鈍化合金的冷變形工件的固溶硬化方法,以及通過該方法固溶硬化的構(gòu)件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于含有至少10％鉻的鈍化合金的冷變形工件的固溶硬化方法，該方法包括-在溫度T1至少將氮溶解在工件中，該溫度T1是高于碳化物和/或氮化物的溶解溫度并且低于鈍化合金的熔點(diǎn)，其中在溫度T1進(jìn)行氮的溶解以得到在0μm至5mm范圍內(nèi)的擴(kuò)散深度，以及-在溫度T1的溶解步驟后將工件冷卻至一個溫度，該溫度是低于在鈍化合金中形成碳化物和/或氮化物的溫度，其中該冷卻步驟在不含氮的惰性氣體中發(fā)生。本發(fā)明還涉及一種構(gòu)件，如使用該方法制備的用于固定螺栓或螺母的鎖緊墊圈。
【專利說明】鈍化合金的冷變形工件的固溶硬化方法，以及通過該方法固溶硬化的構(gòu)件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于鈍化(passive)合金的冷變形工件的固溶硬化方法。該方法提供了其中基本上沒有碳化物和/或氮化物形成的硬化合金。該方法還提供了耐腐蝕的表面，同時保持從冷變形得到的材料的內(nèi)芯強(qiáng)度。本發(fā)明進(jìn)一步涉及由該方法固溶硬化的構(gòu)件。這些構(gòu)件特別地與醫(yī)學(xué)、食品、汽車、化學(xué)、石化、制藥、船舶、包裝、手表、刀具/餐具、醫(yī)療、能源、紙漿和造紙、采礦、或廢水【技術(shù)領(lǐng)域】相關(guān)。

【背景技術(shù)】
[0002]不銹鋼和其他鈍化合金典型地是具有良好的耐腐蝕性，但具有相對差的摩擦學(xué)特征(如粘著磨損特征)的材料。為了解決這個問題，不銹鋼和可比較的合金可以在低溫下(低于450°C至550°C )通過溶解氮和/或碳進(jìn)行表面硬化，通過此方法得到的是所謂的擴(kuò)張奧氏體或可替代的擴(kuò)張馬氏體的區(qū)。此區(qū)是碳和/或氮在奧氏體或馬氏體中的過飽和溶體并且相對于碳化物/氮化物的形成是亞穩(wěn)的。這些低溫過程可以是基于氣體、等離子體或熔鹽；氣體過程要求使用特殊的活化技術(shù)，而對于等離子體和鹽浴活化是立即實(shí)現(xiàn)的并且無需特定的處理。因此在材料中得到一個表面區(qū)，該表面區(qū)含有大量的氮和/或碳；這是由于相對低的過程溫度。該材料從而成為表面硬化的并且保留它的耐腐蝕性。然而大多數(shù)鈍化合金(如不銹鋼)不能直接使用氮和/或碳固溶硬化，因?yàn)檫@些鈍化合金具有一個不可滲透的氧化層(也稱為鈍化層)，這是良好的腐蝕特征的原因，但它阻止了例如氮以及碳的溶解。因此要求用于去除這種鈍化層的特定技術(shù)。這些技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。
[0003]大多數(shù)采用的技術(shù)部件是在機(jī)加工的條件下使用，這是指該材料是不均勻地冷變形(塑性形變)的。在許多應(yīng)用中，這種冷變形從部件強(qiáng)度考慮是所希望的:如果部件不具有由冷變形引起的加工硬化強(qiáng)度增加它將失靈。這產(chǎn)生了一個很大的問題，如果這種冷機(jī)加工的部件是在低溫過程中表面硬化，那么該表面在吸收氮和/或碳下被改變?yōu)閿U(kuò)張奧氏體或馬氏體。材料中塑性形變(在微觀結(jié)構(gòu)中的缺陷)的存在暗示通過氮以及碳與例如鉻(Cr)(是不銹鋼中的合金元素)的反應(yīng)形成氮化物和碳化物更容易。因此，一定量的Cr從固溶體中移出并結(jié)合為氮化鉻/碳化鉻。這意味著腐蝕特征惡化，因?yàn)楦俚你t可用于維持鈍化層。在局部區(qū)域內(nèi)，這種Cr消耗可能是明顯的并且導(dǎo)致在該區(qū)域的表面處防腐蝕性能的損失。氮化物/碳化物的析出被稱為敏化。特別是在氮的溶解中，這種現(xiàn)象是非常明顯的，因?yàn)榈t比碳化鉻更穩(wěn)定并且可以在更低的溫度下形成。這意味著在低溫過程中的溫度必須(進(jìn)一步)降低以避免敏化，這是所不希望的，因?yàn)樵撨^程由此進(jìn)行得更慢。對于不銹鋼中極端的變形程度有可能甚至不存在敏化的下限。
[0004]在冷變形不銹鋼工件的低溫硬化時，敏化將隨著氮和/或碳的低溫溶解而發(fā)生，這發(fā)生在低于550°C的溫度下。為了解決在冷變形材料中低溫表面硬化時敏化的問題，在真空或氫氣氣氛下通過所謂的奧氏體化來(在可能的情況下)實(shí)現(xiàn)部件的完全退火。完全退火是一種在高于1020°C (典型地在1020°C至1120°C的范圍內(nèi))的溫度下進(jìn)行的過程。從而材料中的冷變形消失并且低溫溶解可以在沒有敏化的風(fēng)險的情況下進(jìn)行。但是，該方法導(dǎo)致了冷加工金屬的強(qiáng)度降低的問題，這被稱為在材料中的所謂的蛋殼效應(yīng)，即當(dāng)工件隨后低溫硬化時，材料變軟而具有硬的薄表面。通過進(jìn)行奧氏體化，材料的內(nèi)芯強(qiáng)度降低到退火后材料的內(nèi)芯強(qiáng)度，并且此方法要求處理后的部件的內(nèi)芯強(qiáng)度是不太重要的設(shè)計參數(shù)。
[0005]另一種可能性是采用其中只有碳在低溫下溶于該材料的碳化過程，即形成碳擴(kuò)張奧氏體。敏化對于碳溶解不像對于氮溶解(滲氮和氮碳共滲)那樣是至關(guān)重要的，并且從而導(dǎo)致對耐腐蝕性的影響較小。然而，對于具有強(qiáng)的冷變形程度的部件，即使這仍被認(rèn)為是有害的。僅采用碳溶解的另一個缺點(diǎn)是得到比氮溶解更低的表面硬度并且組成特征曲線(profile)(硬度)不能以相同的方式調(diào)整(參見例如EP1095170B1以及W02006/136166A1)。
[0006]在例如Georgiev等人的材料科學(xué)與技術(shù)期刊(Journal of Materials Scienceand Technology),第 4 卷，1996 年，第 4 期，第 28 頁以及 Bashchenko 等人的 IzvestiyaAkademii Nauk SSSR.Metally，第4期，1985年，第173-178頁，示出了氮和/或碳可以在平衡條件下在高溫(高于約1050°C )溶于不銹鋼。示出了通過采用高溫，與不銹鋼的鈍化層有關(guān)的滲透問題可以忽略，因?yàn)樵谶@些高溫下它變得不穩(wěn)定。還描述了碳化鉻和氮化鉻的溶解溫度低于此溫度。因此，在這些高溫度下不形成碳化物和/或氮化物。然而，氮/碳的溶解度是相對有限的，并且對于奧氏體不銹鋼沒有發(fā)生實(shí)際的表面硬化；這特別適用于碳。為了避免碳化物/氮化物的析出，在冷卻過程中要求快的冷卻速率。對于馬氏體不銹鋼類型，通過快速冷卻可以發(fā)生表面的顯著硬化；但是，該硬化效應(yīng)處于比通過用于形成擴(kuò)張奧氏體的方法得到的顯著更低的水平。
