1分鐘滲碳處理過(guò)的對(duì)象物離表面的距離和硬度的關(guān)系圖。
圖8為顯示本發(fā)明實(shí)施例的于滲碳溫度1300℃、滲碳時(shí)間1分鐘滲碳處理的對(duì)象物離表面的距離和硬度的關(guān)系圖。
圖9為顯示本發(fā)明實(shí)施例于滲碳溫度1250℃、滲碳時(shí)間10分鐘滲碳處理的對(duì)象物離表面的距離和硬度的關(guān)系圖。
圖10為顯示本發(fā)明實(shí)施例于滲碳溫度1300℃、滲碳時(shí)間10分鐘滲碳處理的對(duì)象物離表面的距離和硬度的關(guān)系圖。
圖11為顯示氣體滲碳過(guò)的處理對(duì)象物表層淬火前的金屬組織的圖面代用顯微鏡照片。
圖12為顯示氣體滲碳過(guò)的處理對(duì)象物表層淬火后的金屬組織的圖面代用顯微鏡照片。
圖13為顯示本發(fā)明的實(shí)施例所得的處理對(duì)象物離表面的距離和碳濃度的關(guān)系圖。
圖14為顯示一例用以往的滲碳方法處理對(duì)象物時(shí)滲碳時(shí)間、擴(kuò)散時(shí)間和碳濃度的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
圖2所示的本發(fā)明的實(shí)施方式的氣體滲碳用裝置包括真空容器1、加熱裝置2、為將真空容器內(nèi)減壓的真空泵3和供給滲碳?xì)夥沼脷怏w至該真空容器1內(nèi)的氣體源4。在本實(shí)施方式中，加熱裝置2是在真空容器1內(nèi)經(jīng)連接在電源7上的線圈2a進(jìn)行感應(yīng)加熱的。電源7到線圈2a的輸出功率可以相變。
首先，為進(jìn)行鋼制處理對(duì)象物的樣品5’的氣體滲碳，在裝載在加熱裝置2上的樣品5’的表層焊接上作為溫度檢出用傳感器的熱電偶6。此后，通過(guò)真空泵3間將真空容器1內(nèi)的空氣排出，使真空容器1內(nèi)減壓。較好將此時(shí)真空容器1內(nèi)壓調(diào)節(jié)在27Pa左右以下。而溫度的檢出手段不限于熱電偶。
減壓后，由氣體源4導(dǎo)入滲碳?xì)夥諝獾秸婵杖萜?內(nèi)。這樣用滲碳?xì)夥諝鈱⒄婵杖萜?內(nèi)充滿(mǎn)，使?jié)B碳?xì)夥諝獾目倝荷仙?。例如使真空容?內(nèi)的滲碳?xì)夥諝馍?0kPa左右。該滲碳?xì)夥諝庥蓾B碳?xì)怏w和稀釋氣體構(gòu)成，對(duì)該滲碳?xì)怏w和稀釋氣體的種類(lèi)無(wú)特別限制。本實(shí)施方式的滲碳?xì)怏w為甲烷氣體，而稀釋氣體為氮?dú)?。用烴類(lèi)氣體作為滲碳?xì)怏w可實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化滲碳。滲碳?xì)怏w不限于烴類(lèi)氣體。滲碳?xì)夥諝庖部梢灾挥蓾B碳?xì)怏w構(gòu)成。
為保持真空容器1內(nèi)的滲碳?xì)夥諝獾目倝毫愣?，由氣體源4以恒定流量提供滲碳?xì)夥沼脷怏w給真空容器1內(nèi)，同時(shí)經(jīng)真空泵3以恒定流量排出滲碳?xì)夥沼脷怏w。這樣，真空容器1內(nèi)滲碳?xì)夥沼脷怏w例如以0.5L/min的恒定流量流動(dòng)，可保持滲碳?xì)夥諝獾目倝毫υ?0kPa左右。即，在真空容器1內(nèi)有含恒定分壓的滲碳?xì)怏w的滲碳?xì)夥諝饬鲃?dòng)。該滲碳?xì)怏w的分壓為將滲碳?xì)怏w的摩爾分?jǐn)?shù)或容積％乘上真空容器1內(nèi)的滲碳?xì)夥諝獾目倝毫Φ闹怠Ｓ纱?，通過(guò)相變真空容器1內(nèi)的滲碳?xì)夥諝獾目倝毫蛳嘧儩B碳?xì)怏w和稀釋氣體的流量比可調(diào)整滲碳?xì)怏w分壓的設(shè)定值。
下面，通過(guò)加熱裝置2加熱樣品5’到所設(shè)定的滲碳溫度。而該滲碳溫度被設(shè)定在從δ鐵和液相相變?yōu)棣描F的包晶點(diǎn)溫度以下、從液相相變?yōu)棣描F和滲碳體的低共熔點(diǎn)溫度以上。該滲碳溫度的設(shè)定值可通過(guò)相變加熱裝置2往線圈2a的輸出功率進(jìn)行調(diào)整。
