真空碳氮共渗方法
阅读：1016发布：2020-05-12
专利汇可以提供真空碳氮共渗方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 的 真空 碳 氮共渗方法，其特征在于，在减压的真空 热处理 炉内将被处理 工件 加热至规定的 渗碳 温度 ，然后向炉内供给渗碳气体，进行真空渗碳处理，接着，在保持渗碳温度的状态下停止供给渗碳气体，在减压状态下使碳向被处理工件中扩散，接着，降低炉内温度后，向减压状态的炉内供给氮化气体，进行氮化处理。即使是由低级 钢 或表面硬化钢构成的被处理工件，也可以在较短的时间内、以良好的再现性获得表面硬度、有效硬化层深度和韧性等必需的热处理品质。，下面是真空碳氮共渗方法专利的具体信息内容。
技术领域
背景技术
作为对齿轮、轴承、燃料喷嘴、等速接头等钢制汽车部件进行渗 碳处理的真空渗碳方法，目前已经知道使用乙烯气体作为渗碳气体， 将真空热处理炉内减压至1-10kPa进行渗碳的方法(参见日本特开 平11-315363号公报)。
但是，在以往的方法中，将装载了许多被处理工件的篮筐放置在 真空热处理炉内可以保证温度均一性的有效加热空间中进行真空渗 碳时，由于在篮筐中装载的位置不同，被处理工件上产生渗碳不均 匀，装载位置不同的被处理工件的有效硬化层深度(渗碳深度)和表 面碳浓度等渗碳质量出现不均一的问题。
作为解决这个问题的真空渗碳方法，本申请人以前曾提出过使用 乙烯气体与氢气的混合气体作为渗碳气体的方法(参见日本特开2001 -262313号公报)。
采用上述本申请人提出的真空渗碳方法，即使在真空热处理炉内 的可以保证温度均一性的有效加热空间中配置许多被处理工件进行 渗碳的情况下，也可以防止在所有的被处理工件中产生渗碳不均，从 而可以使所有的被处理工件的渗碳品质保持均一。
但是，采用上述日本特开2001-262313号公报中记载的方法时， 低级钢(例如含有较多量的MnS等杂质的钢)、低合金钢以及低碳 钢在渗碳后急冷淬火时不能硬化，无法得到足够的表面硬度和有效硬 化层深度。另外，在该方法中，如果为了在低级钢中获得表面硬化层， 在向真空热处理炉内导入乙烯气体和氢气的同时还导入氨气，则残余 奥氏体增多，或者容易析出渗碳体。特别是在乙烯气体和氢气的基础 上还同时导入氨气的情况下，为了增大有效硬化层的深度，必须延长 处理的时间，导致生产成本提高。此外，在表面硬化钢的情况下，表 层部析出许多渗碳体而变脆，容易产生裂纹。
本发明是为了解决上述问题而完成的。本发明的目的是，提供可 以在较短的时间内、以良好的再现性在由低级钢或表面硬化钢构成的 被处理工件中获得表面硬度、有效硬化层深度以及韧性等必要的热处 理品质的真空碳氮共渗方法。
但是，在以往的方法中，将装载了许多被处理工件的篮筐放置在 真空热处理炉内可以保证温度均一性的有效加热空间中进行真空渗 碳时，由于在篮筐中装载的位置不同，被处理工件上产生渗碳不均 匀，装载位置不同的被处理工件的有效硬化层深度(渗碳深度)和表 面碳浓度等渗碳质量出现不均一的问题。
作为解决这个问题的真空渗碳方法，本申请人以前曾提出过使用 乙烯气体与氢气的混合气体作为渗碳气体的方法(参见日本特开2001 -262313号公报)。
采用上述本申请人提出的真空渗碳方法，即使在真空热处理炉内 的可以保证温度均一性的有效加热空间中配置许多被处理工件进行 渗碳的情况下，也可以防止在所有的被处理工件中产生渗碳不均，从 而可以使所有的被处理工件的渗碳品质保持均一。
