专利名称：低压渗碳方法
技术领域：
本发明涉及金属零件的处理方法，具体涉及渗碳处理方法，即向零件中渗入给定深度的碳，以改进零件的机械特性。
在法国专利n°2678287中，申请人(发明人Jean Naudot)已经公开了一种特定的低压渗碳方法。该专利具有交替进行的富集步骤和扩散步骤。它指出渗碳气体可以是任何能够在将被处理零件渗碳的工作温度下分解的碳氢化合物。然而，该方法特别指出在渗碳阶段之间使用丙烷作为渗碳气体，氮气作为中性气体。
此外，Jelle H.Kaspersma和Robert H.Shay在MetallurgicalTransactions(13B卷，1982年6月)上发表的文章研究了与使用的各种富集气体有关的渗碳速度，和炭黑形成的问题。它指出乙炔是渗碳速度最快的气体，但是具有在处理室中产生最多的炭黑的缺点。
人们对于能够使用乙炔、且同时解决产生炭黑和焦油的问题已经作了各种努力。
1977年6月2日申请的俄国专利n°6678978公开了向850-1000℃的渗碳室中引入乙炔，同时将压力从0.01大气压变化到0.95大气压(1-95kPa)，压力改变速率为每小时0.001-1大气压。它解释了特别当压力增加速率非常小时，炭黑量的减少。然而，该方法复杂。据申请人所知，该俄国专利中描述的方法尚未有任何工业开发，并且还不可能验证其所提供的解决方法的效果。
在美国专利n°5702540(Kubota)中提供了另一种解决方法，其中建议在低于1kPa的压力下使用乙炔。它指出从约0.7kPa起就出现了明显的炭黑痕迹，并且在1kPa下出现了显著量的炭黑。另外，该专利申请的说明书中指出，只要压力超过0.3kPa，零件外侧和内侧之间的渗碳性能降低。申请人进行的试验证明，只要压力值超过约0.5kPa，就产生炭黑，但是指出，为了在孔洞内侧获得满意的渗碳效果，或者是当渗碳反应器的负载非常高时，压力应当增加。因此上面引用的专利所提供的方案看来并不能使乙炔得到令人满意的使用。
本发明提供了一种能有效使用乙炔和更一般地任何可能产生炭黑和焦油的渗碳气体的新方法。
为了达到该目的，本发明提供了一种低压渗碳方法，该方法由低压富集步骤和在中性气体存在下的扩散步骤交替构成，在富集步骤中，使用富集气体和载气的混合物，载气占富集气体的体积比例为5-50％。
根据本发明的一个实施方案，富集气体为乙炔(C2H2)。
根据本发明的一个实施方案，载气为氮气。
根据本发明的一个实施方案，载气为氢气。
根据本发明的一个实施方案，载气包括所占比例为5-60％的氮气和氢气。
根据本发明的一个实施方案，渗碳室中的压力大于1kPa。
根据本发明的一个实施方案，渗碳室中的压力范围为1-2kPa。
根据本发明的一个实施方案，扩散步骤和富集步骤基本上在相同的压力下进行。
根据本发明的一个实施方案，处理温度约为850-1200℃。
根据本发明的一个实施方案，每个富集步骤分成持续时间短于一分钟的子步骤，并由持续时间短于半分钟、优选约数十秒钟(some tenseconds)的扩散子步骤分隔开。
下面将结合附图和非限制性的具体实施方案来详细说明本发明的上述目的、特性和优点，其中
图1表示了要实施渗碳方法的钢试样；图2为说明渗碳-扩散方法的连续步骤的压力-时间曲线图；图3-6表示了渗碳试验结果-图3中，渗碳气体为C2H2，压力为0.3kPa，-图4中，渗碳气体为C2H2，压力为0.7kPa，-图5中，渗碳气体为C2H2，压力为1.2kPa，