在所設(shè)定的滲碳?xì)怏w分壓及所設(shè)定的滲碳溫度下，僅保持所設(shè)定的滲碳時(shí)間對(duì)樣品5’進(jìn)行氣體滲碳時(shí)，可確認(rèn)該樣品5’的表層是否熔融。
若滲碳時(shí)樣品5’的表層不熔融的話(huà)，增大滲碳?xì)怏w分壓的設(shè)定值，對(duì)樣品5’進(jìn)行滲碳。若樣品5’的表層熔融的話(huà)，減少滲碳?xì)怏w分壓的設(shè)定值，對(duì)樣品5’進(jìn)行滲碳。通過(guò)重復(fù)該工序可預(yù)先求得滲碳?xì)怏w分壓的上限值以作為樣品5’的表層不熔融而發(fā)生奧氏體化的臨界滲碳條件。
以上就保持滲碳溫度和滲碳時(shí)間一定來(lái)確定滲碳?xì)怏w分壓的上限值的方法進(jìn)行了闡述，但對(duì)此無(wú)限制，只要不脫離本發(fā)明的構(gòu)思，也可以對(duì)此適當(dāng)加以相變。即，可以將滲碳?xì)怏w分壓和滲碳溫度保持一定來(lái)求得滲碳時(shí)間的上限值，也可以使?jié)B碳?xì)怏w分壓和滲碳時(shí)間保持一定來(lái)求得滲碳溫度的上限值。
圖3顯示了如上所述預(yù)先求得的滲碳?xì)怏w分壓的上限值、滲碳溫度的上限值及滲碳時(shí)間的上限值之間關(guān)系的一例。圖3中的縱軸表示本實(shí)施方式中對(duì)應(yīng)于滲碳?xì)怏w分壓的碳?xì)夥罩屑淄闈舛?vol％)，也可以表示滲碳?xì)怏w分壓。例如，在不使用稀釋氣體時(shí)，滲碳?xì)怏w分壓和滲碳?xì)夥諝獾目倝合嗤?，可用甲烷流量表示滲碳?xì)怏w分壓。通過(guò)相同的方法，不僅能求得如圖3所示的1min、3min、30min的線，而且還能求得這些線中間的任意直線或曲線。在該圖3中，滲碳?xì)夥盏臐B碳?xì)怏w分壓的上限值隨著滲碳溫度升高而降低，隨著滲碳時(shí)間的縮短而上升。圖3所示的關(guān)系僅為一例，該關(guān)系還會(huì)因加熱裝置2的構(gòu)成部件的配置、加熱裝置2中的樣品5’的材質(zhì)、配置、加熱裝置2的種類(lèi)、滲碳?xì)怏w的種類(lèi)或流量等的不同而有差異。
此后，用上述的氣體滲碳用裝置，在所設(shè)定的不違反滿(mǎn)足上述預(yù)先所求得的關(guān)系的臨界滲碳條件的滲碳條件下，對(duì)鋼制處理對(duì)象物5進(jìn)行氣體滲碳。該處理對(duì)象物5的滲碳和樣品5’的滲碳可同樣進(jìn)行。
即，如圖4所示，將處理對(duì)象物5裝載在加熱裝置2上，用真空泵3將真空容器1內(nèi)的空氣排出，由氣體源4導(dǎo)入滲碳?xì)夥沼脷怏w到真空容器1內(nèi)，將滲碳?xì)夥丈龎褐了O(shè)定的壓力，以恒定流量由氣體源4提供滲碳?xì)夥沼脷怏w給真空容器1內(nèi)，同時(shí)利用真空泵3以恒定流量將滲碳?xì)夥沼脷怏w排出。由此，將真空容器1內(nèi)的滲碳?xì)夥罩械臐B碳?xì)怏w分壓設(shè)定在預(yù)先求得的臨界滲碳條件的上限值以下。然后，經(jīng)加熱裝置2對(duì)處理對(duì)象物5加熱至滲碳溫度，而該滲碳溫度設(shè)定在上述包晶點(diǎn)溫度以下、低共熔點(diǎn)溫度以上。在加熱處理對(duì)象物5時(shí)，因和樣品5’加熱時(shí)相同，通過(guò)控制加熱裝置2來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品5’加熱時(shí)的滲碳溫度，所以在處理對(duì)象物5上沒(méi)必要焊接熱電偶6。在所設(shè)定的滲碳?xì)怏w分壓及所設(shè)定的滲碳溫度下，僅保持所設(shè)定的滲碳時(shí)間對(duì)處理對(duì)象物5進(jìn)行氣體滲碳。