但是，采用上述日本特开2001-262313号公报中记载的方法时， 低级钢(例如含有较多量的MnS等杂质的钢)、低合金钢以及低碳 钢在渗碳后急冷淬火时不能硬化，无法得到足够的表面硬度和有效硬 化层深度。另外，在该方法中，如果为了在低级钢中获得表面硬化层， 在向真空热处理炉内导入乙烯气体和氢气的同时还导入氨气，则残余 奥氏体增多，或者容易析出渗碳体。特别是在乙烯气体和氢气的基础 上还同时导入氨气的情况下，为了增大有效硬化层的深度，必须延长 处理的时间，导致生产成本提高。此外，在表面硬化钢的情况下，表 层部析出许多渗碳体而变脆，容易产生裂纹。
本发明是为了解决上述问题而完成的。本发明的目的是，提供可 以在较短的时间内、以良好的再现性在由低级钢或表面硬化钢构成的 被处理工件中获得表面硬度、有效硬化层深度以及韧性等必要的热处 理品质的真空碳氮共渗方法。
发明内容
本发明第1项发明所述的碳氮共渗方法，其特征在于，在减压的 真空热处理炉内将被处理工件加热至规定的渗碳温度，然后向炉内供 给渗碳气体，进行真空渗碳处理，接着，在保持渗碳温度的状态下停 止供给渗碳气体，在减压状态下使碳在被处理工件中扩散，降低炉内 温度后，向减压状态的炉内供给氮化气体，进行氮化处理。
采用第1项发明的真空碳氮共渗方法，即使是由低级钢构成的被 处理工件，也能防止表层部的残余奥氏体量过剩，提高表面硬度，同 时，可以在比较短的时间内增大有效硬化层深度。而且，可以简便地 控制有效硬化层深度，以良好的再现性获得所希望深度的有效硬化层 深度。另外，即使是由表面硬化钢构成的被处理工件，也可以减少在 表层部中的渗碳体的析出量，提高韧性，防止产生裂纹。
第2项发明所述的真空碳氮共渗方法是，在第1项发明的方法 中，使用乙烯气体与氢气的混合气体作为渗碳气体。
第3项发明所述的真空碳氮共渗方法是，在第1或2项发明的方 法中，基于氮化处理的时间来控制紧接在氮化处理后进行的淬火之后 的被处理工件的有效硬化层深度。在这种情况下，通过改变氮化时 间，可以再现性良好地获得各种深度的有效硬化层。
附图说明
图1表示本发明真空碳氮共渗方法处理工艺过程。
图2是表示采用本发明的方法进行了真空碳氮共渗处理的被处理 工件的表层部碳浓度和氮浓度的示意图。
图3表示实施例1-3和比较例中使用的被处理工件的纵剖面 图。
图4是表示按照实施例1进行真空碳氮共渗处理的被处理工件表 层部硬度分布的曲线图。
图5是表示按照实施例2进行真空碳氮共渗处理的被处理工件的 表层部硬度分布的曲线图。
图6是表示按照实施例3进行真空碳氮共渗处理的被处理工件的 表层部硬度分布的曲线图。
图7是表示按照比较例进行真空碳氮共渗处理的被处理工件的表 层部硬度分布的曲线图。
图8是表示实施例1-3中的氮化时间与有效硬化层深度关系的 曲线图。
采用第1项发明的真空碳氮共渗方法，即使是由低级钢构成的被 处理工件，也能防止表层部的残余奥氏体量过剩，提高表面硬度，同 时，可以在比较短的时间内增大有效硬化层深度。而且，可以简便地 控制有效硬化层深度，以良好的再现性获得所希望深度的有效硬化层 深度。另外，即使是由表面硬化钢构成的被处理工件，也可以减少在 表层部中的渗碳体的析出量，提高韧性，防止产生裂纹。
第2项发明所述的真空碳氮共渗方法是，在第1项发明的方法 中，使用乙烯气体与氢气的混合气体作为渗碳气体。
