专利名称：气体渗碳方法
技术领域：
本发明涉及例如汽车工业和产业机械工业中为改善金属制部件的品质所用的气体渗碳方法。
背景技术：
以往，进行钢制处理对象物的气体渗碳时实际使用的渗碳温度未满从液相转变为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，在渗碳温度限定在未满共晶点的情况下，奥氏体中的碳原子的扩散流速迟缓，从处理对象物的表面开始的渗碳深度的增加需要一定的时间，所以不能够缩短渗碳时间。
因此，考虑将渗碳温度设定在上述共晶点以上，使奥氏体中的碳原子的扩散流速加快，达到缩短渗碳时间的目的。
但是，即使渗碳温度设定在上述共晶点以上，处理对象物的表面碳浓度达到目标值也需要一定的时间，所以很难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的问题的气体渗碳方法。
发明内容
在渗碳气体的碳势和渗碳温度一定的情况下，该碳势如果较小，则渗碳深度达到目标值需要一定的时间，该碳势如果过大，则在渗碳深度达到目标值前处理对象物的表面碳浓度就超过了固溶限度，所以处理对象物被溶解。因此，在渗碳气体的碳势和渗碳温度一定的情况下，渗碳时间不能够短于处理对象物的表面碳浓度达到固溶限度(例如，达到图1中的JE线)所需的时间。对应于此，本发明通过实现渗碳气体的碳势、渗碳时间和处理对象物的表面碳浓度之间的新的关系，达到缩短渗碳处理所需时间的目的。
本发明的气体渗碳方法的特征是具备以下2个步骤，步骤1是在从δ铁和液相转变为γ铁的包晶点(例如，图1中的J点)以下、从液相转变为γ铁和渗碳体的共晶点以上的渗碳温度范围内，在含有渗碳气体的渗碳气氛中对钢制处理对象物进行加热处理，直至前述处理对象物的表面碳浓度达到固溶限度以下的最终目标值；步骤2是在前述步骤1后，通过经时减少前述渗碳气体的碳势(平衡碳浓度)，在将前述处理对象物的表面碳浓度维持在最终目标值的同时，使气体渗碳进行以增加前述处理对象物的渗碳深度。步骤2的渗碳温度最好在前述包晶点以下但在前述共晶点以上。
利用本发明的特征1，在步骤1中使处理对象物的表面碳浓度达到固溶限度以下的最终目标值，在步骤2中使渗碳气体的碳势经时减少的同时使渗碳深度增加。因此，步骤1中能够使处理对象物的表面碳浓度在短时间内达到最终目标值，步骤2中能够不溶解处理对象物而在短时间内使渗碳深度增加。
最好以将渗碳温度维持在一定值的状态，预先求得将前述处理对象物的表面碳浓度维持在前述最终目标值所必须的渗碳气体的碳势和时间之间的关系，在前述步骤2中，以将渗碳温度维持在前述一定值的状态，使前述渗碳气体的碳势按照满足以上求得的关系经时变化。如果渗碳温度一定，则处理对象物的表面的碳原子的扩散流速与从渗碳气体的碳势减去处理对象物的表面碳浓度而求得的偏差值成比例。因此，在一定的渗碳温度下的步骤2中，能够通过求得处理对象物的表面碳浓度达到最终目标值时的碳原子的扩散流速和时间之间的关系来求得将处理对象物的表面碳浓度维持在最终目标值所必须的碳势和时间之间的关系。作为步骤2中的渗碳时间可预先通过实验求得获得所希望的渗碳深度所必须的时间。
最好预先求得前述渗碳气体的碳势、渗碳温度和前述处理对象物的表面碳浓度达到前述最终目标值为止的渗碳时间之间的关系，前述步骤1中，按照满足以上求得的关系，设定前述处理对象物的表面碳浓度达到前述最终目标值为止的前述渗碳气体的碳势、渗碳温度及渗碳时间，前述步骤1中将渗碳气体的碳势和渗碳温度维持一定，使步骤2中的一定的渗碳温度与前述步骤1中的一定的渗碳温度相等，并使前述步骤2中的渗碳气体的最初的碳势和前述步骤1中的一定的碳势相等。这样，能够连续进行步骤1和步骤2，实现渗碳处理的自动化。
最好使前述处理对象物的表面碳浓度的最终目标值与前述处理对象物的表面的碳的固溶限度相对应。这样能够尽可能地缩短渗碳时间。这种情况下，并不需要最终目标值与固溶限度完全一致，该最终目标值也可比固溶限度小，可根据处理对象物的表面碳浓度的控制能力而尽可能地一致。