-图6中，根据本发明，在渗碳步骤中注入的气体为C2H2和氮气的混合物，压力为1.5kPa；并且图7表示了连续渗碳循环中焦油形成特性试验结果。
申请人对图1所示类型的试样进行了各种渗碳试验，该试样由带盲孔的钢制圆柱体构成，并对该试样外侧的渗碳深度dext和试样中形成的孔的内侧渗碳深度dint进行了测量。
图2表示了法国专利2678287中描述的和本发明使用的渗碳-扩散循环。在初始温度和压力设定阶段之后，渗碳-扩散操作在恒温和恒压下进行。向其中包括至少一种图1所示类型试样负载的渗碳室中注入渗碳气体的富集阶段E，和其中中性气体注入渗碳室中的扩散步骤，随着时间的推移连续进行。改变各个富集步骤和扩散步骤的持续时间和数量，从而改变渗碳深度。一般地，温度范围为850-1200℃，每个富集和/或扩散阶段的持续时间约为几分钟。
首先，申请人对图1类型的试样进行了一系列试验，采用纯乙炔(C2H2)作为渗碳气体。图3、4和5的曲线图与渗碳-扩散阶段中维持的三种特定压力相对应，即分别为图3对应0.3kPa，图4对应0.7kPa和图5对应1.2kPa。每个曲线图表示了根据试样外侧(Ext)点渗碳深度和试样内侧(Int)点渗碳深度的硬度值。每条曲线的不同点为经过不同处理持续时间的各种试样的试验结果。
如图3所示，压力为约0.3kPa，可注意到试样内侧和试样外侧的渗碳深度之间有很大差别，即由于试样内侧渗碳不够，得到的结果不理想。例如，如果渗碳深度目标值是1mm，表现为当外侧达到了该深度时，内侧的渗碳深度仅为0.4mm。
在压力为0.7kPa的图4的情况下，结果也不妙。当外侧的渗碳深度为1mm时，内侧的渗碳深度仅为0.6mm。
然而，在当压力超过1kPa时起，开始得到令人满意的渗碳结果。例如，图5表示了1.2kPa压力下得到的结果当试样外侧渗碳深度达到1mm时，内侧渗碳深度达到了0.8mm，相当于普遍认可的水平。
另外，如果试样内侧朝向顶部和朝向底部的渗碳深度不同，只有从当压力超过0.5kPa时起，试样内侧渗碳才均匀。
测试了产生的炭黑和焦油，产生的炭黑和焦油在压力为0.3kPa时微不足道，但从0.7kPa时起变得显著。
本发明使用图2所示的循环，注入的不再是纯渗碳气体，而是渗碳气体和载气的混合物。优选载气约占富集气体量的25-50％。
图6表明，在例如使用乙炔(C2H2)和氮气(N2)的混合物、总压力为1.5kPa以及氮气的比例约为30％时，获得了与图5中表示的实质上相同的满意的渗碳。然而，在该情况下，炭黑和焦油形成的问题被解决了。
图7表示了在连续富集循环的末端观测到的苯(C6H6)浓度。事实上，形成焦油意味着生成芳族化合物如苯和苯亚乙基的相。因此苯的生成是炭黑和焦油形成的良好标志。图7中，标记为C2H2和C2H2+N2的曲线分别对应着与图5和图6有关的情形。已知根据现有技术使用纯乙炔，在每个富集循环的末端，苯浓度明显增加，其有效地对应于焦油明显形成。然而，在乙炔(C2H2)和氮气(N2)混合物的情况下，根据本发明，苯浓度基本保持恒定，其对应于可忽略的焦油形成。
更一般地，本发明在所有的造成炭黑和焦油生成问题的条件下在脂族烃存在下进行的渗碳过程中添加中性气体。优选中性气体的比例约为富集气体量的5-50％。产生炭黑和焦油的问题在乙炔的情况下非常严重，在这种情况中本发明是尤其有用的，而在其它碳氢化合物如丙烷(C3H8)的情况下也存在。
