专利名称：气体渗碳方法
技术领域：
本发明涉及用于例如汽车工业和产业机械工业中的金属零件的改性的气体渗碳方法。
背景技术：
以往，进行钢制处理对象物的气体渗碳时实际采用的渗碳温度低于从液相相变为γ铁和渗碳体的共晶点(例如，图1所示的铁和碳的平衡状态图中的C点温度1147℃)。但是，在渗碳温度低于共晶点的情况下，奥氏体中的碳原子的扩散流速较慢，从距处理对象物的表面的渗碳深度增加需要时间，所以不能够缩短渗碳时间。
因此，考虑使渗碳温度位于上述共晶点以上，籍此使奥氏体中的碳原子扩散通量增加，以求缩短渗碳时间。
但是，即使使渗碳温度位于上述共晶点以上，由于处理对象物的表面碳浓度达到目标值需要时间，所以很难更进一步缩短渗碳时间。
本发明的目的是提供能够解决上述以往存在的问题的气体渗碳方法。
发明内容
在渗碳温度和渗碳气体的浓度一定的情况下，如果该渗碳温度较低，则渗碳深度达到目标值需要时间，如果该渗碳温度过高，则渗碳深度达到目标值前由于处理对象物的表面碳浓度超过固溶限值，所以处理对象物已经融化了。因此，在渗碳温度和渗碳气体的浓度一定的情况下，渗碳时间很难进一步缩短到比处理对象物的表面碳浓度达到固溶限值(例如，达到图1中的JE线)更短的时间。对此，本发明是利用渗碳温度、渗碳时间及处理对象物的表面碳浓度之间的新的关系，缩短渗碳处理所需的时间。
本发明的气体渗碳方法的特征是，具备以下2个工序，即在含有渗碳气体的渗碳气氛中，在达到从δ铁和液相相变为γ铁的包晶点以下、从液相相变为γ铁和渗碳体的共晶点以上的初期设定温度为止，加热钢制处理对象物以使其表面碳浓度不超过固溶限值的工序1；在前述工序1后，使渗碳温度从前述初期设定温度逐渐下降，在不超过固溶限值的范围内增加前述处理对象物的表面碳浓度的同时使前述处理对象物的渗碳深度增加的工序2。
本发明能够在工序1使处理对象物的表面碳浓度在短时间内接近固溶限值，在工序2在不融化处理对象物的前提下使其表面碳浓度增加，并且在短时间内使渗碳深度增加。
最好预先求得前述工序1中，在将渗碳气体的分压维持为一定值的状态下，将前述处理对象物的表面碳浓度维持在固溶限值以下所需的前述处理对象物的温度上升速度的下限值，以该求得的下限值以上的速度使前述处理对象物的温度上升。
如果将处理对象物加热至初期设定温度时的温度上升速度较慢，则在该上升过程中由于进行了渗碳气体的分解，所以处理对象物的表面碳浓度增加，不融化处理对象物而能够设定的初期设定温度下降。因此，预先求得不融化处理对象物而加热至初期设定温度时的处理对象物的温度上升速度的下限值，以该求得的下限值以上的速度使前述处理对象物的温度上升，这样能够防止初期设定温度的下降，缩短渗碳时间。
最好在前述工序1中的前述处理对象物达到前述初期设定温度后马上开始前述工序2中的渗碳温度下降。
如果处理对象物维持在初期设定温度，则表面碳浓度会超过固溶限值，所以在达到初期设定温度后马上使渗碳温度下降进入工序2，能够不融化处理对象物而缩短渗碳时间。
最好预先求得前述工序2中，在将渗碳气体的分压维持为一定值的状态下，将前述处理对象物的表面碳浓度维持在固溶限值以下所需的渗碳温度的下降速度的下限值，以该求得的下限值以上的速度使渗碳温度下降。这种情况下，前述工序2中，最好设定前述下降速度的下限值，使前述处理对象物的表面碳浓度沿着铁和碳的平衡状态图中由γ铁形成的区域与由γ铁和液相形成的区域的边界线(图1中的JE线)增加。
在包晶点以下、共晶点以上的温度范围内，如图1中的JE线所示，处理对象物的表面的碳的固溶限值随着渗碳温度的下降而增加。这种情况下，如果渗碳温度的下降速度过慢，则处理对象物的表面碳浓度超过固溶限值。因此，预先求得将处理对象物的表面碳浓度维持在固溶限值以下所需的渗碳温度的下降速度的下限值，以该求得的下限值以上的速度使渗碳温度下降，能够不融化处理对象物而在短时间内增加渗碳深度。特别是确定该下降速度的下限值，以使处理对象物的表面碳浓度沿着图1中的JE线增加，使渗碳温度以对应于该求得的下限值的速度下降，就能够尽可能地缩短渗碳时间。
