发明领域

本发明涉及一种主要用于钢制部件的渗碳方法和一种渗碳设备， 更具体地，涉及一种经济的渗碳方法和渗碳设备，能够高重复性进行 渗碳处理并获得高的渗碳质量。

相关技术的描述

作为传统的渗碳方法，存在气相渗碳法、等离子渗碳法、真空渗 碳法等。其中，气相渗碳法是一种进行渗碳并控制气氛的方法，因此， 可以稳定控制被处理物体表面的碳浓度。因此，由于渗碳处理在重复 性和质量方面优异，所以，该方法最广泛应用于汽车等的工业机械部 件。

然而，气相渗碳法存在成问题的缺点：渗碳气体的使用量高；在 燃烧废气时有危险；在被处理物体表面内发生晶粒间氧化；在高温渗 碳困难；等等。

虽然等离子渗碳法有利的是能渗碳难以渗碳的均匀材料，如不锈 钢、Ti合金等，但是，它存在一些问题：即设备成本高；当被处理物 体紧密排列时不能进行渗碳处理；经过渗碳处理的物体质量不稳定， 导致由于缺少气氛控制产生的渗碳处理重复性差。

真空渗碳法可以大致分成两种系统，一种已经长期使用的系统是 使用碳氢化合物如CH4、C3H8、C4H10作为渗碳剂，在高达约10-70kPa 的压力下进行渗碳。旧系统的真空渗碳法具有不发生晶粒间氧化的优 点，能够在高温下进行并且具有用短渗碳时间进行的可能性。然而， 积灰现象太强，经常需要困难的维护工作，并且维护工作的环境差。 此外，由于不进行气氛控制，所以存在渗碳处理重复性低的另一个问 题。

另一方面，新系统的真空渗碳方法是一种使用碳氢化合物如C3H8、 C2H2、C2H4作为渗碳气体在高达约10kPa或更低的压力下进行渗碳的系 统。这种系统的真空渗碳法与上述旧系统相比，具有积灰现象轻；不 产生晶粒间氧化；并且高温渗碳可能使渗碳时间缩短的优点。

本发明概述

但是，即使在其中渗碳过程中的压力为10kPa或更低的新系统的 真空渗碳法情况下，与上述旧系统类似，也不进行气氛控制，因此， 与旧系统一样，如果渗碳条件与普通渗碳条件不同，仍然存在渗碳处 理重复性差的问题。

顺便提一下，渗碳条件与普通渗碳条件不同指的是，例如，在被 处理物体的表面积或被处理物体表面的氧化程度改变的情况；构成渗 碳被处理物体的渗碳室的结构材料(壁材料)用新材料更换的情况；在 对上述渗碳室的泄漏量和从上述结构材料中蒸发的气体量变化的情 况。

此外，即使与旧系统相比，积灰量小，但是，在渗碳时产生的积 灰程度完全不监控，因此，问题没有完全解决。

所以，本发明提出解决传统技术存在的这些问题，并提供一种经 济的渗碳方法和渗碳设备，在渗碳处理的重复性方面优异，并且能进 行高质量的渗碳。

为了解决上述问题，本发明构成如下。即，根据本发明的渗碳方 法，在13-4,000Pa的压力下，在含有不超过30体积％一氧化碳的气 氛气体中的渗碳过程中，分析气氛气体的组成，并根据分析结果调节 温度、压力和气氛气体组成中的至少一项。

顺便提一下，可以通过测量在上述气氛气体中的氧含量来分析在 渗碳过程中的上述气氛气体的组成。

此外，可以通过测量上述气氛气体的热导率来分析在渗碳过程中 的上述气氛气体的组成。

此外，可以通过测量在上述气氛气体中的氢含量来分析在渗碳过 程中的上述气氛气体的组成。

此外，在13-4,000Pa的压力下在含有不大于30体积％的气氛 气体中进行渗碳的渗碳设备包括容纳被处理物体的渗碳室；在渗碳过 程中分析在上述渗碳室中的气氛气体组成的气体分析装置；根据上述 气体分析装置的分析结果改变上述渗碳室内温度的温度调节装置、根 据上述气体分析装置的分析结果改变上述渗碳室内压力的压力调节装 置、根据上述气体分析装置的分析结果改变上述渗碳室内的上述气氛 气体组成的气氛气体组成调节装置中的至少一种；和根据上述气体分 析装置的分析结果显示分析结果信息的信息显示设备。