例如，在對(duì)該鋼制處理對(duì)象物5進(jìn)行氣體滲碳時(shí)，將滲碳溫度設(shè)定在從δ鐵和液相相變?yōu)棣描F的包晶點(diǎn)溫度以下、從液相相變?yōu)棣描F和滲碳體的低共熔點(diǎn)溫度以上。還將處理對(duì)象物5的表面碳濃度的目標(biāo)值設(shè)定在所設(shè)定的滲碳溫度下，處理對(duì)象物5的表面不熔融的值以下。而將滲碳?xì)夥罩械臐B碳?xì)怏w分壓設(shè)定在進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的時(shí)間的氣體滲碳后，處理對(duì)象物的表面碳濃度可達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值的值。也可以通過(guò)預(yù)先試驗(yàn)對(duì)該滲碳時(shí)間求得滲碳?xì)怏w分壓的設(shè)定值。因該滲碳時(shí)間和滲碳?xì)怏w分壓的設(shè)定值較對(duì)應(yīng)于該設(shè)定溫度的上述上限值小，所以通過(guò)預(yù)先求得上述上限值就容易對(duì)滲碳時(shí)間和滲碳?xì)怏w分壓進(jìn)行設(shè)定。
例如，因滲碳溫度1573K時(shí)，處理對(duì)象物5的表面在碳濃度為1.15重量％左右時(shí)開(kāi)始熔融，所以根據(jù)如圖3所示的關(guān)系，可確認(rèn)如圖5所示的至滲碳溫度為1573K時(shí)處理對(duì)象物5的表面開(kāi)始熔融的滲碳處理時(shí)間、滲碳?xì)怏w分壓和表面碳濃度的關(guān)系。從圖5可知，將滲碳溫度1573K時(shí)，處理對(duì)象物5的表面碳濃度的目標(biāo)值設(shè)定在不熔融的不到1.15重量％時(shí)，可以設(shè)定滲碳時(shí)間為1分鐘時(shí)碳?xì)夥罩械募淄闈舛炔坏?0vol％，滲碳時(shí)間為10分鐘時(shí)碳?xì)夥罩械募淄闈舛炔坏?vol％。另外，例如滲碳溫度為1623K時(shí)，處理對(duì)象物5的表面碳濃度在0.9重量％左右時(shí)，其表面開(kāi)始熔融，所以根據(jù)圖3所示的關(guān)系，可確認(rèn)如圖6所示的滲碳溫度1623K時(shí)，直到處理對(duì)象物5的表面開(kāi)始熔融的滲碳處理時(shí)間、滲碳?xì)怏w分壓和表面碳濃度的關(guān)系。從圖6可知，將滲碳溫度設(shè)定為1623K，處理對(duì)象物5的表面碳濃度的目標(biāo)值設(shè)定在不熔融的不到0.9重量％時(shí)，可設(shè)定滲碳時(shí)間為1分鐘時(shí)碳?xì)夥罩械募淄闈舛炔坏?.8vol％，而設(shè)定滲碳時(shí)間為10分鐘時(shí)碳?xì)夥罩械募淄闈舛炔坏?.8vol％。
在所設(shè)定的滲碳?xì)怏w分壓及所設(shè)定的滲碳溫度下，僅保持所設(shè)定的滲碳時(shí)間對(duì)處理對(duì)象物5進(jìn)行氣體滲碳。若經(jīng)過(guò)了設(shè)定的滲碳時(shí)間的話(huà)，停止?jié)B碳?xì)怏w的供給，解除加熱裝置2的加熱就可停止?jié)B碳。
根據(jù)本發(fā)明的氣體滲碳方法，因滲碳溫度范圍在包晶點(diǎn)溫度以下、低共熔點(diǎn)溫度以上，所以可大幅度縮短滲碳時(shí)間。但通過(guò)將滲碳?xì)怏w分壓設(shè)定在預(yù)先求得的上限值以下，就可在高溫下進(jìn)行滲碳而使處理對(duì)象物5的表層上不發(fā)生熔融。例如γ鐵中碳原子的擴(kuò)散系數(shù)在1000℃時(shí)為3.59×10-5mm2/s，而1300℃時(shí)在10倍以上，為43×10-5mm2/s。即，1300℃時(shí)的碳原子移動(dòng)速度比1000℃時(shí)快10倍以上。由此，可大幅度縮短得到所需滲碳深度所需要的時(shí)間，要得到通常的滲碳深度，只需要1分鐘-10分鐘左右的滲碳時(shí)間。