[0007]W02008/124239提出一種中間快速急冷的混合滲碳方法，根據(jù)該方法，金屬工件的碳硬化表面可以通過使該工件同時經(jīng)受高溫滲碳和低溫滲碳來形成，而沒有形成碳化物析出物，其中緊接著高溫滲碳，將該工件快速急冷至低于碳化物析出物形成的溫度。快速急冷可以使用例如將工件浸潰在水、油或其他冷卻介質(zhì)(如氣體或熔鹽)中完成。W02008/124239未能認(rèn)識到在隨后的低溫硬化過程中冷變形及碳化物和/或氮化物的形成這些問題。
[0008]對于一種用于硬化鈍化合金(如不銹鋼)的允許氮和/或碳的低溫溶解的方法存在需要，其中該方法解決了關(guān)于敏化和/或調(diào)整組成特征曲線的問題。
[0009]為了克服與冷變形工件的低溫滲氮和/或滲碳有關(guān)的敏化的問題，現(xiàn)有技術(shù)提出首先將該材料退火，以便得到部分或全部的重結(jié)晶；可替代地只有材料的回收。因此，材料中的冷變形以及從該冷變形得到的強(qiáng)化消失，但另一方面可以進(jìn)行低溫溶解而沒有敏化的問題。然而，這種方法不能提供具有高內(nèi)芯強(qiáng)度的部件。
[0010]丹麥專利申請PA2011 70208公開了一種用于鈍化金屬或鈍化合金的冷變形工件的固溶硬化方法。該方法包括一個第一步驟，其中在高于用于碳化物和/或氮化物形成的溶解溫度并且低于該工件的熔點(diǎn)的溫度下將氮和/碳溶解在工件中，以及隨后的一個第二步驟，其中在基本上不發(fā)生碳化物和/或氮化物的形成的溫度下將氮和/碳溶解。該方法還可以包括從第一溫度至第二溫度的快速冷卻。雖然與現(xiàn)有技術(shù)的其他方法相比，根據(jù)PA2011 70208的金屬處理提供了優(yōu)越的特性，但很懷疑可以獲得金屬特性的進(jìn)一步改進(jìn)。
[0011]本發(fā)明的目的是提供一種方法，該方法允許通過冷變形成形并且由鈍化合金(特別是不銹鋼)制備的產(chǎn)品的固溶硬化，在工件中未發(fā)生敏化并且因此提供更好的耐腐蝕性。進(jìn)一步的目標(biāo)是所獲得的強(qiáng)化效果與通過冷變形獲得強(qiáng)化效果相當(dāng)或者可能甚至更大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明涉及一種用于至少含有10%鉻的鈍化合金的冷變形工件的固溶硬化方法，該方法包括
[0013]-在溫度Tl至少將氮溶解于工件中，該溫度Tl是高于碳化物和/或氮化物的溶解溫度并且低于鈍化合金的熔點(diǎn)，其中在溫度Tl進(jìn)行氮的溶解以獲得在50 μ m至5mm的范圍內(nèi)的擴(kuò)散深度，以及
[0014]-將在溫度Tl的溶解步驟后的工件冷卻至一個溫度，該溫度低于在鈍化合金中形成碳化物和/或氮化物的溫度，其中該冷卻步驟在不含氮的惰性氣體中發(fā)生。
[0015]本發(fā)明的方法還可以理解為一種鈍化合金的冷變形工件的固溶硬化方法，該方法包括以下步驟:
[0016]在溫度Tl至少將氮溶解于工件中，該溫度Tl是高于奧氏體化溫度并且低于鈍化合金的熔點(diǎn)，
[0017]在溶解步驟后將工件冷卻至一個溫度，該溫度是低于在鈍化合金中形成碳化物和/或氮化物的溫度，其中該冷卻步驟在不含氮的惰性氣體中發(fā)生。
[0018]在一個優(yōu)選實(shí)例中，該第一溶解步驟在氣體(如含有隊(duì)的氣體)中進(jìn)行，例如不含除不可避免的雜質(zhì)以外的其他氣體的基本純的N2,以及該冷卻步驟也在氣體中進(jìn)行，該氣體是不含氮的惰性氣體(無氮惰性氣體)，特別優(yōu)選的是氬氣。在本發(fā)明的背景下，“惰性氣體”是不含任何與合金的元素相互作用的實(shí)質(zhì)量分子的氣體；任何不含氮的惰性氣體或者氣體的混合物都是本發(fā)明所設(shè)想的。當(dāng)在冷卻步驟采用惰性氣體時，出人意料地發(fā)現(xiàn)，用本發(fā)明的方法處理過的工件具有耐腐蝕性，其甚至優(yōu)于使用其他冷卻氣體、或者當(dāng)該冷卻步驟是用其他方法執(zhí)行時得到的耐腐蝕性。特別地，相比于在惰性氣體中冷卻，當(dāng)冷卻在含氮?dú)怏w中進(jìn)行時，含氮氮?dú)怏w被認(rèn)為是加速氮化物的形成，所以更穩(wěn)健且靈活的方法配備有一個使用惰性氣體的冷卻步驟。在溫度Tl處理中氮的分壓決定氮的溶解度，因此在溫度Tl的處理中氮的分壓越高，在不含氮的惰性氣體中的冷卻效果越顯著。在無氮惰性氣體中的冷卻還可以允許比60s更長的冷卻時間，但是優(yōu)選冷卻是在無氮惰性氣體中少于30s (如小于1s)內(nèi)執(zhí)行。
[0019]在一個具體實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步提供了鈍化合金的冷變形工件中擴(kuò)張奧氏體和/或擴(kuò)張馬氏體的形成。因此，該方法可以進(jìn)一步包括一個隨后的第二步驟，即在至少300°C的溫度T2將氮和/或碳溶解在工件中，該溫度T2低于在鈍化合金中形成碳化物和/或氮化物的溫度。
[0020]在高于氮化物的溶解溫度的溫度下將氮溶解在工件中的第一步驟，相比材料在低溫硬化之前只重結(jié)晶退火，顯著提高了鈍化合金(如不銹鋼)的內(nèi)芯強(qiáng)度。氮的高溫溶解是在高于合金的奧氏體化溫度(如至少或高于1050°C )并且低于合金的熔點(diǎn)的溫度下完成。此高溫滲氮的強(qiáng)化效應(yīng)出人意料地是足以補(bǔ)償由于使工件在滲氮過程中保持在高溫下時的冷變形消失引起的強(qiáng)度損失。此外，高溫滲氮允許低溫硬化可以在比平常更高的溫度下進(jìn)行，沒有產(chǎn)生形成氮化物和/或碳化物的問題，并且更容易在隨后的低溫表面硬化過程活化材料的鈍化表面。因此，加速了硬化區(qū)的形成。此外，因?yàn)榈嬖谟诠倘荏w中，得到了更好的腐蝕特征。
[0021]鈍化合金的硬化的顯著改善可以通過氮的高溫溶解隨后低溫滲氮、滲碳或氮碳共滲獲得。其中可以形成擴(kuò)張奧氏體或擴(kuò)張馬氏體的任何鈍化合金是與本發(fā)明有關(guān)的，并且不銹鋼是優(yōu)選的，特別是冷變形的奧氏體不銹鋼。
[0022]任選的隨后的氮和/或碳的低溫溶解可在隨后的步驟中在材料上進(jìn)行，該低溫溶解發(fā)生的溫度低于鈍化合金中形成碳化物和/或氮化物的溫度，如低于450°C至550°C (取決于過程)，該材料不包含塑性形變，但具有塑性形變工件的水平的強(qiáng)度。這意味著敏化的風(fēng)險顯著降低。由于氮和碳的擴(kuò)散系數(shù)隨碳/氮含量的增加而增加，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在不銹鋼中的固溶體中氮和任選的碳的存在產(chǎn)生比使用現(xiàn)有技術(shù)的方法所能夠得到的更快的低溫過程。因此，在某些實(shí)例中鈍化合金是一種含有氮和/或碳的不銹鋼。