顺便提一下，上述气体分析装置可以是一种氧传感器。氧传感器 优选的是具有耐133Pa或更低真空度的气密性结构。这样，可以进行 渗碳过程中的气氛气体组成分析而没有任何问题。

此外，上述气体分析装置可以是一种测量上述气氛气体热导率的 仪器。

上述气体分析装置也可以是一种氢传感器。

用这种方式，由于在渗碳时分析上述气氛气体的组成，并且调节 温度、压力和气氛气体组成的至少一项来进行渗碳过程，即由于在监 测和控制上述气氛气体的同时进行渗碳过程，甚至在被处理物体的表 面积或被处理物体表面的氧化程度改变的情况下；在构成使被处理物 体渗碳的渗碳室的结构材料(壁材料)用新材料代替的情况下；和在到 上述渗碳室的泄漏量和从上述结构材料蒸发的气体量改变的情况下， 渗碳处理的重复性也是优异的。

通过控制引入的渗碳气体的类型、量和组成等可以调节气氛气体 的组成。此外，通过控制温度和压力可以进行所述调节。

由于在渗碳过程中的上述气氛气体的分析结果通过上述信息显示 设备显示，所以，容易监测上述气氛气体的状态(组成)和渗碳处理的 状态。顺便提一下，可以通过用字母显示信息或通过仪表读数来进行 分析结果的显示。此外，通过使用光，如打开、熄灭或闪烁灯光；或 使用声响和声音，如打开蜂鸣器等来进行显示。

此外，基于上述气体分析装置的气氛气体分析结果，气氛气体的 组成和渗碳条件可以控制到最佳，因此，烟尘产生量可以抑制到非常 低。

此外，由于消耗的上述气氛气体量可以控制到最小必须量，所以， 该渗碳方法和渗碳设备是非常经济的。

同时，该渗碳方法和渗碳设备几乎不存在气体渗碳法所存在的问 题，如在燃烧废气等时的危险和由于大量CO2排放引起的环境破坏。此 外，可以进行高质量渗碳处理而没有伴随产生在被处理物体表面的晶 粒间氧化。

下文中，将详细描述本发明的渗碳方法和渗碳设备

关于渗碳处理温度

在本发明中的处理温度合适的是，在渗碳处理情况下为730- 1,100℃，在碳氮共渗处理的情况下为650-1,100℃。

如果渗碳处理温度低于730℃，积灰容易发生，如果高于1,100℃， 晶粒容易变粗。

在碳氮共渗处理的情况下，由于钢中渗氮降低了A1相变温度，合 适的处理温度为650-1,100℃。如果碳氮共渗的处理温度低于650℃， 积灰容易发生，如果高于1,100℃，晶粒容易变粗。

然而，在特定材料或特定用途的情况下，可以在上述范围以外的 温度进行渗碳处理和碳氮共渗处理。

关于压力和压力控制方法

在渗碳过程中的压力合适的是13-4,000Pa。如果低于13Pa，渗 碳能力太弱，容易导致不均匀的渗碳处理。另一方面，如果高于 4,000Pa，强烈发生烟尘聚集，导致渗碳不均匀且渗碳设备的渗碳室内 部维护变得很麻烦等问题。

在渗碳过程中，如果压力保持在13-4,000Pa，可以抑制烟尘产 生，而且在被处理的物体表面形成均匀的深渗碳层。为了进一步改进 这种效果，在渗碳过程中的压力优选的是133-667Pa。

顺便提一下，渗碳处理可以在13-4,000Pa范围内的恒定压力下 进行，然而，取决于被处理物体的类型，在13-4,000Pa的压力下的 渗碳处理和在13Pa或更低压力下的渗碳处理可以互易地进行(换言 之，可以在脉冲压力下进行处理)。