并且，處理對(duì)象物5的表層的碳濃度沒(méi)超過(guò)設(shè)定目標(biāo)值，所以不需要碳的擴(kuò)散處理工序。由此，可大幅度縮短滲碳處理時(shí)間并將生產(chǎn)率提高。另外，還可以將氣體滲碳處理工序和其他的熱處理工序連續(xù)進(jìn)行。將滲碳溫度設(shè)定在1200℃以上就可以將滲碳時(shí)間縮短，較理想，也可以將其設(shè)定在1300℃以上。因使含一定分壓的滲碳?xì)怏w的滲碳?xì)夥諝庠谡婵杖萜?內(nèi)流動(dòng)并進(jìn)行滲碳，所以可保持滲碳?xì)怏w分壓恒定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)處理對(duì)象物5的品質(zhì)的均一化。另外，利用在本發(fā)明中實(shí)施的滲碳處理，完全沒(méi)有煤煙的發(fā)生，就這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，和以往的真空滲碳相比，具有非常理想的結(jié)果。
在上述氣體滲碳后，不進(jìn)行擴(kuò)散處理而將處理對(duì)象物5冷卻。對(duì)該冷卻方法無(wú)特別限制，可以用自然冷卻或各種強(qiáng)制冷卻。較好在冷卻后，對(duì)氣體滲碳過(guò)的處理對(duì)象物5再加熱，并經(jīng)驟冷進(jìn)行淬火?？梢?次冷卻驟冷，也可進(jìn)行2次淬火。進(jìn)行該淬火的氣氛較好是中性的保護(hù)氣氛，即，在該溫度下被處理材料不被滲碳或脫碳的氣氛，也可以是其他的惰性氣體等氣氛。淬火的再加熱溫度在超過(guò)如圖1所示的平衡狀態(tài)圖中的GS線或ES線并使處理對(duì)象物5至少表層發(fā)生奧氏體化的溫度以上。
實(shí)施例1通過(guò)上述本發(fā)明實(shí)施方式中的氣體滲碳方法預(yù)先求得臨界滲碳條件，并在不違反該臨界滲碳條件的所設(shè)定的滲碳條件下進(jìn)行氣體滲碳。作為處理對(duì)象物5，可用鎳·鉻·鉬鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SNCM420)制的、具有直徑為10mm、長(zhǎng)為52mm的圓柱體。在本實(shí)施例中，將滲碳后的處理對(duì)象物5在真空容器1內(nèi)自然冷卻，淬火，研磨、利用粒徑3μm的金剛石磨漿進(jìn)行精加工后，進(jìn)行硬度測(cè)定和對(duì)組織的觀察。在滲碳前，對(duì)真空容器1內(nèi)進(jìn)行凈化。滲碳?xì)怏w為甲烷氣體，稀釋氣體為氮?dú)?。滲碳中，以0.5L/min的恒定流量使?jié)B碳?xì)夥沼脷怏w在真空容器1內(nèi)流動(dòng)。而淬火是在有氮?dú)鈿夥諝饬鲃?dòng)的860℃的石英管爐內(nèi)，將處理對(duì)象物5保持10分鐘后，用油冷進(jìn)行。淬火當(dāng)然可用包括高頻加熱的其他爐進(jìn)行。
圖7顯示了于滲碳溫度1250℃、滲碳時(shí)間1分鐘、對(duì)應(yīng)于滲碳?xì)怏w甲烷的分壓的濃度40vol％的滲碳條件下，離氣體滲碳后的處理對(duì)象物5的表面的距離(mm)和硬度(Hv)的關(guān)系。此時(shí)處理對(duì)象物5的表面碳濃度的目標(biāo)值為1.4重量％。
圖8顯示了對(duì)應(yīng)于滲碳溫度1300℃、滲碳時(shí)間1分鐘、滲碳?xì)怏w甲烷的濃度為10vol％的滲碳條件下，離氣體滲碳后的處理對(duì)象物的表面的距離(mm)和硬度(Hv)的關(guān)系。此時(shí)將處理對(duì)象物5的表面碳濃度的目標(biāo)值定在1.15重量％。
圖9顯示了于滲碳溫度1250℃、滲碳時(shí)間10分鐘、對(duì)應(yīng)于滲碳?xì)怏w甲烷的分壓的濃度10vol％的滲碳條件下，離氣體滲碳后的處理對(duì)象物5的表面的距離(mm)和硬度(Hv)的關(guān)系。此時(shí)將處理對(duì)象物5的表面碳濃度的目標(biāo)值定在1.4重量％。