缩短渗碳时间后，最好设定前述初期设定温度和渗碳温度的下降速度，使前述工序2中前述处理对象物的渗碳深度达到目标值时的渗碳温度在前述共晶点以上。
前述工序1中的渗碳气体的分压和前述工序2中的渗碳气体的分压最好设定为相同的一定值。这样工序1和工序2能够连续进行，实现渗碳处理的短时间化和自动化。
本发明通过缩短渗碳时间，能够减少气体渗碳所需要的能量及气体的消耗量。
图1为铁和碳的平衡状态图。
图2表示使用本发明的实施方式的气体渗碳用装置对处理对象物的试样进行加热的状态。
图3表示渗碳气体的碳势(carbon potential)和浓度的关系。
图4表示为使本发明的实施方式的处理对象物的表面碳浓度对应固溶限值的变化而变化的表面碳浓度、渗碳温度及时间的关系。
图5表示使用本发明的实施方式的气体渗碳用装置对处理对象物进行加热的状态。
具体实施例方式
图2表示本发明的实施所用的气体渗碳用装置。该气体渗碳用装置具备真空容器1、加热装置2、用于该真空容器1内的减压的真空泵3、向该真空容器1内供给渗碳气氛用气体的气体源4。本实施方式中，加热装置2利用与电源7连接的线圈2a在真空容器1内进行感应加热。电源7向线圈2a的输出功率是可变的。
在进行钢制处理对象物的气体渗碳之前，进行钢制处理对象物的试样5′的气体渗碳。因此，在配置于加热装置2的试样5′的表面焊接作为温度检测用传感器的热电偶6。温度检测手段并不限定为热电偶。然后，利用真空泵3排出真空容器1内的空气，使真空容器1内减压，此时，真空容器1的内压最好降至约27Pa以下。减压后，在真空容器1内由气体源5导入渗碳气氛用气体。这样真空容器1内就充满了渗碳气氛，使该渗碳气氛的总压力上升。例如，使真空容器1内的渗碳气氛压力升至80kPa左右。本实施方式的渗碳气氛用气体由渗碳气体和稀释气体构成。对该渗碳气体和稀释气体的种类无特别限定。本实施方式的渗碳气体为甲烷气体，稀释气体为氮气。作为渗碳气体使用烃类气体可实现无氧化渗碳。渗碳气体并不仅限于烃类气体。渗碳气氛可部分含有渗碳气体，也可完全由渗碳气体组成。
将真空容器1内的渗碳气氛保持为一定的情况下，以一定流量由气体源4向真空容器1内供给渗碳气氛用气体，同时以一定流量由真空泵3排出渗碳气氛用气体。这样在真空容器1内渗碳气氛用气体就例如以0.5L/min的一定流量流动，渗碳气氛的总压力例如保持在80kPa左右。即，在真空容器1内流动含有一定分压的渗碳气体的渗碳气氛。渗碳气体的分压是真空容器1内的渗碳气氛的总压力乘以渗碳气体的摩尔分率或容积％而获得的值，与渗碳气体浓度对应。通过改变真空容器1内的渗碳气氛的总压力，或改变渗碳气体和稀释气体的流量比，能够改变对应于某一定温度的渗碳气体的碳势的渗碳气体的浓度(容积％)。对应于该渗碳气体的分压的浓度可根据处理对象物的目标碳浓度决定。此外，如果使渗碳气体浓度一定长时间进行渗碳，则处理对象物的表面碳浓度与该一定温度下的碳势一致，所以某一定温度的渗碳气体的碳势与渗碳气体的浓度(容积％)间的关系能够预先通过试验求得。图3表示1300℃的渗碳气体的浓度(容积％)和碳势(重量％)间通过试验求得的关系的一例。
在渗碳气体的分压维持在一定值的状态下，利用加热装置2对试样5′进行加热直至达到初期设定温度。该初期设定温度设在从δ铁和液相相变为γ铁的包晶点温度以下、从液相相变为γ铁和渗碳体的共晶点温度以上的范围内，可通过改变向加热装置2的线圈2a的输出功率来进行调整。此时，求得将试样5′的表面碳浓度维持在固溶限值所需的试样5′的温度上升速度的下限值。即，如果将试样5′加热至初期设定温度时的温度上升速度较慢，则该上升过程中由于进行了渗碳气体的分解，所以试样5′的表面碳浓度增加，超过固溶限值而开始熔融。求得不出现这种熔融的温度上升速度的下限值。例如，由于上述包晶点为1494℃，所以初期设定温度设定为低于1494℃，在渗碳气体浓度维持为3vol％的状态下将试样5′加热至初期设定温度，求得试样5′的表面即将熔融前的温度上升速度。在初期设定温度过高的情况下，即使温度上升速度快，试样5′的表面也会发生熔融，所以求得对应于不出现这种熔融现象的初期设定温度的温度上升速度的下限值。该初期设定温度就缩短渗碳时间方面，最好设定得尽可能高。