同样，在碳氮共渗处理情况下，可以在与渗碳处理类似的压力(13 -4,000Pa)下进行处理而没有任何问题，但是，压力可以比渗碳处理 压力略微增大。

可以通过传统使用的真空泵等进行渗碳室内部的压力降低而没有 任何问题。优选的是在渗碳室和上述真空泵之间安装普通流导阀等， 使得与隔膜型真空表联锁操作而不受气体类型和组成的影响，通过流 导阀等来控制渗碳室内部的压力。

关于渗碳气体和气氛气体中的一氧化碳浓度

用作气氛气体的渗碳气体的实例是碳氢化合物，不管是气态还是 液态的都可以使用，例如CH4、C3H8、C4H10、C2H2、C6H6、C7H6等。它们可 以单独使用或者以其两种或多种的混合物形式使用。此外，含有C、H、 O的化合物，如CH3OH、CH3COCH3、CH3COOC2H5等也可以用作渗碳气体。 此外，N2、H2、CO2、H2O、Ar、He、O2、空气等可以与上述引入到渗碳 室内的碳氢化合物和含C、H、O的化合物混合。

尤其是只含有C4H10或50体积％或更多C4H10的渗碳气体的有利方面 是其成本节约；与C2H2相比，其危险性更小；与CH4和C3H8相比，其渗 碳能力强；它伴随很少的积灰；它提供优异的渗碳质量，几乎没有渗 碳不均匀性。

然而，在渗碳过程中，优选的是保持渗碳室内的全部气氛气体中 的一氧化碳(CO)比例不大于30体积％。如果CO比例高于30体积％，渗 碳能力变弱，渗碳速度降低。此外，可能发生晶粒间氧化。为了充分 抑制这种不利作用，CO比例进一步优选的是保持在20体积％或更低。

关于进出渗碳室的气体引入方法和气体排出方法

向渗碳室中引入渗碳气体的引入口可以是一个，但是如果可能， 形成两个或多个是优选的。此外，在各个气体引入管中间安装气动阀 门，通过开关气动阀门，气体通过各个引入口以一定的时间间隔引入 是优选的。

上述引入口希望的是具有10毫米的直径，或者出口部分更窄，优 选的是所谓喷嘴型的引入口。

把气氛气体从渗碳室中排出的废气排出口可以是一个，但是如果 可能，形成两个或多个是优选的。此外，在各个气体引入管中间安装 气动阀门，通过开关气动阀门，气体通过各个废气排出口以一定的时 间间隔排出是优选的。

此外，上述引入口的气动阀门和上述废气排出口的气动阀门可以 以希望的方式联锁操作。

关于分析气氛气体组成的气体分析装置

(a)传统上已知质谱仪(如四极质谱仪)和气相色谱分析仪等用作 分析减压下的气体的设备，或者用于分析减压气体恢复到大气压后的 气体的设备，然而，这些设备成本高。此外，一般来说，这些设备不 能构成分析气氛气体并通过结果反馈来控制上述气氛气体的设备。因 此，如上所述，这种设备不能用于大规模生产的渗碳设备。

然而，如果分析气体的种类严格限制到一定程度以降低成本，并 且进一步构造这些设备使其能通过分析结果的反馈来控制气氛气体， 那么，这些设备将来可能用于大规模生产的渗碳设备中。

(b)氧传感器

在被处理物体的表面积或被处理物体表面的氧化程度变化的情况 下；在构成使被处理物体渗碳的渗碳室的结构材料(壁材料)用新材料 更换的情况下；和在到上述渗碳室的泄漏量和从上述结构材料蒸发的 气体量变化的情况下，在渗碳室内的气氛气体的氧浓度明显变化。

这将与一个实施例一起更特别地描述。例如，在引入恒定量的碳 氢化合物进行渗碳的情况下，碳氢化合物向被处理物体提供碳，同时 通过与物体携带的氧和由于泄漏等进入渗碳室的氧等反应而消耗，因 此，如果被处理物体的整个表面积不同，在渗碳室内的气氛气体中的 氧浓度改变，在气化气体中的碳浓度也改变。即在引入恒定量碳氢化 合物进行渗碳的情况下，如果被处理物体的整个表面积宽，与被处理 物体的整个表面积窄的情况相比，渗碳室内的气氛气体中的氧浓度增 大。