第3项发明所述的真空碳氮共渗方法是，在第1或2项发明的方 法中，基于氮化处理的时间来控制紧接在氮化处理后进行的淬火之后 的被处理工件的有效硬化层深度。在这种情况下，通过改变氮化时 间，可以再现性良好地获得各种深度的有效硬化层。
附图说明
图1表示本发明真空碳氮共渗方法处理工艺过程。
图2是表示采用本发明的方法进行了真空碳氮共渗处理的被处理 工件的表层部碳浓度和氮浓度的示意图。
图3表示实施例1-3和比较例中使用的被处理工件的纵剖面 图。
图4是表示按照实施例1进行真空碳氮共渗处理的被处理工件表 层部硬度分布的曲线图。
图5是表示按照实施例2进行真空碳氮共渗处理的被处理工件的 表层部硬度分布的曲线图。
图6是表示按照实施例3进行真空碳氮共渗处理的被处理工件的 表层部硬度分布的曲线图。
图7是表示按照比较例进行真空碳氮共渗处理的被处理工件的表 层部硬度分布的曲线图。
图8是表示实施例1-3中的氮化时间与有效硬化层深度关系的 曲线图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。
图1表示本发明的真空碳氮共渗方法的处理工艺过程。
如图1所示，碳氮共渗是按照如下进行的，即，将被处理工件装 入真空热处理炉内后，用真空排气装置使炉内减压。然后，将炉内加 热至规定的渗碳温度进行预热处理，之后一边向炉内供给渗碳气体 (例如乙烯气体与氢气的混合气体)，一边进行渗碳处理。接着，停 止供给乙烯气体和氢气，在与渗碳温度相等的扩散温度下进行扩散处 理。随后，使炉内温度降低至规定的氮化温度后，一边供给氮化气体 例如氨气，一边进行氮化处理，最后进行油淬火。从真空热处理炉内 的加热开始到氮化处理结束，持续用真空排气装置进行炉内排气。
在上述的处理工艺中，渗碳温度在870-1050℃为宜，例如930 -950℃，氮化温度为780-900℃并且比渗碳温度要低。预热时间根 据渗碳温度和被处理工件的形状而有所不同，一般是35-40分钟。 渗碳时间、扩散时间和氮化时间依据想要得到的有效硬化层深度而改 变。从渗碳温度到氮化温度的降温速度，因一次处理的被处理工件的 重量(装载重量)的改变而改变。另外，渗碳时的炉内压力在3-9kPa 为宜，氮化时的炉内压力在3-9kPa为宜。
在按图1所示的工艺过程进行真空碳氮共渗处理的情况下，在被 处理工件的表层部，如图2所示，距表面的深度越大，碳浓度(参见 图2中的实线)和氮浓度(参见图2中的虚线)越低。另外，氮化时 间越长，氮浓度越高。
下面说明本发明的具体实施例以及比较例。
作为被处理工件，使用由JIS SWCH10R构成的如图3所示形状 的推杆用杯形端头(1)。该杯形端头(1)的总长度L是13.5mm， 外径D是14mm，具有球形的凹部(2)。凹部(2)的内径d是4. 5mm。
实施例1
将多个杯形端头(1)以凹部(2)的开口朝下的姿态装载在二层 篮筐的下层，同时，在二层篮筐的上层装载多个样品，将该二层篮筐 放置在真空热处理炉内的温度均一性可以保证的有效加热空间内。杯 形端头(1)的总重量是17.5kg，杯形端头、样品、篮筐和托架的总 重量是75.5kg。