本发明通过缩短渗碳时间，能够减少渗碳所需的能量及气体消耗量。
图1为铁和碳的平衡状态图。
图2表示利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表示本发明的实施方式中，在1300℃的渗碳温度下处理对象物的表面开始溶融为止的渗碳时间和渗碳气体浓度及表面碳浓度之间的关系。
图4表示本发明的实施方式中，处理对象物的表面碳浓度和渗碳时间的关系，以及将该表面碳浓度维持在最终目标值所需的渗碳气体浓度和渗碳时间的关系。
图5表示渗碳气体的碳势和浓度的关系。
图6表示利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。
图7表示本发明的实施方式和以往例中各自的处理对象物的碳浓度和时间的关系。
具体实施例方式
图2表示本发明的实施方式中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、对该真空容器1的内部进行减压的真空泵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通过与电源7连接的线圈2a在真空容器1内进行感应加热。从电源7至线圈2的输出功率可以有变化。
在进行钢制处理对象物的气体渗碳前，先进行钢制处理对象物的试样5’的气体渗碳。因此，在装入加热装置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。但温度检测装置并不仅限于热电偶。然后，利用真空泵3对真空容器1内的空气进行排气使真空容器1内部减压，此时最好使真空容器1的内压达到约27Pa以下。减压后，由气体源4向真空容器1内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，使该渗碳气体的整体压力上升。例如，升压直至真空容器1内的渗碳气氛达到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。但渗碳气体并不仅限于烃类气体。渗碳气氛中可部分包含渗碳气体或完全是渗碳气体。
在真空容器1内的渗碳气氛的整体压力保持一定的情况下，从气体源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，也以一定流量通过真空泵3对渗碳气氛进行排气处理。这样，真空容器1内的渗碳气氛用气体例如以0.5L/min的一定流量流动，渗碳气氛的整体压力例如能被保持在约80kPa。即，含有一定分压的渗碳气体的渗碳气氛在真空容器1内流动。该渗碳气体的分压是真空容器1内的渗碳气氛的整体压力乘以渗碳气体的摩尔分率或容积％而获得的值，与渗碳气体的碳势相对应。通过改变真空容器1内的渗碳气氛的整体压力，或改变渗碳气体和稀释气体的流量比，能够改变对应于渗碳气体的碳势的渗碳气体的浓度(容积％)。
利用加热装置2对试样5’加热至设定的渗碳温度。该渗碳温度设定在从δ铁和液相转变为γ铁的包晶点温度以下、从液相转变为γ铁和渗碳体的共晶点温度以上的温度范围。该渗碳温度设定值可通过对加热装置2的线圈2a的输出功率的变化而改变。
在设定的渗碳气体的碳势及设定的渗碳温度下，预先求得试样5’的表面即将溶融前为止的渗碳时间，即，预先求得处理对象物的表面碳浓度达到固溶限度为止的渗碳时间。本实施方式中，处理对象物的表面碳浓度的最终目标值与该处理对象物的表面的碳的固溶限度相对应。这样，能够求得渗碳气体的碳势、渗碳温度和处理对象物的表面碳浓度达到最终目标值为止的渗碳时间之间的关系。例如，图3表示在1300℃的渗碳温度下，处理对象物的表面碳浓度达到固溶限度(1.15重量％)为止的该表面碳浓度(重量％)和渗碳时间(分钟)、对应于渗碳气体(甲烷)的碳势的浓度(容积％)之间的关系的一个例子。图3中，在渗碳气体浓度为3vol％的情况下，处理对象物的表面碳浓度如图中的实线L1所示变化，在渗碳时间约10分钟时达到固溶限度；在渗碳气体浓度为4vol％的情况下，处理对象物的表面碳浓度如图中的实线L2所示变化，在渗碳时间约5分钟时达到固溶限度；在渗碳气体浓度为7vol％的情况下，处理对象物的表面碳浓度如图中的实线L3所示变化，在渗碳时间约2分钟时达到固溶限度；在渗碳气体浓度为10vol％的情况下，处理对象物的表面碳浓度如图中的实线L4所示变化，在渗碳时间约1分钟时达到固溶限度。