圖10顯示了于滲碳溫度1300℃、滲碳時(shí)間10分鐘、滲碳?xì)怏w甲烷的濃度為3vol％的滲碳條件下，離氣體滲碳后的處理對(duì)象物的表面的距離(mm)和硬度(Hv)的關(guān)系。此時(shí)將處理對(duì)象物5的表面碳濃度的目標(biāo)值定在1.15重量％。
根據(jù)圖7-圖10可知，使?jié)B碳時(shí)間為1分鐘-10分鐘可得到充分有效的滲碳深度的滲碳層。而滲碳?xì)怏w甲烷的分壓是將甲烷濃度乘上滲碳?xì)夥諝饪倝旱闹怠D7-圖10所示的例中，滲碳?xì)夥盏目倝涸?0kPa左右。
通過(guò)本發(fā)明可確認(rèn)于滲碳溫度1300℃、滲碳時(shí)間1分鐘經(jīng)滲碳的處理對(duì)象物5的表層淬火前的金屬組織如圖11所示，淬火后的金屬組織如圖12所示。淬火前所存在的粗大組織在淬火后不存在了，通過(guò)淬火可使粗大組織微細(xì)化。
實(shí)施例2通過(guò)上述本發(fā)明實(shí)施方式中的氣體滲碳方法所設(shè)定的滲碳條件下進(jìn)行氣體滲碳。作為處理對(duì)象物5，和上述實(shí)施方式一樣用鎳·鉻·鉬鋼(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SNCM420)制的、具有直徑為10mm、長(zhǎng)為52mm的圓柱體。不經(jīng)過(guò)擴(kuò)散處理工序，將該處理對(duì)象物5在真空容器1內(nèi)自然冷卻，淬火，研磨、利用粒徑3μm的金剛石磨漿進(jìn)行精加工。在滲碳前，對(duì)真空容器1內(nèi)進(jìn)行凈化。滲碳?xì)怏w為甲烷氣體，稀釋氣體為氮?dú)?。而淬火是在有氮?dú)鈿夥諝饬鲃?dòng)的860℃的石英管爐內(nèi)，將處理對(duì)象物5保持10分鐘后，用油冷進(jìn)行。淬火當(dāng)然可用包括高頻加熱的其他爐進(jìn)行。于滲碳溫度1300℃、滲碳時(shí)間1分鐘、對(duì)應(yīng)于滲碳?xì)夥罩械臐B碳?xì)怏w甲烷的分壓的濃度為10vol％，處理對(duì)象物5的表面碳濃度的目標(biāo)值為0.74重量％，滲碳?xì)夥盏目倝簽?0kPa，滲碳中，以0.5L/min的恒定流量將滲碳?xì)夥沼脷怏w在真空容器1內(nèi)流動(dòng)。圖13顯示了離本實(shí)施例所得的處理對(duì)象物5的表面的距離(mm)和碳濃度(重量％)的關(guān)系。由此可知無(wú)需擴(kuò)散處理工序而得到碳濃度高于母材0.2重量％的深度，即在本實(shí)施例中的整個(gè)滲碳深度為0.9mm，可得到充分有效的滲碳深度。另外，得到了和圖8所得的整個(gè)滲碳深度的結(jié)果很一致的結(jié)果。
根據(jù)上述各實(shí)施例，不經(jīng)過(guò)擴(kuò)散處理工序可使處理對(duì)象物5的表面碳濃度達(dá)到目標(biāo)值，且得到充分的滲碳深度。對(duì)此，圖14顯示了經(jīng)以往的滲碳方法處理處理對(duì)象物時(shí)的滲碳時(shí)間和表面碳濃度的關(guān)系的一例，在該圖中顯示了僅在滲碳處理工序中，該碳濃度超過(guò)其目標(biāo)值，所以在此后需要擴(kuò)散處理工序。
通過(guò)本發(fā)明，以提高滲碳溫度的方法可將滲碳時(shí)間大幅度縮短并且因處理對(duì)象物5的表層的碳濃度不超過(guò)其設(shè)定目標(biāo)值而不需要碳的擴(kuò)散處理工序，所以可提高生產(chǎn)率。
本發(fā)明不受上述實(shí)施方式和實(shí)施例的限制，只要在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可進(jìn)行各種相變。
權(quán)利要求