用8分钟将真空热处理炉内减压至0.14kPa，然后，用14分钟 将炉内的有效加热空间加热至930℃，在该温度下保持40分钟进行预 热处理。预热处理后，一面向热处理炉内供给乙烯气体和氢气，一面 在7-8kPa的压力下于930℃下保持100分钟进行渗碳处理。此时， 乙烯气体的流量控制在20升/分，氢气的流量控制在10升/分。渗 碳处理后停止供给乙烯气体和氢气在930℃保持80分钟进行扩散处 理。接着，用34分钟降温至850℃，然后一面向炉内供给氨气，一面 在2-4kPa的压力下和850℃温度下保持180℃进行氮化处理。氮化 处理之后，在由Dufnyquench(ダフニ-クエンチ)HV(出光公司制 造)构成的油温60℃的淬火油中淬火，油冷20分钟。油面压是10kPa， 使用油搅拌机以440rpm的转速搅拌淬火油。最后，在150℃下保持 90分钟进行回火处理。这样，对杯形端头(1)进行了真空碳氮共渗 处理。
实施例2
将氮化处理时间改为120分钟，除此之外与实施例1同样操作， 对杯形端头(1)进行真空碳氮共渗处理。
实施例3
将氮化处理时间改为60分钟，除此之外与实施例1同样操作， 对杯形端头(1)进行真空碳氮共渗处理。
比较例
与实施例1同样，将杯形端头(1)与样品一起装载到篮筐中。
用10分钟将真空热处理炉内减压至0.14kPa以下，然后，用10 分钟将炉内的有效加热空间加热至850℃，在该温度下保持40分钟进 行预热处理。预热处理后，一边向热处理炉内供给乙烯气体、氢气和 氨气，一边在4-5kPa的压力下于850℃下保持160分钟进行渗碳处 理。此时，乙烯气体的流量控制在10升/分，氢气的流量控制在5 升/分，氨气的流量控制在10升/分。渗碳处理后停止供给乙烯气 体、氢气和氨气，然后，在由Dufnyquench(ダフニ-クエンチ)HV (出光公司制造)构成的油温60℃的淬火油中淬火，油冷20分钟。 油面压是10kPa，使用油搅拌机以440rpm的转速搅拌淬火油。最后， 在150℃下保持90分钟进行回火处理。这样，对杯形端头(1)进行 了真空碳氮共渗处理。
评价试验
按照JIS G0577规定的方法，测定实施例1-3和比较例的经过 真空碳氮共渗处理的各杯形端头(1)的凹部(2)的底面的最深部P (参见图3)的硬度，对于实施例1和2，求出从上述最深部P的最 表面到0.1-1.5mm深度部分的硬度分布。对于实施例3，求出从 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， 对于比较例，求出从上述最深部P的最表面到0.1-1.2mm深度部 分的硬度分布。图4中示出实施例1的结果，图5中示出实施例2的 结果，图6中示出实施例3的结果，图7中示出比较例的结果。
由图4可以看出，对于实施例1，距最深部P的最表面0.1mm 深度部分的硬度是Hv744，具有Hv550硬度的有效硬化层深度是0. 55mm。
由图5可以看出，对于实施例2，距最深部P的最表面0.1mm 深度部分的硬度是Hv770，具有Hv550硬度的有效硬化层深度是0. 44mm。
由图6可以看出，对于实施例3，距最深部P的最表面0.1mm 深度部分的硬度是Hv740，具有Hv550硬度的有效硬化层深度是0. 31mm。
图8中示出实施例1-3中的氮化时间与有效硬化层深度的关 系。如图8中所示，有效硬化层深度与氮化时间与正比。
由图7可以看出，对于比较例，距最深部P的最表面0.1mm深 度部分的硬度是Hv730，具有Hv550硬度的有效硬化层深度是0. 22mm。另外，根据计算，为了使具有Hv550硬度的有效硬化层深度 达到0.55mm，碳氮共渗处理时间必须达到560分钟。
此外，观察实施例1-3的经过真空碳氮共渗处理的各杯形端头 (1)的凹部(2)的底面最深部P的表层部观察时，未发现残余奥氏 体和渗碳体，形成了良好的回火马氏体组织。与此相对，对比较例的 经过真空碳氮共渗处理的各杯形端头(1)的凹部(2)的底面最深部 P的表层部进行观察时，发现存在大量的残余奥氏体和渗碳体。而且， 在杯形端头(1)的表面上附着有大量的炭黑。