如图1中的JE线，即铁和碳的平衡状态图中的γ铁形成的区域和γ铁及液相形成的区域的边界线所示，试样5′的表面的碳的固溶限值随着渗碳温度的下降而增加。因此，能够求得在包晶点以下、共晶点以上的渗碳温度下使试样5′进行渗碳的情况下，渗碳气体的分压维持在一定值的状态下，将试样5′的表面碳浓度维持在固溶限值以下所需的渗碳温度的下降速度的下限值。以使试样5′的表面碳浓度沿图1的JE线增加来确定本实施方式中的该下降速度的下限值。例如，在渗碳气体浓度为3vol％的情况下，如图4中的实线L9所示，渗碳温度对应于时间下降，试样5′的表面碳浓度如图4中的实线L10所示，对应于时间而增加，该表面碳浓度的增加与通过渗碳温度的下降而使试样5′的表面的碳的固溶限值发生变化对应。因此，可由图4的实线L9所示的渗碳温度和时间的关系确定渗碳温度下降速度的下限值。
如上所述，求得将渗碳气体的分压维持在一定值的状态下，对试样5′加热达到初期设定温度的情况下，将该表面碳浓度维持在固溶限值以下所需的温度上升速度的下限值。此外，求得将渗碳气体的分压维持在一定值的状态下进行渗碳的情况下，将试样5′的表面碳浓度维持在固溶限值以下所需的渗碳温度的下降速度的下限值后，用上述气体渗碳用装置进行钢制处理对象物的气体渗碳。
处理对象物的渗碳能够与试样5′的渗碳同样进行。即，如图5所示，将钢制处理对象物5放置于加热装置2，利用真空泵3排出真空容器1内的空气，由气体源4向真空容器1内导入渗碳气氛用气体，对该渗碳气氛进行升压直至压力达到设定压力，在由气体源4以一定流量向真空容器1内供给渗碳气氛用气体的同时，利用真空泵3以一定流量排出渗碳气氛用气体，这样就将真空容器1内的渗碳气体的分压设定为一定值。此外，进行利用加热装置2加热处理对象物5使其温度达到从δ铁和液相相变为γ铁的包晶点以下、从液相相变为γ铁和渗碳体的共晶点以上的初期设定温度的工序1。该工序1中，为使钢制处理对象物5的表面碳浓度不超过固溶限值，以采用试样5′预先求得的温度上升速度的下限值以上的速度使处理对象物5的温度上升。该工序1中，例如处理对象物5的表面碳浓度的初期值为0.2重量％、渗碳气体(甲烷气体)浓度为3vol％、初期设定温度为1470℃、处理对象物5的温度上升速度设为从常温到1470℃为45秒。这样，处理对象物5的表面碳浓度如图1的虚线箭头Y1所示那样变化，在短时间内达到JE线上表示固溶限值的Y点附近。
上述工序1后，进行使渗碳温度从前述初期设定温度逐渐降低，在不超过固溶限值的范围内使处理对象物5的表面碳浓度增加，同时使处理对象物5的渗碳深度增加的工序2。该工序2中的渗碳温度下降最好从工序1的前述处理对象物达到前述初期设定温度后实际没有延迟马上开始。该工序2中，为使在渗碳气体的分压维持为一定值的状态，将钢制处理对象物5的表面碳浓度维持在固溶限值以下，以用试样5′预先求得的渗碳温度的下降速度的下限值以上的速度使渗透温度下降。此外，按照处理对象物5的渗碳深度达到目标值时的渗碳温度达到共晶点以上的要求，设定上述初期设定温度和渗碳温度的下降速度。另外，将工序1中的渗碳气体的分压和工序2中的渗碳气体的分压设定为相同的一定值。该工序2中，例如对象处理物5的渗碳温度的下降速度为20℃/分钟。
本发明并不仅限于上述实施方式，可在本发明的范围内进行各种变化。
权利要求