[0023]通過本發(fā)明有可能進(jìn)行鈍化材料(并且特別是不銹鋼)的、甚至強(qiáng)冷變形部件的低溫硬化，而沒有發(fā)生材料的敏化并且不損失強(qiáng)度。使用本發(fā)明的方法處理過的冷變形材料可以得到比未經(jīng)處理的材料顯著更好的耐腐蝕性。進(jìn)行的試驗(yàn)表明通過在高溫下(典型地高于1050°C )將氮和任選的碳溶解在不銹鋼中得到的強(qiáng)度可以給出一個(內(nèi)芯)強(qiáng)度或襯底承載能力，這足以補(bǔ)償在滲氮過程中加熱并維持高溫時當(dāng)通過重結(jié)晶除去冷變形時發(fā)生的強(qiáng)度損失。也就是說，盡管從冷變形得到的強(qiáng)度損失了，這種損失是從通過使用氮和任選的碳進(jìn)行固溶硬化得到的強(qiáng)度來補(bǔ)償。甚至相對少量的氮產(chǎn)生顯著的強(qiáng)度增加來提供承載能力，這對于耐磨擴(kuò)張奧氏體是必要的。
[0024]本發(fā)明的方法提供具有與冷變形構(gòu)件至少同樣的強(qiáng)度并且同時具有更好的耐腐蝕性的制造構(gòu)件，并且進(jìn)一步提供了花費(fèi)更少時間執(zhí)行的優(yōu)勢。
[0025]在溫度Tl以及任選的溫度T2的溶解可以使用任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)執(zhí)行。例如在溫度Tl以及溫度T2的溶解可在氣體過程中進(jìn)行，例如使用含氮?dú)怏w，如氨，優(yōu)選N2。溶解還可以使用離子注入、鹽浴或等離子體進(jìn)行。優(yōu)選的是，在溫度Tl以及溫度T2的溶解使用氣體進(jìn)行，因?yàn)檫@是一種廉價且有效的解決方案并且因?yàn)樗蓄愋偷膸缀涡螤羁梢员痪鶆虻靥幚?，并且存在良好的溫度均勻性。此外，使用氣體過程是指該過程是在熱力學(xué)定律的框架內(nèi)，這是指存在很好地受控的過程條件。采用氣體的進(jìn)一步優(yōu)勢是因?yàn)橐呀?jīng)出人意料地發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的高溫過程使得表面在低溫過程中使用氣體更容易活化。因此，在高溫溶解后更容易去除存在于鈍化材料上的不可滲透的氧化層(鈍化層)。據(jù)推測，這是由于在高溫下溶解的氮和任選的碳的存在。
[0026]任選的低溫過程可在高溫過程后立即進(jìn)行，但這不是強(qiáng)制的。還可能在偏離的時間與地點(diǎn)來執(zhí)行這兩個過程。如果具有在第一和第二溶解步驟之間的冷卻步驟的這些過程是在彼此之后立即進(jìn)行的，有可能避免表面的鈍化發(fā)生并且因此在低溫過程之前活化是多余的。因此，本發(fā)明還涉及一個實(shí)例，其中在溫度T2的溶解在從溫度Tl冷卻后立即進(jìn)行，而沒有高溫過程與低溫過程執(zhí)行之間的表面鈍化/活化。這可以是在同一爐中進(jìn)行。在使用氣體時，在低溫過程中使用的含有氮和/或碳的相關(guān)氣體可以當(dāng)材料被冷卻至溫度T2時立即供給。然而，冷卻有利地是在冷卻過程中使用氬氣而沒有任何氮來完成。使用氣體處理的一個優(yōu)勢是有可能使用在低溫過程中在溫度T2下不活化該表面的氣體。此實(shí)例的其他優(yōu)勢是硬化過程從而可以變得更便宜并且更快。
[0027]本發(fā)明的方法的另一優(yōu)勢是由于固溶體中存在氮，獲得更好的腐蝕特征。碳的溶解不會改變腐蝕特征。如果部件是使用氮?dú)馔耆柡偷?，該材料可被認(rèn)為是含氮合金。這將經(jīng)常是使用本發(fā)明的方法處理過的薄壁工件的情況，如材料厚度高達(dá)4_，如厚度為2-4_的工件。因此使用本發(fā)明的方法處理過的不銹鋼工件相比僅使用低溫過程處理過的工件具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)更好的耐腐蝕性(參見實(shí)例)。本發(fā)明的一個方面涉及根據(jù)本發(fā)明的方法處理過的冷變形金屬或合金的薄壁部件或工件。
[0028]對于薄壁部件，該材料可以是通過高溫過程使用氮?dú)馔耆柡偷?。在厚材料中可以得到高達(dá)幾毫米(例如高達(dá)約5mm)的表面區(qū)，其中氮是在固溶體中。在這兩種情況下材料的承載能力將得以提高并且可以與通過冷變形得到的相比較。在本發(fā)明的一個實(shí)例中，這允許具有高達(dá)約1mm厚度的工件是使用氮?dú)馔耆柡偷模员愕玫綇?qiáng)度特別大的工件。總體而言，該方法提供了在工件中得到擴(kuò)張奧氏體或擴(kuò)張馬氏體的厚度至少為5 μ m，并且擴(kuò)張奧氏體區(qū)或擴(kuò)張馬氏體區(qū)的硬度為至少1000HV，如超過1050HV。
[0029]本方法可進(jìn)一步包括在溫度T2的溶解是從在溫度Tl的溶解冷卻后立即發(fā)生，而未發(fā)生表面的鈍化。在某個實(shí)例中，在溫度Tl的第一溶解過程后冷卻發(fā)生特別快，例如在不超過60s的一段時間內(nèi)，在其中對于相關(guān)合金存在敏化以及析出物(例如氮化物和/或碳化物)形成的最大傾向的溫度區(qū)間內(nèi)。對于不銹鋼，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這特別發(fā)生在從900°C至700°C的區(qū)間內(nèi)，其中材料應(yīng)迅速冷卻。在一個實(shí)施例中，工件在少于60秒內(nèi)從900°C冷卻至700°C。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，工件在少于30秒內(nèi)從900°C冷卻至700°C。因此基本上避免了碳化物和/或氮化物的形成，并且這是一個優(yōu)勢，因?yàn)檫@些可與不銹鋼中的合金元素(如鉻)反應(yīng)。抑制了從固溶體的合金元素的消耗以及將其結(jié)合為氮化物和/或碳化物并且保持了耐腐蝕特征。
[0030]總的來說，本發(fā)明方法的特征可以自由結(jié)合，并且所有此類組合是在本發(fā)明中所設(shè)想到的。例如，當(dāng)該方法包括一個在溫度T2的第二溶解步驟時，所討論的在溫度Tl的第一溶解步驟的所有特征和變型也是相關(guān)的。同樣，所討論的在溫度T2將氮和/或碳溶解在工件中的隨后步驟的所有特征是與在溫度Tl的第一溶解步驟和在惰性氣體中的冷卻的特征的任何組合相關(guān)的，該溫度T2低于在鈍化合金中形成氮化物和/或碳化物的溫度。
[0031]在另一個方面，本發(fā)明涉及通過本發(fā)明方法固溶硬化的構(gòu)件。任何工件可以在該方法中處理，雖然優(yōu)選的是工件具有高達(dá)約1mm的厚度，因?yàn)檫@將規(guī)定所得到的構(gòu)件是使用氮?dú)馔耆柡偷摹８鶕?jù)本發(fā)明的一種方法固溶硬化的構(gòu)件可以用于任何【技術(shù)領(lǐng)域】。特別相關(guān)的領(lǐng)域包括在醫(yī)學(xué)、食品、汽車、化學(xué)、石化、制藥、船舶、包裝、手表、刀具/餐具、醫(yī)療、能源、紙漿和造紙、采礦或廢水技術(shù)的【技術(shù)領(lǐng)域】中使用的構(gòu)件。特別感興趣的構(gòu)件包括閥門(蝶閥、球閥、調(diào)節(jié)閥)、轉(zhuǎn)向螺栓、螺母、墊圈、緊固件、噴嘴、泵、機(jī)械部件、半導(dǎo)體ASML、套圈零件、球形軸承和軸承罩、氣動零件、膜等。
[0032]在另一方面，本發(fā)明涉及通過根據(jù)本發(fā)明方法固溶硬化的構(gòu)件，其中該構(gòu)件是一種閥門零件或在在閥門中使用的零件。