如上所述，本发明的真空碳氮共渗处理方法可以用于对低级钢和 表面硬化钢进行碳氮共渗处理，特别是由低级钢和表面硬化钢构成的 被处理工件，可以在较短的时间内以良好的再现性获得表面硬度、有 效硬化层深度和韧性等必需的热处理品质。
图1表示本发明的真空碳氮共渗方法的处理工艺过程。
如图1所示，碳氮共渗是按照如下进行的，即，将被处理工件装 入真空热处理炉内后，用真空排气装置使炉内减压。然后，将炉内加 热至规定的渗碳温度进行预热处理，之后一边向炉内供给渗碳气体 (例如乙烯气体与氢气的混合气体)，一边进行渗碳处理。接着，停 止供给乙烯气体和氢气，在与渗碳温度相等的扩散温度下进行扩散处 理。随后，使炉内温度降低至规定的氮化温度后，一边供给氮化气体 例如氨气，一边进行氮化处理，最后进行油淬火。从真空热处理炉内 的加热开始到氮化处理结束，持续用真空排气装置进行炉内排气。
在上述的处理工艺中，渗碳温度在870-1050℃为宜，例如930 -950℃，氮化温度为780-900℃并且比渗碳温度要低。预热时间根 据渗碳温度和被处理工件的形状而有所不同，一般是35-40分钟。 渗碳时间、扩散时间和氮化时间依据想要得到的有效硬化层深度而改 变。从渗碳温度到氮化温度的降温速度，因一次处理的被处理工件的 重量(装载重量)的改变而改变。另外，渗碳时的炉内压力在3-9kPa 为宜，氮化时的炉内压力在3-9kPa为宜。
在按图1所示的工艺过程进行真空碳氮共渗处理的情况下，在被 处理工件的表层部，如图2所示，距表面的深度越大，碳浓度(参见 图2中的实线)和氮浓度(参见图2中的虚线)越低。另外，氮化时 间越长，氮浓度越高。
下面说明本发明的具体实施例以及比较例。
作为被处理工件，使用由JIS SWCH10R构成的如图3所示形状 的推杆用杯形端头(1)。该杯形端头(1)的总长度L是13.5mm， 外径D是14mm，具有球形的凹部(2)。凹部(2)的内径d是4. 5mm。
实施例1
将多个杯形端头(1)以凹部(2)的开口朝下的姿态装载在二层 篮筐的下层，同时，在二层篮筐的上层装载多个样品，将该二层篮筐 放置在真空热处理炉内的温度均一性可以保证的有效加热空间内。杯 形端头(1)的总重量是17.5kg，杯形端头、样品、篮筐和托架的总 重量是75.5kg。
用8分钟将真空热处理炉内减压至0.14kPa，然后，用14分钟 将炉内的有效加热空间加热至930℃，在该温度下保持40分钟进行预 热处理。预热处理后，一面向热处理炉内供给乙烯气体和氢气，一面 在7-8kPa的压力下于930℃下保持100分钟进行渗碳处理。此时， 乙烯气体的流量控制在20升/分，氢气的流量控制在10升/分。渗 碳处理后停止供给乙烯气体和氢气在930℃保持80分钟进行扩散处 理。接着，用34分钟降温至850℃，然后一面向炉内供给氨气，一面 在2-4kPa的压力下和850℃温度下保持180℃进行氮化处理。氮化 处理之后，在由Dufnyquench(ダフニ-クエンチ)HV(出光公司制 造)构成的油温60℃的淬火油中淬火，油冷20分钟。油面压是10kPa， 使用油搅拌机以440rpm的转速搅拌淬火油。最后，在150℃下保持 90分钟进行回火处理。这样，对杯形端头(1)进行了真空碳氮共渗 处理。
实施例2