1.气体渗碳方法，其特征在于，具备以下2个工序，在含有渗碳气体的渗碳气氛中，在达到从δ铁和液相相变为γ铁的包晶点以下、从液相相变为γ铁和渗碳体的共晶点以上的初期设定温度为止，加热钢制处理对象物以使其表面碳浓度不超过固溶限值的工序1；在前述工序1后，使渗碳温度从前述初期设定温度逐渐下降，在不超过固溶限值的范围内增加前述处理对象物的表面碳浓度的同时使前述处理对象物的渗碳深度增加的工序2。
2.如权利要求1所述的气体渗碳方法，其特征还在于，预先求得在前述工序1中，在将渗碳气体的分压维持在一定值的状态下，将前述处理对象物的表面碳浓度维持在固溶限值以下所需的前述处理对象物的温度上升速度的下限值，以该求得的下限值以上的速度使前述处理对象物的温度上升。
3.如权利要求1所述的气体渗碳方法，其特征还在于，在前述工序1中的前述处理对象物达到前述初期设定温度后马上开始前述工序2中的渗碳温度下降。
4.如权利要求2所述的气体渗碳方法，其特征还在于，在前述工序1中的前述处理对象物达到前述初期设定温度后马上开始前述工序2中的渗碳温度下降。
5.如权利要求1～4中任一项所述的气体渗碳方法，其特征还在于，预先求得在前述工序2中，在将渗碳气体的分压维持为一定值的状态下，将前述处理对象物的表面碳浓度维持在固溶限值以下所需的渗碳温度的下降速度的下限值，以该求得的下限值以上的速度使渗碳温度下降。
6.如权利要求5所述的气体渗碳方法，其特征还在于，前述工序2中，设定前述下降速度的下限值，使前述处理对象物的表面碳浓度沿着铁和碳的平衡状态图中由γ铁形成的区域与由γ铁和液相形成的区域的边界线增加。
7.如权利要求1～4中任一项所述的气体渗碳方法，其特征还在于，设定前述初期设定温度和渗碳温度的下降速度，使前述工序2中前述处理对象物的渗碳深度达到目标值时的渗碳温度在前述共晶点以上。
8.如权利要求5所述的气体渗碳方法，其特征还在于，设定前述初期设定温度和渗碳温度的下降速度，使前述工序2中前述处理对象物的渗碳深度达到目标值时的渗碳温度在前述共晶点以上。
9.如权利要求6所述的气体渗碳方法，其特征还在于，设定前述初期设定温度和渗碳温度的下降速度，使前述工序2中前述处理对象物的渗碳深度达到目标值时的渗碳温度在前述共晶点以上。
10.如权利要求1～4中任一项所述的气体渗碳方法，其特征还在于，前述工序1中的渗碳气体的分压和前述工序2中的渗碳气体的分压设定为相同的一定值。
11.如权利要求5所述的气体渗碳方法，其特征还在于，前述工序1中的渗碳气体的分压和前述工序2中的渗碳气体的分压设定为相同的一定值。
12.如权利要求6所述的气体渗碳方法，其特征还在于，前述工序1中的渗碳气体的分压和前述工序2中的渗碳气体的分压设定为相同的一定值。
13.如权利要求7所述的气体渗碳方法，其特征还在于，前述工序1中的渗碳气体的分压和前述工序2中的渗碳气体的分压设定为相同的一定值。
14.如权利要求8所述的气体渗碳方法，其特征还在于，前述工序1中的渗碳气体的分压和前述工序2中的渗碳气体的分压设定为相同的一定值。
15.如权利要求9所述的气体渗碳方法，其特征还在于，前述工序1中的渗碳气体的分压和前述工序2中的渗碳气体的分压设定为相同的一定值。
全文摘要
气体渗碳方法的工序1中，在含有渗碳气体的渗碳气氛中，在达到从δ铁和液相相变为γ铁的包晶点以下、从液相相变为γ铁和渗碳体的共晶点以上的初期设定温度为止，加热钢制处理对象物以使其表面碳浓度不超过固溶限值。在工序1后的工序2中，使渗碳温度从前述初期设定温度逐渐下降，在不超过固溶限值的范围内使前述处理对象物的表面碳浓度增加的同时，使前述处理对象物的渗碳深度增加。
文档编号C23C8/08GK1576384SQ200410007018
公开日2005年2月9日 申请日期2004年2月23日 优先权日2003年7月3日
发明者立里晓华, 石桥智行, 辻荘平 申请人:光洋热系统株式会社