此外，如果渗碳温度一定，则处理对象物的表面的碳原子的扩散流速与从渗碳气体的碳势减去处理对象物的表面碳浓度而求得的偏差值成比例。因此，以将渗碳温度维持在一定值的状态，能够通过求得处理对象物的表面碳浓度达到最终目标值时的碳原子的扩散流速和时间之间的关系来求得将处理对象物的表面碳浓度维持在最终目标值所必须的碳势和时间之间的关系。由于该碳原子的扩散流速与从渗碳气体的碳势减去处理对象物的表面的碳固溶限度而求得的偏差值成比例，所以由实验或已知的关系式就能够求得碳原子的扩散流速和时间的关系。例如，在Industrial Heating中2000年5月1日由Dave VanAken供稿的Engineering Concepts中，记载了利用已知的关系式和表计算软件，能够简单地求得近似值。例如，求得试样5’的表面碳浓度达到作为最终目标值的固溶限度1.15重量％、渗碳温度为1300℃时的试样5’表面的碳原子的扩散流速和时间之间的关系。然后，在一定的渗碳温度下，由求得的扩散流速和时间之间的关系及已知的固溶限度，求得处理对象物的表面碳浓度维持在作为最终目标值的固溶限度所需的碳势和时间之间的关系。图4中，处理对象物的表面碳浓度(重量％)和渗碳时间(分钟)之间的关系如实线L5所示，该表面碳浓度达到作为最终目标值的固溶限度(1.15重量％)后并维持在该值所需的对应于渗碳气体的碳势的渗碳气体浓度(容积％)和时间(分钟)的关系如实线L6所示。此外，如果使渗碳气体的浓度一定，长时间地进行渗碳处理，则由于处理对象物的表面碳浓度和碳势一致，所以能够预先通过实验求得渗碳气体的碳势和渗碳气体的浓度(容积％)之间的关系。图5表示通过实验求得的渗碳气体的浓度(容积％)和碳势(重量％)之间的关系的一个例子。
如果利用试样5’的气体渗碳预先求得图3和图4所示的关系，则利用上述气体渗碳用装置进行钢制处理对象物的气体渗碳。该处理对象物的渗碳与试样5’的渗碳可以同样进行。即如图6所示，将处理对象物5置于加热装置2内，利用真空泵3对真空容器1内的空气进行排气，从气体源4向真空容器1内导入渗碳气氛用气体，使渗碳气氛升压直至达到设定压力，由气体源4以一定流量向真空容器1内供给渗碳气体用气体的同时，利用真空泵3以一定流量使渗碳气氛用气体排气。由此将对应于真空容器1内的渗碳气体的碳势的渗碳气体浓度设定在一定值。此外，利用加热装置2将处理对象物5的渗碳温度设定在从δ铁和液相转变为γ铁的包晶点以下、从液相转变为γ铁和渗碳体的共晶点以上的一定值。在该设定的渗碳气体浓度和渗碳温度下进行步骤1，即仅以设定的渗碳时间，在含有渗碳气体的渗碳气氛中进行加热，直至处理对象物5的表面碳浓度达到固溶限度以下的最终目标值。该步骤1中，按照满足图3所示的预先求得的关系，设定处理对象物5的表面碳浓度达到最终目标值为止的渗碳时间、对应于渗碳气体的碳势的渗碳气体浓度和渗碳温度。本实施方式中，处理对象物5的表面碳浓度的最终目标值与固溶限度(1.15重量％)相对应，分别设定步骤1中的渗碳温度为1300℃、渗碳气体(甲烷气体)浓度为10vol％、渗碳时间为1分钟。这样，处理对象物5的表面碳浓度如图1中的虚线箭头X1所示变化，在短时间内达到JE线上表示固溶限度的X点附近。