如上所述，在被处理物体的整个表面积与正常的表面积不同的情 况下，如果通过氧传感器等测量气氛气体中的氧浓度，并根据测量结 果控制碳氢化合物的引入量(控制气氛气体的组成)，以便控制合适的 氧浓度，可以控制在气氛气体中的碳浓度，因此，物体的渗碳质量可 以保持正常。

此外，在构成使被处理物体渗碳的渗碳室的结构材料(壁材料)用 新材料更换的情况下或者在到上述渗碳室的泄漏量和从上述结构材料 蒸发的气体量变化的情况下，与上述情况相同，在渗碳过程中，渗碳 室内的气氛气体的氧浓度改变。因此，被处理物体的表面积不同于正 常的表面积，如果通过氧传感器等测量气氛气体中的氧浓度，并根据 测量结果控制碳氢化合物的引入量，以便用上述相同的方法保持合适 的氧浓度，物体的渗碳质量可以保持与正常情况一样。

顺便提一下，渗碳质量的控制可以如上所述通过控制气氛气体的 组成来控制，也可以通过控制渗碳室内的温度和压力来控制。

此外，可以利用氧传感器探测积灰的产生。也就是，因为在没有 烟尘聚集的正常渗碳的情况与伴随烟尘聚集的渗碳情况之间，渗碳室 内的气氛气体中的氧浓度不同。

此外，如果发生烟尘聚集，即使引入大量的碳氢化合物，例如， 降低氧传感器电动势的现象发生。因此，如果电动势不同并且电动势 的降低程度超过预定值，预料会发生积灰。所以，通过降低碳氢化合 物的引入量可以改变气氛气体的组成和量，或者可以改变渗碳条件， 如温度、压力等，或者通过信息显示设备显示烟灰的产生或者给出产 生的警报。

作为这种氧传感器型式，可以使用间接型和直接型，可以直接插 入渗碳室的直接型氧传感器是优选的。此外，装有在甲烷等碳氢化合 物分解时不产生催化反应的电极的氧传感器是优选的。例如，优选的 氧传感器是用主要为氧化锆的固体电解质材料制成的氧传感器。

当然，如果氧传感器能够测量氧，则不特别限制传感器的类型和 体系。

(c)测量热导率的仪器

在被处理物体的表面积或被处理物体表面的氧化程度变化的情况 下；在构成使被处理物体渗碳的渗碳室的结构材料(壁材料)用新材料 更换的情况下；和在到上述渗碳室的泄漏量和从上述结构材料蒸发的 气体量变化的情况下，在渗碳过程中，渗碳室内的气氛气体的热导率 明显变化。

这将与一个实施例一起描述。例如，在恒温恒压下引入恒定量的 C3H8时进行渗碳的情况下，如果被处理物体的整个表面积比通常情况 宽，C3H8比通常情况下分解更多。因此，由于C3H8分解产生的H2量增 大，渗碳室内的气氛气体的热导率增大(H2的热导率至少为C3H8的10 倍)。

因此，如果测量渗碳室内的气氛气体的热导率并增加C3H8的引入 量，以保持热导率与在被处理物体的整个表面积在正常情况下一样， 可以控制气氛气体中的碳浓度，所以可以保持物体的渗碳质量与正常 情况下相同。

如果C3H8过量分解，足够深地渗碳被处理物体达到中心部分有时 变得困难，或者如果被处理物体有气孔，充分渗碳气孔内表面有时变 得困难。因此，为了可靠地保持足够量的C3H8，测量气氛气体的热导 率并控制气氛气体中的C3H8量是优选的。

此外，同样在构成使被处理物体渗碳的渗碳室的结构材料(壁材料) 用新材料更换的情况下和到上述渗碳室的泄漏量以及从上述结构材料 蒸发的气体量变化的情况下，气氛气体的热导率在渗碳过程中与如上 所述的相同方式发生变化。因此，如上所述，如果通过上述一起分析 气氛气体的热导率，并且控制C3H8的引入量，使得保持合适的热导率， 可以保持物体的渗碳质量与正常一样。