[0033]在另一方面，本發(fā)明涉及通過根據(jù)本發(fā)明方法固溶硬化的構(gòu)件，其中該構(gòu)件形成設(shè)計對象的外表面積，如容納文件或票據(jù)的夾子、標(biāo)志牌、支架、箱子的蓋子、刀具、手表、或與手柄安裝在一起的板或組成燈具的部分的板。
[0034]在另一方面，本發(fā)明涉及通過本發(fā)明方法固溶硬化的構(gòu)件，其中該構(gòu)件是軸承的一部分，例如球形軸承的一部分、滾柱軸承的一部分、或軸承罩。
[0035]在另一方面，本發(fā)明涉及通過根據(jù)本發(fā)明方法固溶硬化的構(gòu)件，其中該構(gòu)件是醫(yī)療設(shè)備、或醫(yī)療器械、或牙科設(shè)備、或牙科器械的一部分，或是醫(yī)療器械或牙科器械。
[0036]在另一方面，本發(fā)明涉及通過本發(fā)明方法固溶硬化的構(gòu)件，其中該構(gòu)件是制藥設(shè)備的一部分，如板、噴嘴、墊片、管、或格柵。
[0037]在另一方面，本發(fā)明涉及通過根據(jù)本發(fā)明方法固溶硬化的構(gòu)件，其中該構(gòu)件是車的一部分，如板，排氣系統(tǒng)中的零件、過濾器零件、發(fā)動機(jī)零件、固定裝置、手柄，或具有裝飾表面的零件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1示出了含氮奧氏體不銹鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖(TTT圖)。
[0039]圖2a示出了一組鎖緊墊圈。
[0040]圖2b示出了一組具有螺栓和螺母的鎖緊墊圈。
[0041]圖3示出了兩種現(xiàn)有技術(shù)方法處理過的鎖緊墊圈的顯微照片。
[0042]圖4示出了兩種現(xiàn)有技術(shù)方法處理過的鎖緊墊圈的顯微照片。
[0043]圖5示出了兩種現(xiàn)有技術(shù)方法處理過的AISI316樣品的顯微照片。
[0044]圖6示出了兩種現(xiàn)有技術(shù)方法處理過的AISI304樣品的顯微照片。
[0045]圖7示出了現(xiàn)有技術(shù)方法以及本發(fā)明的方法處理過的不銹鋼的硬度特征曲線。
[0046]圖8示出了本發(fā)明的方法和現(xiàn)有技術(shù)方法處理過的鎖緊墊圈。
[0047]圖9示出了現(xiàn)有技術(shù)方法(右)以及本發(fā)明的方法(左)處理過的AISI316樣品的顯微照片。
[0048]定義
[0049]在本發(fā)明的背景下，術(shù)語“擴(kuò)張奧氏體”和“擴(kuò)張馬氏體”分別描述了使用氮或碳，或氮和碳(相對于氦化物或碳化物的形成)已經(jīng)過飽和的奧氏體或馬氏體。擴(kuò)張奧氏體和擴(kuò)張馬氏體可以被指定為氮擴(kuò)張的或碳擴(kuò)張的，或該擴(kuò)張可以被指定為氮和碳擴(kuò)張的。然而，在本發(fā)明的背景下，“擴(kuò)張奧氏體”和“擴(kuò)張馬氏體”總體上分別廣義地指，使用氮、碳或氮和碳的任何組合擴(kuò)張的奧氏體或馬氏體。擴(kuò)張奧氏體的綜述是由T.L.Christiansen和M.A.J.Somers 提供(2009 年，Int.J.Mat.Res.，100:1361-1377)，其內(nèi)容通過引用包含于此。其中可以形成“擴(kuò)張奧氏體”或“擴(kuò)張馬氏體”的任何合金是本發(fā)明的方法設(shè)想到的。當(dāng)合金經(jīng)受氮或碳、或氮和碳的固溶時，擴(kuò)張奧氏體或擴(kuò)張馬氏體可以在合金的表面上形成，并且擴(kuò)張奧氏體或擴(kuò)張馬氏體還可以被稱為擴(kuò)張奧氏體或擴(kuò)張馬氏體的“區(qū)”。在本發(fā)明的背景下，術(shù)語“區(qū)”應(yīng)理解為涉及處理過的材料的厚度，所以“區(qū)”是與擴(kuò)張奧氏體或擴(kuò)張馬氏體的厚度可比的。本發(fā)明的方法提供了在工件中得到擴(kuò)張奧氏體或擴(kuò)張馬氏體的厚度至少為5 μ m，擴(kuò)張奧氏體區(qū)或擴(kuò)張馬氏體區(qū)的厚度可以高達(dá)約50 μ m或更高。
[0050]在本發(fā)明的術(shù)語中，“合金元素”可以是指在合金中的金屬成分或元素，或在合金的分析中的任何組分。特別地，在本發(fā)明的方法中相關(guān)的合金包含可以分別使用存在的氮和碳形成氮化物和/或碳化物的元素。本發(fā)明的方法有利地提供了一個不含合金元素的氮化物和碳化物的表面。然而，在本發(fā)明中還可以設(shè)想合金可以僅包含能夠形成氮化物和/或碳化物的單一金屬元素。合金還可以包含其他元素，如半金屬元素、金屬間元素、或非金屬元素。能夠形成氮化物和/或碳化物的合金元素典型地可以是對合金提供耐腐蝕性(由于與合金元素形成鈍化氧化層)的金屬元素。在本發(fā)明的背景下，所使用的術(shù)語“氮化物”以及“碳化物”是指在合金元素與氮以及碳之間分別形成的氮化物和碳化物。示例性的氮化物是氮化鉻、CrN或Cr2N,雖然術(shù)語“氮化物”以及“碳化物”不限于鉻的氮化物以及碳化物。
[0051]與合金或金屬相關(guān)的術(shù)語“鈍化”應(yīng)理解為在表面上具有氧化層的合金。作為合金所經(jīng)受的處理的結(jié)果，合金可以是自鈍化的或鈍化的。屬于自鈍化合金的組的是對氧具有很強(qiáng)的親和力的那些(例如Cr、T1、V)，包括含有這種合金元素的合金(例如含有至少10.5%的Cr的基本上是Fe基合金的不銹鋼)。
[0052]術(shù)語“冷變形”(也稱為“冷加工”)應(yīng)理解為在低于材料的重結(jié)晶溫度的溫度下通過外力在材料中引起的塑性形變。冷變形可以由一種實(shí)際的塑性形變提供，如鍛造、擠出、成型、拉伸、壓制、或軋制，并且還可以通過機(jī)械加工(如車削、銑削、沖孔、研磨或拋光等)引起，或通過這些過程的組合引起。
[0053]術(shù)語“敏化”應(yīng)理解為氮或碳通過與以其他方式用于在表面上形成保護(hù)性氧化層的一種或多種合金元素(例如不銹鋼中的鉻)進(jìn)行反應(yīng)已經(jīng)分別形成氮化物以及碳化物。當(dāng)敏化發(fā)生時，固溶體中的合金元素(如鉻)的游離含量降低到一定程度，該程度不再足以維持一個完整的保護(hù)性氧化物層，這意味著腐蝕特征惡化。
[0054]術(shù)語“碳化物和/或氮化物的溶解溫度”應(yīng)理解為氮化物/碳化物不穩(wěn)定的溫度，并且其中己形成的氮化物/碳化物溶解?？傮w而言，包含能夠形成氮化物和/或碳化物的金屬合金元素的合金將會有一個溫度區(qū)間，在該溫度區(qū)間中當(dāng)?shù)约疤挤謩e存在時可以形成氮化物和/成碳化物。因此，高于此溫度區(qū)間，氮化物和碳化物不會形成，并且已經(jīng)形成的氮化物/碳化物溶解。當(dāng)?shù)锘蛱蓟锎嬖跁r，即已經(jīng)發(fā)生敏化時，這些碳化物總體上只能通過將敏化的金屬暴露于奧氏體化溫度以上的溫度而去除。此外，這種合金具有該溫度區(qū)間以下的溫度，其中氮化物以及碳化物將不會形成，雖然已經(jīng)在合金中形成的氮化物或碳化物在此低溫下不會被去除。