1.氣體滲碳方法，其特征在于，它包括2個(gè)工序于在從δ鐵和液相相變?yōu)棣描F的包晶點(diǎn)溫度以下、從液相相變?yōu)棣描F和滲碳體的低共熔點(diǎn)溫度以上的滲碳溫度，預(yù)先求得滲碳?xì)夥罩袖撝铺幚韺?duì)象物的樣品表層不熔融而被奧氏體化的臨界滲碳條件的工序；于該包晶點(diǎn)溫度以下、低共熔點(diǎn)溫度以上的滲碳溫度，并在不違反上述臨界滲碳條件而設(shè)定的滲碳條件下，對(duì)該處理對(duì)象物進(jìn)行氣體滲碳的工序；該臨界滲碳條件包括樣品表層不熔融而被奧氏體化的滲碳?xì)夥罩械臐B碳?xì)怏w分壓的上限值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體滲碳方法，其特征在于，臨界滲碳條件包括樣品的表層不熔融而被奧氏體化的滲碳溫度的上限值和滲碳時(shí)間的上限值，并預(yù)先求得滲碳?xì)怏w分壓的上限值、滲碳溫度的上限值和滲碳時(shí)間的上限值之間的關(guān)系，設(shè)定滲碳?xì)怏w分壓、滲碳溫度及滲碳時(shí)間作為處理對(duì)象物的滲碳條件以不違反滿(mǎn)足如上所得關(guān)系的臨界滲碳條件。
3.氣體滲碳方法，其特征在于，在對(duì)鋼制處理對(duì)象物進(jìn)行氣體滲碳時(shí)，將滲碳溫度設(shè)定在從δ鐵和液相相變?yōu)棣描F的包晶點(diǎn)溫度以下、從液相相變?yōu)棣描F和滲碳體的低共熔點(diǎn)溫度以上；將處理對(duì)象物的表面碳濃度的目標(biāo)值設(shè)定在于設(shè)定滲碳溫度時(shí)處理對(duì)象物表面不熔融的值以下；將滲碳?xì)夥罩械臐B碳?xì)怏w分壓設(shè)定為經(jīng)預(yù)先設(shè)定時(shí)間的氣體滲碳，處理對(duì)象物表面碳濃度可達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體滲碳方法，其特征在于，進(jìn)行氣體滲碳后，不進(jìn)行擴(kuò)散處理而冷卻處理對(duì)象物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體滲碳方法，其特征在于，上述冷卻后，對(duì)處理對(duì)象物再加熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體滲碳方法，其特征在于，對(duì)上述再加熱后的處理對(duì)象物進(jìn)行淬火處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-6中任一項(xiàng)所述的氣體滲碳方法，其特征在于，將上述滲碳溫度設(shè)定在1200℃以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的氣體滲碳方法，其特征在于，使含一定分壓的滲碳?xì)怏w的滲碳?xì)夥諝饬鲃?dòng)而進(jìn)行上述氣體滲碳。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氣體滲碳方法，它是于在從δ鐵和液相相變?yōu)棣描F的包晶點(diǎn)溫度以下、從液相相變?yōu)棣描F和滲碳體的低共熔點(diǎn)溫度以上的滲碳溫度下進(jìn)行的。包括2個(gè)工序預(yù)先得到不熔融滲碳?xì)夥罩械匿撝铺幚韺?duì)象物樣品的表層，而使其奧氏體化的臨界滲碳條件的工序和將該處理對(duì)象物于包晶點(diǎn)溫度以下、低共熔點(diǎn)溫度以上的滲碳溫度，并在所設(shè)定的不違反上述臨界滲碳條件的滲碳條件下進(jìn)行氣體滲碳的工序。該臨界滲碳條件包含不使樣品表層熔融而使其奧氏體化的滲碳?xì)怏w分壓的上限值。
文檔編號(hào)C23C8/22GK1545566SQ0380085
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月11日
發(fā)明者立里曉華 申請(qǐng)人:光洋熱系統(tǒng)株式會(huì)社