顺便提一下，渗碳质量的控制可以通过如上所述控制气氛气体的 组成来进行，并且可以通过控制渗碳室内的温度和压力来进行。

此外，如果测量气氛气体的热导率并且把气氛气体的组成和量保 持在适当值，可以使积灰难以发生。

在本发明中，可以使用直接测量气氛气体热导率的仪器，并且可 以使用不是直接测量热导率而是测量真空度、温度、阻力等物理量的 仪器而没有任何限制。

作为这些仪器，实例是热电偶真空表、热敏电阻真空表、Pirani 真空表、双金属真空表、对流真空表等。这些仪器是测量以热导率为 基础的物理量的仪器，最终通过把物理量转变成压力值给出输出。

其中，Pirani真空表是最优选的，可以在高压下使用的恒温型 Pirani真空表是更优选的。

顺便提一下，在本发明中，上述真空表用于测量渗碳室内的气氛 气体的热导率，渗碳室的压力用不受气体种类和组成影响的隔膜式真 空表等测量。

传统上，热电偶真空表、热敏电阻真空表、Pirani真空表、双金 属真空表、对流真空表等用于测量主要作为真空获得程度指标的压力 等，与本发明中不同，它们不象在本发明中那样，用于分析气体组成 并控制渗碳的气氛气体，更具体地，控制气氛气体中的碳浓度。

(d)氢传感器

在被处理物体的表面积或被处理物体表面的氧化程度变化的情况 下；在构成使被处理物体渗碳的渗碳室的结构材料(壁材料)用新材料 更换的情况下；在到上述渗碳室的泄漏量和从上述结构材料蒸发的气 体量变化的情况下，渗碳室内气氛气体中的氢气浓度明显变化。

这将与一个实施例一起描述。例如，在恒温恒压下引入恒定量C3H8 的情况下，如果被处理物体的整个表面积比正常情况大，那么，C3H8 比正常情况分解更多，因此，在气氛气体中的氢气浓度增大。

因此，如果通过氢传感器等测量渗碳室内的气氛气体中的氢气浓 度，并增大C3H8的引入量，以保持氢气浓度与被处理物体的整个表面 积正常的情况下一样，可以控制气氛气体中的碳浓度，所以，物体的 渗碳质量可以保持与正常情况相同。

如果C3H8过量分解，足够深地渗碳被处理物体达到其中心部分有 时变得困难，或者如果被处理物体有气孔，充分渗碳气孔的内表面有 时变得困难。因此，为了可靠地保持足够量的C3H8，测量气氛气体中 的氢气浓度并控制气氛气体中的C3H8量是优选的。

此外，同样在构成使被处理物体渗碳的渗碳室的结构材料用新材 料更换的情况下和到上述渗碳室的泄漏量以及从上述结构材料蒸发的 气体量变化的情况下，气氛气体中的氢气浓度在渗碳过程中与如上所 述相同的方式发生变化。因此，如上所述，如果用氢传感器等分析气 氛气体中的氢气浓度，并通过根据测量结果控制C3H8的引入量，来控 制C3H8的引入量以保持合适的氢气浓度，物体的渗碳质量可以保持与 正常情况一样。