上述步骤1后进行步骤2，即通过经时减少渗碳气体的碳势，在将处理对象物5的表面碳浓度维持在对应于固溶限度的最终目标值的同时，使气体渗碳进行以增加处理对象物5的渗碳深度。渗碳气体的碳势因渗碳气体的浓度减少而减少。步骤2中，以将渗碳温度维持在一定值的状态，按照满足预先求得的关系，使渗碳气体的碳势经时变化。本实施方式中，在渗碳温度维持在1300℃的状态下，为了将处理对象物5的表面碳浓度维持在作为最终目标值的固溶限度(1.15重量％)，按照满足图4中的实线L6所示的关系，使渗碳气体的浓度(容积％)经时减少。这样，在步骤1中能够将渗碳气体的碳势和渗碳温度维持一定，能够使步骤2中的一定的渗碳温度与步骤1中的一定的渗碳温度相等，并使步骤2中的渗碳气体的最初碳势和步骤1中的一定的碳势相等。
图7中的实线L7表示利用本发明的上述实施方式的方法进行了气体渗碳的处理对象物5的表面到0.5mm的位置的碳浓度和渗碳时间的关系。此外，图7中的实线L8表示利用以往的方法进行了气体渗碳的处理对象物的表面到0.5mm的位置的碳浓度和渗碳时间的关系。该以往例中，从渗碳开始至结束渗碳温度维持在1300℃的定值，对应于渗碳气体的碳势的浓度(容积％)维持在3vol％的定值。从图7可知，从处理对象物5的表面到0.5mm的位置的碳浓度达到0.4重量％的时间，利用上述实施方式的方法约为3.6分钟，利用以往的方法约为7.8分钟。即，从计算上能够确认利用上述实施方式能够将渗碳时间缩短约50％。
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。例如，渗碳气体的碳势的改变并不限定于通过改变渗碳气氛中的渗碳气体的浓度来进行，也可采用在渗碳气氛中混入碳原子数不同的渗碳气体的方法来实现。
权利要求
1.气体渗碳方法，其特征在于，具备以下2个步骤，步骤1是在从δ铁和液相转变为γ铁的包晶点以下、从液相转变为γ铁和渗碳体的共晶点以上的渗碳温度范围内，在含有渗碳气体的渗碳气氛中对钢制处理对象物进行加热处理，直至前述处理对象物的表面碳浓度达到固溶限度以下的最终目标值；步骤2是在前述步骤1后，通过经时减少前述渗碳气体的碳势，在将前述处理对象物的表面碳浓度维持在最终目标值的同时，使气体渗碳进行以增加前述处理对象物的渗碳深度。
2.如权利要求1所述的气体渗碳方法，其特征还在于，以将渗碳温度维持在一定值的状态，预先求得将前述处理对象物的表面碳浓度维持在前述最终目标值所必须的渗碳气体的碳势和时间之间的关系，在前述步骤2中，以将渗碳温度维持在前述一定值的状态，使前述渗碳气体的碳势按照满足以上求得的关系经时变化。
3.如权利要求1或2所述的气体渗碳方法，其特征还在于，预先求得前述渗碳气体的碳势、渗碳温度和前述处理对象物的表面碳浓度达到前述最终目标值为止的渗碳时间之间的关系，前述步骤1中，按照满足以上求得的关系，设定前述处理对象物的表面碳浓度达到前述最终目标值为止的前述渗碳气体的碳势、渗碳温度及渗碳时间，前述步骤1中将渗碳气体的碳势和渗碳温度维持一定，使前述步骤2中的一定的渗碳温度与前述步骤1中的一定的渗碳温度相等，并使前述步骤2中的渗碳气体的最初的碳势和前述步骤1中的一定的碳势相等。
4.如权利要求1～3中任一项所述的气体渗碳方法，其特征还在于，使前述处理对象物的表面碳浓度的最终目标值与前述处理对象物表面的碳的固溶限度相对应。
全文摘要
气体渗碳方法的步骤1中，在从δ铁和液相转变为γ铁的包晶点以下、从液相转变为γ铁和渗碳体的共晶点以上的渗碳温度范围内，在含有渗碳气体的渗碳气氛中对钢制处理对象物进行加热处理，直至前述处理对象物的表面碳浓度达到固溶限度以下的最终目标值。步骤1后的步骤2中，通过经时减少前述渗碳气体的碳势，在将前述处理对象物的表面碳浓度维持在最终目标值的同时，使气体渗碳进行以增加前述处理对象物的渗碳深度。
文档编号C23C8/22GK1572896SQ200410048929
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月11日 优先权日2003年6月12日
发明者立里晓华 申请人:光洋热系统株式会社