[0055]“奧氏體化溫度”典型地是當(dāng)熱處理合金以便溶解碳化物時所用的溫度，并且因此“奧氏體化溫度”可以對應(yīng)于“碳化物的溶解溫度”。在奧氏體化溫度，合金是處于奧氏體相。鋼合金從鐵素體向奧氏體發(fā)生相變的溫度典型地是在比奧氏體化溫度稍低的溫度。
[0056]奧氏體化溫度以及在鈍化合金中形成碳化物和/或氮化物的溫度總體上是本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的。同樣地，低于該溫度則氮化物或碳化物無法形成的溫度總體上是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。此外，合金的熔化溫度總體上是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。這些溫度可能取決于鈍化合金的組成，并且對于任何給定的組成，這些溫度是由本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易地實(shí)驗(yàn)確定。
[0057]提及的合金含量是以重量百分?jǐn)?shù)表示。有關(guān)于合金或氣體的組成，不可避免的雜質(zhì)自然也可能存在，即使這沒有特別提及。

【具體實(shí)施方式】
[0058]圖1示出了含氮奧氏體不銹鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖(TTT圖)的一個實(shí)例:不銹鋼具有組成 Fe-19Cr-5Mn-5N1-3Mo-0.024C-0.69N(來自 J.W.Simmons，博士論文，俄勒同科技研究學(xué)院(Oregon Graduate Institute of Science and Technology) 1993 年)。在圖1 中，其中氮化物可能開始形成的溫度區(qū)間被指示為“Cr2N”。在本發(fā)明的方法中，因此將氮溶解在鈍化合金中的步驟是在奧氏體化溫度以上的溫度Tl進(jìn)行，并且將工件冷卻至一個溫度，該溫度低于在不含氮的惰性氣體中在鈍化合金中形成氮化物和/或碳化物的溫度。該方法可以包括將氮和/或碳溶解的第二步驟，該第二步驟是在低于氮化物和/或碳化物可以形成的溫度區(qū)間的溫度T2進(jìn)行。因此，溫度Tl高于溫度T2。將工件在溫度Tl的第一溶解步驟后在例如60s的時間范圍內(nèi)冷卻至一個溫度，該溫度低于在鈍化合金中形成氮化物和/或碳化物的溫度。因此，工件的鈍化合金相對于形成氮化物和/或碳化物將被穩(wěn)定化，并且然后可以如所希望的執(zhí)行任選的第二溶解步驟。在本發(fā)明的背景下，奧氏體化溫度還可以被稱為“高”溫。同樣地，低于碳化物和/或氮化物形成的溫度還被稱為“低”溫。
[0059]本發(fā)明的方法包括將氮和/或碳溶解在鈍化合金中的步驟。溶解氮的步驟還可以被稱為“氮的溶解”或“滲氮”，并且同樣地溶解碳的步驟還可以被稱為“碳的溶解”或“滲碳”。當(dāng)?shù)吞级叨既芙庠谕惶幚聿襟E中時可以被稱為“氮碳共滲”。
[0060]在某一方面，本發(fā)明涉及通過本發(fā)明的方法固溶硬化的構(gòu)件。在本發(fā)明的背景下，“處理過的”應(yīng)廣義地理解。特別地，術(shù)語“處理過的”是指在構(gòu)件的制造中已經(jīng)采用本發(fā)明的方法。因此，本發(fā)明還涉及使用本發(fā)明的方法制造的構(gòu)件，并且術(shù)語“在…處理過的”和“使用…制造的”可以互換使用。本發(fā)明的方法可以是在構(gòu)件的制造中的最后一步，或通過該方法處理過的構(gòu)件還可以經(jīng)受進(jìn)一步的處理步驟以提供最終構(gòu)件。
[0061]在本發(fā)明的背景下，“薄壁部件”是所具有的尺寸允許該部件在本發(fā)明的方法中用氮和/或碳完全飽和的部件。因此，“薄壁部件”可以具有的材料厚度為，例如在它的最小尺寸上高達(dá)并包括約1mm,如約2mm至約4mm的厚度或在從0.2mm至8mm范圍內(nèi)的厚度，或從
0.4mm至6mm范圍內(nèi)的厚度，或從0.5mm至5mm范圍內(nèi)的厚度，或從1.5mm至4.5mm范圍內(nèi)的厚度。該方法可用于任何薄壁部件。
[0062]其中得到一個或多個上述目標(biāo)的新穎并且獨(dú)特的方式是提供一種用于固溶硬化含有至少10%鉻的鈍化合金的冷變形工件的方法，該方法包括
[0063]-在溫度Tl至少將氮溶解在工件中，該溫度Tl是高于碳化物和/或氮化物的溶解溫度并且低于鈍化合金的熔點(diǎn)，其中在溫度Tl進(jìn)行氮的溶解得到了在50 μ m至5mm范圍內(nèi)的擴(kuò)散深度，并且
[0064]-在溫度Tl的溶解步驟后將工件冷卻至一個溫度，該溫度是低于在鈍化合金中形成碳化物和/或氮化物的溫度，其中該冷卻步驟在不含氮的惰性氣體中發(fā)生。該方法還進(jìn)一步包括在至少300°C的溫度T2將氮和/或碳溶解在工件中的一個隨后的第二步驟，該溫度T2是低于在鈍化合金中形成碳化物和/或氮化物的溫度。
[0065]本發(fā)明特別適用于不銹鋼以及可比較的合金，其中擴(kuò)張奧氏體或馬氏體可以在低溫溶解過程中得到?？傮w而言，基于鐵、鎳和/或鈷包含鉻的合金是與該方法相關(guān)的。鉻含量可能發(fā)生變化并且例如可以高達(dá)約10%。在其他實(shí)例中，鉻含量可能是在約10%或至少10%。因此，本發(fā)明在一個實(shí)例中涉及一種用于固溶硬化不銹鋼冷變形工件的方法。不銹鋼中的氮以及任選的碳還可以在一個溫度溶解，該溫度高于不銹鋼的奧氏體化溫度，例如存在的合金元素(如鉻)的碳化物和/或氮化物的溶解溫度。即使相對少量的氮也產(chǎn)生顯著的強(qiáng)度增加來提供負(fù)荷承載能力，這對于耐磨擴(kuò)張奧氏體是必要的。在本發(fā)明的一個實(shí)例中，擴(kuò)張奧氏體區(qū)或擴(kuò)張馬氏體區(qū)的硬度是至少1000HV。
[0066]在本發(fā)明的一個實(shí)例中，不銹鋼是奧氏體鋼。這種材料相比例如馬氏體不銹鋼是相對較軟的。因此，氮以及任選的碳在高溫過程中溶解對于這種材料是特別有利的。因此，得到的是奧氏體鋼獲得足夠的內(nèi)芯強(qiáng)度來補(bǔ)償強(qiáng)度的損失，這在冷變形消失時發(fā)生，并且然后有可能在低溫下溶解氮和/或碳，而沒有析出物(如氮化物和/或碳化物)的問題。在本發(fā)明的其他實(shí)例中，鈍化合金選自包含不銹鋼、奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、可沉淀硬化(PH)不銹鋼或鐵素體-奧氏體不銹鋼的組中；鐵素體-奧氏體不銹鋼還可以被稱為雙相不銹鋼。
[0067]氮以及任選的碳(其在不銹鋼中在高溫過程中溶解)的含量典型地將是小于按重量計1%，但是(如果希望的話)可以更高。這可以例如通過施加更高的氮以及任選的碳的活性來得到，例如在氣體過程中以更高的N2分壓的形式。(在不銹鋼中在低溫溶解下得到的)氮和/或碳的含量可分別高達(dá)按重量計14%以及按重量計6%。