顺便提一下，渗碳质量的控制可以通过如上所述控制气氛气体的 组成来控制，并且可以通过控制渗碳室内的温度和压力来控制。

此外，如果测量气氛气体中的氢气浓度，并保持气氛气体的组成 为适当值，可以使积灰难以发生。

作为测量氢气浓度的传感器，使用的一个实例是装有电化学型隔 膜的氢传感器等，然而，只要传感器能够测量氢气，根本不限制其种 类和体系。

由于装有电化学型隔膜的氢传感器不能用在降压条件下，渗碳室 内的气氛气体或者取样或者引入到另一个空间中，再用N2、Ar等把压 力增大到大气压后进行测量。

上述氧传感器、测量热导率的仪器、和氢传感器可以单独使用， 或者其两种或多种结合使用。

顺便提一下，由于真空渗碳法不象气相渗碳法那样，在气氛气体 的平衡态中进行反应，所以，气氛气体的碳浓度不能根据气体平衡反 应从上述传感器的测量值计算。

因此，在不发生积灰并且渗碳处理在最小必须极限内的气氛气体 中均匀进行的条件下的氧含量、氢含量和热导率必须通过上述传感器 预先测量，并预先测量被处理物体的碳浓度。

在进行渗碳处理时，温度、压力和气氛气体组成的至少一项可以 控制，以便保持气氛气体的氧含量、氢含量和热导率是上述最佳条件 的相同值。为了控制气氛气体的组成，可以向渗碳室中引入希望种类 的气体或希望量的希望的气体组成，来控制该组成为最佳的气氛气体。

因此，在渗碳条件从正常条件发生变化的情况下，在被处理物体 的表面积或被处理物体表面的氧化程度变化的情况下；在构成使被处 理物体渗碳的渗碳室的结构材料(壁材料)用新材料更换的情况下；和 在到上述渗碳室的泄漏量以及从上述结构材料蒸发的气体量发生变化 的情况下，如果控制气氛气体以便保持氧含量、氢含量和热导率为与 上述最佳条件相同的值，那么，气氛气体中的碳浓度可以控制，并且 被处理物体的渗碳质量与正常情况相同。

关于碳氮共渗处理

在进行碳氮共渗处理的情况下，使用与含氮化合物如NH3、C3H7NO等混合的渗碳气体作为气氛气体，并且可以用相同的方式进行处理。 顺便提一下，在碳氮共渗处理的情况下，压力可以比渗碳处理情况下 增大。

关于热处理曲线

在渗碳处理情况下的热处理曲线的典型实例表示于图1。从图1 可以理解，渗碳处理包括升温步骤、第一保温步骤、渗碳步骤、扩散 步骤、降温步骤、第二保温步骤。如果渗碳步骤和扩散步骤重复进行 两次或多次，可以有效地加深渗碳深度。

升温步骤和第一保温步骤可以在1.4Pa或更低压力的真空中进 行，或者在13-67,000Pa的压力条件下在气流中进行。顺便提一下， 作为所述气体，N2、H2、CO2、H2O、Ar、He、O2、和空气可以单独使用 或者以其两种或多种的混合物形式使用。

然后，渗碳步骤可以在气氛气体中和上述压力条件下进行。

扩散步骤、降温步骤和第二保温步骤可以在1.4Pa或更低压力的 真空中进行，或者在13-67,000Pa的压力条件下在气流中进行。作 为所述气体，N2、H2、CO2、H2O、Ar、He、O2、和空气可以单独使用或 者以其两种或多种的混合物形式使用。

特别是如果扩散步骤在13-4,000Pa的压力下在H2气流中进行， 在被处理物体上和渗碳室内的烟灰可以除去，并且可以有效调节在被 处理物体表面上的碳浓度。

当完成第二保温步骤，被处理物体从渗碳室转移到硬化室中时， 为了烧掉气体，一种气体可以通过氧传感器和渗碳室。作为该气体， 空气、N2、H2、CO2、H2O、O2等可以单独使用或者以其两种或多种的混 合物形式使用。

关于系统框图

图4表示关于在渗碳处理过程中气氛气体和渗碳条件控制的系统 框图的一个实例。

本发明的渗碳方法和渗碳设备可以不限于对真空渗碳法的应用， 而是可以用于等离子渗碳法的多种系统。

附图简述

图1是表示渗碳处理过程中的典型热处理曲线的略图；

图2是表示本发明的一种实施方案的渗碳设备的结构的示意图。

图3是表示在实施例1-3的渗碳处理过程中的热处理曲线的略 图；和

图4是表示与在渗碳处理过程中的气氛气体和渗碳条件的控制有 关的系统框图的一种实例的略图。

优选的实施方案的详细描述

现将参考附图更详细地描述根据本发明的渗碳方法和渗碳设备的 实施方案。顺便提一下，这些实施方案仅是本发明的实施例，本发明 不限于这些实施方案。

(实施例1)