将氮化处理时间改为120分钟，除此之外与实施例1同样操作， 对杯形端头(1)进行真空碳氮共渗处理。
实施例3
将氮化处理时间改为60分钟，除此之外与实施例1同样操作， 对杯形端头(1)进行真空碳氮共渗处理。
比较例
与实施例1同样，将杯形端头(1)与样品一起装载到篮筐中。
用10分钟将真空热处理炉内减压至0.14kPa以下，然后，用10 分钟将炉内的有效加热空间加热至850℃，在该温度下保持40分钟进 行预热处理。预热处理后，一边向热处理炉内供给乙烯气体、氢气和 氨气，一边在4-5kPa的压力下于850℃下保持160分钟进行渗碳处 理。此时，乙烯气体的流量控制在10升/分，氢气的流量控制在5 升/分，氨气的流量控制在10升/分。渗碳处理后停止供给乙烯气 体、氢气和氨气，然后，在由Dufnyquench(ダフニ-クエンチ)HV (出光公司制造)构成的油温60℃的淬火油中淬火，油冷20分钟。 油面压是10kPa，使用油搅拌机以440rpm的转速搅拌淬火油。最后， 在150℃下保持90分钟进行回火处理。这样，对杯形端头(1)进行 了真空碳氮共渗处理。
评价试验
按照JIS G0577规定的方法，测定实施例1-3和比较例的经过 真空碳氮共渗处理的各杯形端头(1)的凹部(2)的底面的最深部P (参见图3)的硬度，对于实施例1和2，求出从上述最深部P的最 表面到0.1-1.5mm深度部分的硬度分布。对于实施例3，求出从 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， 对于比较例，求出从上述最深部P的最表面到0.1-1.2mm深度部 分的硬度分布。图4中示出实施例1的结果，图5中示出实施例2的 结果，图6中示出实施例3的结果，图7中示出比较例的结果。
由图4可以看出，对于实施例1，距最深部P的最表面0.1mm 深度部分的硬度是Hv744，具有Hv550硬度的有效硬化层深度是0. 55mm。
由图5可以看出，对于实施例2，距最深部P的最表面0.1mm 深度部分的硬度是Hv770，具有Hv550硬度的有效硬化层深度是0. 44mm。
由图6可以看出，对于实施例3，距最深部P的最表面0.1mm 深度部分的硬度是Hv740，具有Hv550硬度的有效硬化层深度是0. 31mm。
图8中示出实施例1-3中的氮化时间与有效硬化层深度的关 系。如图8中所示，有效硬化层深度与氮化时间与正比。
由图7可以看出，对于比较例，距最深部P的最表面0.1mm深 度部分的硬度是Hv730，具有Hv550硬度的有效硬化层深度是0. 22mm。另外，根据计算，为了使具有Hv550硬度的有效硬化层深度 达到0.55mm，碳氮共渗处理时间必须达到560分钟。
此外，观察实施例1-3的经过真空碳氮共渗处理的各杯形端头 (1)的凹部(2)的底面最深部P的表层部观察时，未发现残余奥氏 体和渗碳体，形成了良好的回火马氏体组织。与此相对，对比较例的 经过真空碳氮共渗处理的各杯形端头(1)的凹部(2)的底面最深部 P的表层部进行观察时，发现存在大量的残余奥氏体和渗碳体。而且， 在杯形端头(1)的表面上附着有大量的炭黑。
如上所述，本发明的真空碳氮共渗处理方法可以用于对低级钢和 表面硬化钢进行碳氮共渗处理，特别是由低级钢和表面硬化钢构成的 被处理工件，可以在较短的时间内以良好的再现性获得表面硬度、有 效硬化层深度和韧性等必需的热处理品质。
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