[0068]在一個優(yōu)選的實(shí)例中，氮和/或碳的上述溶解在溫度Tl使用氣體發(fā)生，該氣體包含氮以及任選的碳，但它也可以通過離子注入、等離子輔助或通過鹽浴執(zhí)行。在一個優(yōu)選的實(shí)例中，使用含氮?dú)怏w(如n2)。氣體的壓力可高達(dá)幾巴，但它還可以是低于I巴，例如0.1巴。采用氣體是一個優(yōu)勢，因?yàn)樗蓄愋偷膸缀涡螤羁梢员痪鶆虻靥幚聿⑶掖嬖诹己玫臏囟染鶆蛐浴?br> [0069]在本發(fā)明的一個實(shí)例中，在溫度Tl以及溫度T2使用氣體執(zhí)行溶解。該氣體中含有氮和/或碳，并且在冷卻步驟中采用的氣體是不含氮的惰性氣體。在某些實(shí)例中，在溫度T2溶解是在選自包括基于氣體的過程、離子注入、鹽浴或等離子體的組的過程中執(zhí)行。
[0070]在本發(fā)明的一個實(shí)例中，50μπι至5_的擴(kuò)散深度是通過在溫度Tl溶解氮以及任選的碳得到的。這提供了堅(jiān)硬的表面和材料內(nèi)芯的強(qiáng)化。此時，因?yàn)槿芙馔ǔ墓ぜ膬蓚?cè)發(fā)生，所以可以得到具有的材料厚度與溶解深度可比較的或高達(dá)其兩倍左右的全硬化薄壁部件。對于更厚的部件，得到其中氮以及任選的碳處在固溶體中的相對厚的表面區(qū)。這為在隨后的低溫過程中在表面形成的擴(kuò)張奧氏體層提供了支持。對于薄壁工件，因此可以得到完全滲氮/滲碳/氮碳共滲的工件。即使這未充分得到，溶解將是一個顯著的優(yōu)勢，特別對于薄壁工件，其中對耐腐蝕性以及承載能力的嚴(yán)格要求是相關(guān)的，因?yàn)檫@些都在本發(fā)明的方法中顯著改善。
[0071]在本發(fā)明的一個實(shí)例中，溫度Tl是在1000°C以上，例如至少1050°C，或者它可以是至少1100。。，例如1120。?；?160。。、至少1200°C、或至少1250。。。溫度的上限是低于所處理的材料的熔點(diǎn)。對于不銹鋼，熔點(diǎn)是約1600°C。在本發(fā)明的一個實(shí)例中，溫度Tl是低于1600°C，如低于1500°C，或低于1400°C，例如低于1350°C。在本發(fā)明的一個實(shí)例中，溫度Tl是在1050°C和1300°C的范圍內(nèi)，例如在約1150°C。重要的是，溫度高于有關(guān)的碳化物和/或氮化物(可能潛在地在材料中形成)的溶解溫度，但低于所處理的材料的熔點(diǎn)。當(dāng)在溫度Tl在溶解中采用氣體時，所用的溫度可以考慮氣體混合物以及施加的氣體壓力來選擇。
[0072]在本發(fā)明的另一個實(shí)例中，碳在溫度T2溶解，并且在滲碳過程中溫度T2是低于550°C，優(yōu)選在300°C至530°C的范圍內(nèi)。
[0073]在本發(fā)明的又另一個實(shí)例中，氮在溫度T2溶解，并且在滲氮過程中溫度T2是低于5000C，如低于470°C，優(yōu)選在300°C至470°C的范圍內(nèi)。
[0074]在本發(fā)明的又另一個實(shí)例中，氮和碳在溫度T2溶解，并且在氮碳共滲過程中溫度T2是低于500°C，如低于470°C，優(yōu)選在300°C至470°C的范圍內(nèi)。
[0075]在本發(fā)明的一個實(shí)例中，高溫溶解是在溫度Tl進(jìn)行至少20min，例如至少30min、或至少I小時、或至少1.5小時、或至少2小時或至少3小時、或至少4小時、或至少5小時、或至少10小時或至少15小時。原則上沒有時間上限，因?yàn)樵跍囟萒l沒有形成氮化物或碳化物。在延長的處理中，根據(jù)其厚度，材料可以是使用氮以及任選的碳飽和的，即完全氮化的或氮碳共滲的。
[0076]在本發(fā)明的一個實(shí)例中，該方法包括在溫度Tl的溶解步驟后將材料冷卻到環(huán)境溫度。特別優(yōu)選的是在溫度T2的第二溶解步驟是在冷卻步驟后立即執(zhí)行；這將避免工件的鈍化，即形成氧化物層。在本發(fā)明的一個實(shí)例中，冷卻在高壓下發(fā)生，如在6巴至10巴的范圍內(nèi)，如在7巴或在8巴，或在9巴。冷卻發(fā)生在不含氮的惰性氣體中，如稀有氣體，例如氦(He)、氖(Ne)、lS (Ar)、氪(Kr)、氣(Xe)、或氡(Rn),或這些的任何混合物,其中気是特別優(yōu)選的。在另一個實(shí)例中，冷卻在高壓下發(fā)生在氬中，如在4巴至20巴的范圍內(nèi)，如在6巴至10巴的范圍內(nèi)，如在7巴或在8巴，或在9巴。
[0077]本發(fā)明還涉及使用本發(fā)明的方法溶解硬化的一種用于固定螺栓和螺母的不銹鋼鎖緊墊圈(參見圖2a和圖2b)。該鎖緊墊圈是相對薄壁的，所以使用本發(fā)明的方法硬化鎖緊墊圈，得到了鎖緊墊圈的強(qiáng)度和耐腐蝕性這二者的顯著并且必要的改進(jìn)。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，鎖緊墊圈具有帶徑向齒的第一側(cè)以及帶凸輪的相對另一側(cè)(凸輪側(cè))。鎖緊墊圈用于與凸輪彼此相對地成對安裝以獲得鎖鑰效應(yīng)。它們尤其適合于有效地鎖定暴露于極端的振動或動態(tài)負(fù)載及腐蝕性的環(huán)境中(如鹽水)的螺栓組件。因此，強(qiáng)烈要求這些墊圈的強(qiáng)度和耐腐蝕性。
[0078]本發(fā)明特別適用于不銹鋼和可比較的合金，其中擴(kuò)張奧氏體或馬氏體可以在低溫溶解過程得到。然而，本發(fā)明實(shí)際上是一個在鈍化合金，如鐵基合金、鈷基合金、鎳基合金或鉻基合金中使用氮以及任選的碳的提供了強(qiáng)度的高溫溶解過程，和一個關(guān)于腐蝕、處理速度以及強(qiáng)度的改進(jìn)的低溫溶解過程。
[0079]下面的實(shí)例用附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明了本發(fā)明的實(shí)例。
[0080]現(xiàn)有摶術(shù)實(shí)例I
[0081]通過現(xiàn)有技術(shù)的兩種方法硬化冷變形的奧氏體不銹鋼(AISI316)的鎖鑰墊圈。
[0082]將兩個相同的冷變形奧氏體不銹鋼(AISI316L)的鎖鑰墊圈進(jìn)行硬化。圖2示出了所述鎖鑰墊圈2的鎖鑰墊圈組I以及其使用。每個墊圈2具有帶徑向齒4的第一側(cè)3以及帶凸輪6的相對另一凸輪側(cè)5。在鎖鑰墊圈組I的使用過程中，如所示墊圈2被放置為與凸輪側(cè)5彼此面對。這兩個鎖鑰墊圈在440°C的溫度下使用氮和碳固溶硬化。一個墊圈使用PA2011 70208中公開的方法硬化，即在高溫過程中和隨后在低溫過程中，并且另一個墊圈使用即現(xiàn)有技術(shù)的同樣的低溫過程直接表面硬化。使用光學(xué)顯微鏡分析該墊圈。圖3和圖4在左側(cè)示出了僅使用氮碳共滲過程表面硬化的墊圈，該氮碳共滲過程使用含有氮和碳的氣體在440°C的溫度下大氣壓力下進(jìn)行16小時。在含氮區(qū)的外表面呈現(xiàn)部分敏化(氮化鉻沉淀)。變形的襯底出現(xiàn)強(qiáng)烈變形并明顯受到了為發(fā)展微觀結(jié)構(gòu)而采用的蝕刻液的影響。圖4示出了圖3的放大版本。