图2是表示本发明的一种实施方案的渗碳设备结构的示意图。该 设备是一种附加油浴的真空渗碳设备(渗碳室3的内部有效尺寸：760 毫米长、380毫米宽、350毫米高)，能够渗碳200kg重的物体。

首先描述该渗碳设备的结构。

该渗碳设备提供了一个容纳每个被处理物体4并进行渗碳处理的 渗碳室3，一个用于空冷经过在渗碳室3中渗碳处理的每个物体4的 冷却室8，一个用于油冷在冷却室8中冷却的每个物体4的油箱6。

一个开关中间真空门9安装在渗碳室3与冷却室8之间，当中间 真空门9处于打开状态时，连通两个室3和8。此外，一个前面的开 关真空门7安装在冷却室8上，当前面的真空门处于打开状态时，室 8与大气连通。此外，油箱连续安装在冷却室8的下部，使每个被处 理物体4浸入到油箱6的油内进行油冷。

此外，渗碳室3通过管道与抽真空设备13连接，使渗碳室通过抽 真空设备13保持在真空状态。与渗碳室3类似，冷却室8也通过管道 与抽真空设备13连接，使得冷却室8通过抽真空设备13保持真空状 态。顺便提一下，真空开关阀门10、12安装在上述各个管道上。

然后，下面将描述使用如上所述的渗碳设备进行钢制物体的渗碳 处理的一种方法。在这种情况下，即使经过渗碳处理的物体的整个表 面积比正常情况下大，被处理物体的渗碳质量也能保持与正常情况一 样高。

除此以外，即使在条件与正常情况不同，例如在构成渗碳室3的 结构材料(壁材料)用新材料更换，和在到渗碳室3的泄漏量以及从上 述结构材料蒸发的气体量发生变化，被处理物体的渗碳质量也可以保 持与正常情况一样高。

每个被处理物体4是SCM415制成的柱形试件(直径15毫米，长 20毫米)，用夹具在9个点上固定在矩形立体渗碳室3的中心部分和 角部(8个点)。此外，用夹具在渗碳室3内以适当的数量安装用STKM 13A制成的圆筒形试件(外径48.6毫米，内径41.6毫米，长50毫米)， 其总表面积(柱形试件和圆筒形试件)成为5m2。

顺便提一下，渗碳这9个SCM415制成的试件的条件是传统的渗碳 条件，用STKM 13A制成的试件用于通过增大经过渗碳处理的钢材料的 总表面积，使渗碳处理条件从传统条件明显改变。

按照图3所示的热处理曲线进行渗碳处理。即用抽真空设备13把 渗碳室3抽真空到1.4Pa或更低的压力，在通过该图以外的加热设备 把温度升高到950℃(升温步骤)后，保温30分钟(第一保温步骤)。顺 便提一下，用热电偶19来测量温度。

然后，通过抽真空设备13把渗碳室3抽真空，来降低压力，渗碳 室3内的压力通过连接隔膜型真空表2的流导阀11自动控制在500Pa。 然后，通过向渗碳室3内引入渗碳气体(C4H10)进行40分钟渗碳(渗碳 步骤)，并通过质量流量控制器5和引入阀21控制引入，使得氧传感 器20检测的电动势为1350mV，这是正常渗碳情况下的电动势。此时 渗碳气体的平均流量约为5L/min。顺便提一下，根据必要性，N2、H2、 CO2、H2O、Ar、He、O2、空气等可以单独或者以其两种或多种混合物的 形式与C4H10一起引入。

气氛气体的组成可以根据氧传感器用这种方式测量的气氛气体中 的氧含量来控制，然而，它可以根据上述的热导率和气氛气体中的氢 含量来控制。在这种情况下，例如，可以使用恒温型Pirani型真空表 1或氢传感器14。

然而，由于氢传感器14不能在真空中使用，把气氛气体取样在用 于氢气分析的容器16中，用氮气把压力恢复到大气压，然后用氢传感 器14进行测量。

此外，渗碳设备可以装备信息显示设备，用于以字母信息、仪器 指针、灯、蜂鸣器、或声响和声音的形式表示通过氧传感器、恒温型 Pirani真空表1和氢传感器测量的气氛气体的分析结果。此外，可以 安装显示产生积灰的显示设备或报警设备。