中性气体并不一定是氮气，而可以是不参与渗碳反应的任何其它种类的气体，例如氩气或气体混合物。氮气是优选的，因为它成本低。然而，对于特定的需求，或者如果气体成本变低，可以选择任何其它的中性气体或载气来解决生成炭黑和焦油的问题。
申请人也指出在渗碳阶段中添加氢可能有益。如果添加含有5-40％(体积)氢的中性气体，得到了如图6的完全令人满意的特性曲线(与图4的仅使用乙炔的情况相比较)。
可以想见，在富集阶段中载气所溶解的氢减少了乙炔和其衍生物的聚合反应，其导致在炉内部和可能的泵送组水平下形成焦油的量可能急剧显著降低。
使用加氢的氮气混合物还对乙炔的分解动力学或热裂解有益，其使得对孔洞的渗透更好，并且渗碳规整。事实上，即使是低压，也能使深孔壁获得均匀的渗碳。该方案的一个优点是渗碳气体的用量减少，因此减少了污染和气体排放。
根据本发明的另一个可替代的方案，申请人已表明通过改变图2描述的富集(E)和扩散(D)循环的相对持续时间，可以进一步减少焦油形成。按照惯例，例如采用大约具有下表所示的持续时间(以秒计)的六个富集和扩散循环。
申请人将每个富集循环分成其后为短的扩散时间的短步骤。例如，最长持续时间为50秒的富集步骤，随后是约为10秒的持续时间的扩散步骤。于是第一个富集循环E1将包含10或11个富集步骤，每个富集步骤之后为数十秒的扩散步骤，最后的扩散步骤D1被基本保持在上述表中表示的初始持续时间。第二个富集循环E2将包含4个富集步骤，每个富集步骤之后是约数十秒钟的扩散步骤，最后的扩散步骤D2被基本保持在上述表中表示的初始持续时间。如此继续。该脉冲操作模式的每个富集循环末端的苯浓度在图7中以曲线C2H2+N2(脉冲)表示。可见与传统的采用未间断循环的情况相比，苯浓度基本上减半。
该循环的其它改变，例如可选的给定压力和各种流动速率的改变，可带来额外的改善。
权利要求
1.一种低压渗碳方法，其由交替的低压富集步骤和在中性气体存在下的扩散步骤构成，特征在于在富集步骤中，使用了富集气体和载气的混合物，载气占富集气体的体积比为5-50％。
2.权利要求1的低压渗碳方法，特征在于富集气体为乙炔(C2H2)。
3.权利要求1的低压渗碳方法，特征在于载气为氮气。
4.权利要求1的低压渗碳方法，特征在于载气为氢气。
5.权利要求1的低压渗碳方法，特征在于载气中含有所占比例为5-60％的氮气和氢气。
6.权利要求1的低压渗碳方法，特征在于渗碳室中的压力大于1kPa。
7.权利要求1的低压渗碳方法，特征在于渗碳室中的压力范围为1-2kPa。
8.权利要求1的低压渗碳方法，特征在于扩散和富集步骤基本上在同样的压力下进行。
9.权利要求1的低压渗碳方法，特征在于处理温度约为850-1200℃。
10.权利要求1的低压渗碳方法，特征在于每个富集步骤被分割成持续时间短于1分钟的子步骤，这些子步骤由持续时间短于半分钟、优选约数十秒钟的扩散子步骤分隔开。
全文摘要
本发明涉及一种低压渗碳方法，包括交替的低压富集步骤和在中性气体存在下的扩散步骤。在富集步骤中，使用富集气体和中性气体的混合物。中性气体占富集气体的体积比为5－50％。富集气体可以是例如乙炔(C
文档编号C23C8/08GK1457373SQ0280038
公开日2003年11月19日 申请日期2002年2月22日 优先权日2001年2月23日
发明者A·戈尔德斯坦纳斯, L·佩里瑟尔 申请人:机械研究与制造公司