[0083]圖3和圖4在右側(cè)示出了使用在PA2011 70208中公開的方法處理過的墊圈。該墊圈暴露在高于1050°C的溫度下的含氮?dú)夥?N2氣)中并隨后在同樣的氣體中迅速冷卻。因此該材料是完全奧氏體化的并且該材料是用氮?dú)馔耆柡偷摹Ｈ缓笤搲|圈使用氮碳共滲過程表面硬化，該氮碳共滲過程是使用含有氮和碳的氣體在440°C的溫度下大氣壓力下進(jìn)行16小時，從而在區(qū)中的表面形成的擴(kuò)張奧氏體具有的厚度為至少5 μ m。氮碳共滲的含氮區(qū)沒有敏化并且襯底明顯沒有冷變形。然而兩個墊圈的襯底硬度(260-300HV0.5)以及表面硬度(1200-1400HV0.005)實(shí)際上是相同的。其中采用PA 201170208中公開的方法的墊圈的耐腐蝕性(在鹽噴霧室中的暴露時間(IS09227))比僅表面硬化的墊圈好很多倍(在室中直到觀察到腐蝕的時間)。采用PA2011 70208中公開的方法處理過的墊圈在400小時后沒有表現(xiàn)出腐蝕，然而直接低溫硬化的墊圈在20小時后已經(jīng)表現(xiàn)出清晰可見的腐蝕。通過將墊圈在高于1050°C的溫度下暴露于含氮?dú)夥?N2氣)中，以及隨后在不含氮的惰性氣氛(如氬)中快速冷卻(而不是在含氮?dú)夥罩欣鋮s)，可以得到耐腐蝕性的進(jìn)一步改進(jìn)，同時保持了其他有利特征。
[0084]現(xiàn)有摶術(shù)實(shí)例2
[0085]通過現(xiàn)有技術(shù)的方法以及PA2011 70208中公開的方法硬化冷變形的奧氏體不銹鋼(AISI316)。
[0086]將冷變形的奧氏體不銹鋼(AISI316)的兩個相同的部件(后套圈)在440°C的溫度下使用氮和碳固溶硬化。一個部件使用PA2011 70208中公開的方法硬化，即在高溫過程中和隨后在低溫過程中，并且另一個部件使用同樣的低溫過程直接表面硬化。圖5在左側(cè)示出了一個部件使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行的微觀結(jié)構(gòu)分析，該部件是僅使用氮碳共滲過程表面硬化的，該氮碳共滲過程是使用含有氮和碳的氣體在440°C的溫度下大氣壓力下進(jìn)行12小時。在含氮區(qū)中的外表面呈現(xiàn)部分敏化在最外表面出現(xiàn)明顯的CrN析出物。圖5在右側(cè)示出了用PA201170208中公開的方法處理過的部件。該部件暴露在高于1050°C的溫度下的含氮?dú)夥?N2氣)中并隨后在同樣的氣體中迅速冷卻。然后該部件表面使用低溫過程的氮碳共滲過程硬化，該氮碳共滲過程是使用含有氮和碳的氣體在440°C的溫度下進(jìn)行12小時。氮碳共滲的含氮區(qū)沒有敏化。然而兩個部件的襯底硬度(260-300HV0.5)以及表面硬度(1200-1400HV0.005)實(shí)際上是相同的。在這兩種情況下，擴(kuò)張的奧氏體區(qū)的總層厚為約20 μ m。最外層是氮擴(kuò)張的奧氏體，而最內(nèi)層是碳擴(kuò)張的奧氏體。兩個部件的耐腐蝕性是在按重量計14%的次氯酸鈉溶液中測試。采用PA2011 70208中公開的方法處理過的部件在24小時后沒有表現(xiàn)出腐蝕，然而直接低溫硬化的部件在僅10分鐘后表現(xiàn)出清晰可見的腐蝕。因此其中采用PA2011 70208中公開的方法的部件的不同之處在于具有比直接碳氮共滲的工件顯著更好的耐腐蝕性。通過將套圈在高于1050°C的溫度下暴露于含氮?dú)夥?N2氣)中，以及隨后在不含氮的惰性氣氛(如氬)中快速冷卻(而不是在含氮?dú)夥罩欣鋮s)，可以得到耐腐蝕性的進(jìn)一步改進(jìn)，同時保持了其他有利特征。
[0087]現(xiàn)有摶術(shù)實(shí)例3
[0088]通過現(xiàn)有技術(shù)的方法以及PA2011 70208中公開的方法硬化冷變形的奧氏體不銹鋼(AISI304)板。
[0089]將兩個相同的冷軋的(變形的)奧氏體不銹鋼板(AISI304)板在440°C的溫度下使用氮和碳固溶硬化。一個部件使用PA2011 70208中公開的方法硬化，即在高溫過程中和隨后在低溫過程中，并且另一個部件使用同樣的低溫過程直接表面硬化。圖6在左側(cè)示出了僅使用氮碳共滲過程表面硬化的一個部件，該氮碳共滲過程是使用含有氮和碳的氣體在440°C的溫度下進(jìn)行20小時，并隨后暴露于按重量計14%的次氯酸鈉溶液中70分鐘進(jìn)行腐蝕測試。圖6在右側(cè)示出了用PA2011 70208中公開的方法硬化的部件。該部件暴露在1150°C的溫度下的含氮?dú)夥?凡氣)中30分鐘并隨后在同樣的氣體中迅速冷卻。然后該部件使用氮碳共滲過程表面硬化，該氮碳共滲過程是使用含有氮和碳的氣體在440°C的溫度下進(jìn)行20小時。最終該部件通過暴露于按重量計14%的次氯酸鈉溶液暴露于腐蝕測試。表面即使經(jīng)過16個小時的暴露仍呈現(xiàn)未受腐蝕試驗(yàn)的影響。直接低溫硬化的部件在短期暴露/腐蝕試驗(yàn)(70分鐘)后可見明顯的腐蝕。因此采用了 PA2011 70208中公開的方法的部件的不同之處在于具有好很多的耐腐蝕性。通過將部件在高于1050°C的溫度下暴露于含氮?dú)夥?N2氣)中，以及隨后在不含氮的惰性氣氛(如氬)中快速冷卻(而不是在含氮?dú)夥罩欣鋮s)，可以得到耐腐蝕性的進(jìn)一步改進(jìn)，同時保持了其他有利特征。
[0090]實(shí)例 I
[0091]通過現(xiàn)有技術(shù)的方法以及本發(fā)明的方法處理的冷變形的奧氏體不銹鋼的硬度特征曲線。
[0092]將兩個相同的冷變形的奧氏體不銹鋼的部件通過現(xiàn)有技術(shù)的方法以及根據(jù)本發(fā)明的方法處理。將樣品暴露于高于1050°C的溫度下的含氮?dú)夥?N2氣)或氫氣(H2)氣氛中并隨后(對于N2-再處理的樣品)在氬氣或H2氣體中迅速冷卻。然后該部件表面使用低溫過程的氮碳共滲過程硬化，該氮碳共滲過程是使用含有氮和碳的氣體在440°C的溫度下進(jìn)行12小時。氮碳共滲的區(qū)沒有敏化。分析了樣品的硬度特征曲線并將結(jié)果示于圖7中。從圖?中明顯的是，在含氮?dú)夥罩懈邷靥幚?“EXPANITE ON HTSN”)的樣品保留材料的內(nèi)芯強(qiáng)度，而在氫中高溫退火(“EXPANITE ON ANNEALED”)的內(nèi)芯強(qiáng)度消失。
[0093]實(shí)例 2
[0094]用氮?dú)飧邷毓倘苡不又鴼鍤饫鋮s。
[0095]如在現(xiàn)有技術(shù)實(shí)例I中所述并且示于圖2，將冷變形的奧氏體不銹鋼(AISI316L)的鎖緊墊圈暴露于在高于1050°C的溫度下的含氮?dú)夥?N2氣)，然后在同樣的氣氛或氬氣氣氛中迅速冷卻至室溫。樣品沒有經(jīng)受進(jìn)一步的表面硬化。部件的耐腐蝕性是在按重量計14%的次氯酸鈉溶液中進(jìn)行測試。圖8示出了在氬氣中冷卻的三個示例性的鎖緊墊圈(左偵D以及在氮?dú)庵欣鋮s的三個鎖緊墊圈(右側(cè))。氬氣冷卻的鎖緊墊圈具有比氮?dú)庵欣鋮s的鎖緊墊圈(表現(xiàn)出明顯的腐蝕跡象)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越的耐腐蝕性。