然后，在压力保持在133Pa时，以1L/min的流量用H2冲洗60 分钟，进行扩散步骤。

然后，把所得的物体4移到冷却室8中，冷却到850℃(降温步骤) 并保温30分钟(第二保温步骤)。降温步骤和第二保温步骤在1.4Pa 或更低压力的真空中进行。此后，把每个物体4浸在油中，油冷到60℃。

顺便提一下，图2中的符号15、17、18是阀门。连接到隔膜型真 空表2的流导阀11相当于压力调节装置，它是本发明的一个组成部件， 质量流量控制器5相当于气氛气体组成调节装置。

关于以这种方法获得的每个物体4(用SCM415制成的每个试件)， 评价了在每个物体4和每个夹具内的有效壳深度(维氏硬度为Hv550 的深度)、表面碳浓度和积灰状态。实施例1的结果表示在表1中。

表1  有效壳深度的  离差(毫米) 物体和夹具的 积灰 表面碳浓度的 离差(％) 实施例1  0.05 根本没观察到 0.02 对比实施例1  0.15 根本没观察到 0.20 对比实施例2  0.10 强烈 0.10

9个物体4的有效壳深度的平均值为0.85毫米，离差(最大值和 最小值的差值)窄到0.05毫米。表面碳浓度的平均值为0.82％，离差 窄到0.02％。此外，在物体4和夹具中根本没有观察到积灰。

用这种方式，即使渗碳条件与正常情况不同(在被处理物体的整个 表面积比正常情况更宽的情况下)，也可以稳定地获得象在正常条件下 获得的那样的高质量物体。

相反，现将给出关于用与实施例1所述的相同方式的方法和设备 进行渗碳处理的对比实施例，但是在渗碳步骤中根本不控制气氛气体。

对比实施例1通过控制渗碳气体流量恒定为1L/min来进行，对比 实施例2通过类似地控制渗碳气体流量恒定为20L/min来进行。

对于对比实施例1、2，与实施例1类似，评价在每个物体4和每 个夹具中的有效壳深度、表面碳浓度和积灰状态。

正如从表1所示的结果理解的，虽然在对比实施例1中没有观察 到积灰，但是，61-255，252A的离差为0.15毫米，表面碳浓度的离差 为0.20％，它们都比实施例1更宽。

另一方面，在对比实施例2中，虽然有效壳深度的离差为0.10毫 米，表面碳浓度的离差为0.10％，它们在实施例1和对比实施例2的 各个值之间，但是积灰强烈。

(实施例2)

除了下述要点以外，用与实施例1相同的方法进行渗碳处理。

即把扩散步骤的压力控制到1.4Pa或更低，并且在渗碳步骤中， 通过向渗碳室3中引入渗碳气体(C3H8)进行渗碳处理，同时通过质量流 量控制器5和引入阀21控制引入量，以保持通过Pirani真空表1测 量的压力为2,500Pa，这是正常渗碳条件的值。此时渗碳气体的平均 流量约为6L/min。

对于实施例2，用与实施例1相同的方法进行物体的评价。作为 结果，有效壳深度的离差窄到0.05毫米，并且根本没观察到积灰。

(实施例3)

除了下述要点以外，用与实施例2相同的方式进行渗碳处理。

即在渗碳步骤中，通过向渗碳室3引入渗碳气体(C4H10)进行渗碳 处理，并通过质量流量控制器5和引入阀21控制引入量，以便保持通 过电化学隔膜传感器14测量的氢气量为0.4体积％，这是正常渗碳条 件的值。此时渗碳气体的平均流量约为5L/min。

对于实施例3，用与实施例1相同的方式进行物体的评价。作为 结果，有效壳深度的离差窄到0.05毫米，并且根本没观察到积灰。 如上所述，本发明的渗碳方法和渗碳设备能够进行渗碳处理并监测和 控制气氛气体，使得即使渗碳条件与正常条件不同，也可以高重复性 经济地进行与正常情况一样高质量的渗碳。

发明背景