[0096]實(shí)例 3
[0097]通過現(xiàn)有技術(shù)的方法以及本發(fā)明的方法硬化冷變形的奧氏體不銹鋼(AISI316)部件。
[0098]根據(jù)本發(fā)明處理過的冷變形的奧氏體不銹鋼AISI316的耐腐蝕性與現(xiàn)有技術(shù)的方法處理過的類似部件是可比的。腐蝕測試是通過將兩個表面硬化的部件浸到按重量計14%的次氯酸鈉溶液持續(xù)18小時進(jìn)行的。
[0099]圖9在左側(cè)示出了根據(jù)本發(fā)明處理過的部件，即在高溫過程中和隨后在氬氣中冷卻之后在低溫過程中，并且在右側(cè)的另一個部件使用低溫過程直接表面硬化。
[0100]根據(jù)本發(fā)明處理過的部件的表面即使經(jīng)過18個小時的暴露仍呈現(xiàn)未受腐蝕試驗(yàn)的影響。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)處理過的部件在短期暴露(7分鐘)后觀察到腐蝕。因此采用了本發(fā)明的方法的部件的不同之處在于具有好很多的耐腐蝕性。
【權(quán)利要求】
1.一種用于含有至少10%鉻的鈍化合金的冷變形工件的固溶硬化方法，該方法包括 -在溫度Tl至少將氮溶解在工件中，該溫度Tl是高于碳化物和/或氮化物的溶解溫度并且低于該鈍化合金的熔點(diǎn)，其中在溫度Tl進(jìn)行氮的溶解以得到在50 μ m至5mm范圍內(nèi)的擴(kuò)散深度，并且 -在溫度Tl的溶解步驟后將該工件冷卻至一個溫度，該溫度是低于在該鈍化合金中形成碳化物和/或氮化物的溫度，其中該冷卻步驟在不含氮的惰性氣體中發(fā)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括一個隨后的第二步驟，即，在至少300°C的溫度T2將氮和/或碳溶解在該工件中，該溫度T2是低于在該鈍化合金中形成碳化物和/或氮化物的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的方法，其中該惰性氣體選自氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、或氡(Rn)，或這些的任何混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中該惰性氣體除不可避免的雜質(zhì)以外TH HL ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中氮以及碳在溫度Tl溶解。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中該鈍化合金選自包含不銹鋼、奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、可沉淀硬化(PH)不銹鋼或鐵素體-奧氏體不銹鋼的組中。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在溫度Tl的溶解是使用含氮?dú)怏w，優(yōu)選N2,進(jìn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中在溫度T2的溶解是在選自包括基于氣體的過程、離子注入、鹽浴或等離子體的組的過程中進(jìn)行。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在溫度Tl以及溫度T2的溶解是使用氣體進(jìn)行。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中溫度Tl為至少1050°C，如在1050°C至1300°C范圍內(nèi)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中從溫度900°C至700°C的該冷卻是在少于60秒內(nèi)進(jìn)行。
12.根據(jù)權(quán)利要求2至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中碳在溫度T2溶解，并且溫度T2是低于550°C，優(yōu)選在300°C至530°C的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求2至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中氮在溫度T2溶解，并且溫度T2是低于500 V，優(yōu)選在300 V至470°C的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求2至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中氮和碳在溫度T2溶解，并且溫度T2是低于500°C，優(yōu)選在300°C至470°C的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求2至14中任一項(xiàng)所述的方法，其中在該工件中得到厚度為至少5μ m的擴(kuò)張奧氏體或擴(kuò)張馬氏體。
16.根據(jù)權(quán)利要求2至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中該擴(kuò)張奧氏體區(qū)或擴(kuò)張馬氏體區(qū)的硬度是至少1000HV。
17.根據(jù)權(quán)利要求2至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中在溫度T2的溶解是從在溫度Tl的溶解冷卻后立即發(fā)生，而未發(fā)生表面的鈍化，并且優(yōu)選在溫度T2的溶解是在與溫度Tl的溶解相同的爐中發(fā)生。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求1至17所述的方法固溶硬化的構(gòu)件。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的構(gòu)件，其中該工件具有最高達(dá)約1mm的厚度。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的構(gòu)件，其中該構(gòu)件是一種用于緊固一個固定零件的不銹鋼的鎖緊墊圈，該固定零件如螺栓和/或螺母。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的構(gòu)件，其中該鎖緊墊圈具有帶徑向齒的第一側(cè)以及帶凸輪的相對另一側(cè)。
【文檔編號】C23C8/34GK104246001SQ201380021884
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月27日
【發(fā)明者】T·L·克里斯琴森, T·S·胡梅爾肖, M·A·J·索默斯 申請人:?？怂古四崽丶夹g(shù)公司