專利名稱：對金屬組件進(jìn)行碳氮共滲的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對金屬組件尤其是鋼構(gòu)件進(jìn)行碳氮共滲的方法。本發(fā)明特別是涉及用于對一種或多種壓縮空氣的自燃式內(nèi)燃機(jī)的燃料噴射裝置的金屬組件進(jìn)行碳氮共滲的方法。此外，所述方法還適合于傳動元件。
背景技術(shù)：
DE 199 09 694 Al公開了一種用于在沒有等離子輔助的低壓過程中進(jìn)行碳氮共滲的方法。在該已知的方法中使用分子氮作為供體氣體，其中在該過程結(jié)束時(shí)使鋼構(gòu)件的邊緣層富集氮。給低壓滲碳過程附加一個(gè)以氮作為供體的碳氮共滲階段作為最后的階段。在該階段中過程壓力高于滲碳階段的壓力。在此可以在最后的工藝步驟以及在整個(gè)過程中添加氮供體。
由DE 199 09 694 Al公開的方法的缺點(diǎn)在于，由于長時(shí)間作用的高的碳濃度而會在基體材料中形成碳化物，碳化物在進(jìn)一步熱處理的過程中不再消溶。接近表面的碳化物根據(jù)應(yīng)變導(dǎo)致組件提前失效。

發(fā)明內(nèi)容
與此相比，根據(jù)本發(fā)明的具有權(quán)利要求I的特征的方法以及根據(jù)本發(fā)明的具有權(quán)利要求10的特征的金屬組件的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠?qū)饘俳M件進(jìn)行改善的碳氮共滲，并由此可以獲得改善的材料特性。通過在從屬權(quán)利要求中所述的措施能夠?qū)嵤┰跈?quán)利要求I中所述方法以及在權(quán)利要求10中所述金屬組件的有利的擴(kuò)展方案。所述方法有利地用于低壓碳氮共滲。在此，該方法可以用于以碳化物受控制的方式進(jìn)行氮碳共滲，其中產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)具有不含碳化物或碳化物受控制的接近表面的區(qū)域的金屬組件。在低壓滲碳中，在邊緣、螺紋、鉆孔切口等處的邊緣碳含量為約O. 5重量％以上至
O.7重量％的情況下，在接近表面的區(qū)域上具有提高的碳含量。這是因?yàn)橛捎谂c平坦表面相比基于位于其下方的體積的可滲碳表面更大，少量的碳可以離開表面擴(kuò)散進(jìn)入該體積中。因此，碳濃度經(jīng)歷更長的時(shí)間保持在接近或者大于基體材料的溶解極限，由此形成在進(jìn)一步熱處理期間無法再消溶的碳化物。這些接近表面的碳化物會根據(jù)應(yīng)變導(dǎo)致組件提前失效。然而，通過后期加工步驟例如磨削去除該富含碳化物且對于失效關(guān)鍵性的表面區(qū)域是成本高昂的，而且并不是在任何情況下均可實(shí)施。尤其是對于比較復(fù)雜的幾何形狀例如鉆孔切口而言，該后期加工是復(fù)雜的，或者在某些情況下是不可能的。因?yàn)榈吞季梢蚤g隙方式消溶在鐵晶格中，所以碳化物的形成會受引入的氮的影響。例如可以在原本要引入碳之前通過用氮原子占據(jù)晶格間隙位置而降低最大可能的碳濃度，使得能夠避免或者減少碳化物的形成。因此，對于一個(gè)或多個(gè)金屬組件的臨界幾何形狀，例如螺紋線和鉆孔切口，特別是借助碳氮共滲可以減少或者避免在接近表面的區(qū)域內(nèi)形成碳化物。金屬組件優(yōu)選在加熱階段中被加熱至處理溫度，在至少一個(gè)滲氮階段中利用氮供體氣體進(jìn)行滲氮，及在至少一個(gè)滲碳階段中利用碳供體氣體進(jìn)行滲碳。在此，在每個(gè)滲碳階段前進(jìn)行至少一個(gè)滲氮階段。在每個(gè)滲碳階段前實(shí)施滲氮階段的優(yōu)點(diǎn)在于引入的氮減少了在鐵基體中可接收的碳的量，由此減少或者避免碳化物的形成。接著，為了減少氮隨著時(shí)間又從表面滲出的效應(yīng)，實(shí)施至少一個(gè)另外的滲氮階段。因此，有利的是設(shè)置多個(gè)滲碳階段并且每個(gè)滲碳階段均配屬一個(gè)之前進(jìn)行的滲氮階段。在此，此外有利的是設(shè)置加熱階段，在其中將金屬組件加熱至處理溫度，并且所述加熱階段在滲氮階段和滲碳階段之前進(jìn)行。在此，所述處理溫度優(yōu)選可以在約780°C至約1050°C的范圍內(nèi)。此外有利的是，在一個(gè)滲氮階段與一個(gè)其后的滲碳階段之間設(shè)置至少一次工藝氣體更換，在其中利用惰性氣體排出在滲氮階段中所用的氮供體氣體，和/或在一個(gè)滲碳階段與一個(gè)其后的滲氮階段之間設(shè)置至少一次工藝氣體更換，在其中排出在滲碳階段中所用·的碳供體氣體。因此，可以在每個(gè)滲氮階段或者滲碳階段之后利用惰性氣體例如氮?dú)饣驓鍤鈱μ幚硎业冗M(jìn)行吹掃，以實(shí)施工藝氣體更換。還可以對處理室抽真空以實(shí)施工藝氣體更換。可以有利地通過適當(dāng)?shù)剡x擇滲氮階段、滲碳階段以及其他階段尤其是擴(kuò)散階段的時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間來調(diào)節(jié)在金屬組件的邊緣層或表面區(qū)域內(nèi)所期望的碳濃度分布和氮濃度分布。可以有利地考慮模擬模型來設(shè)置整個(gè)過程，所述模擬模型根據(jù)持續(xù)時(shí)間、溫度、材料組成及任選采用的其他參數(shù)計(jì)算氮和碳的擴(kuò)散。氮供體氣體優(yōu)選包括氨氣和/或氮?dú)?。此外有利的是，碳供體氣體包括乙炔和/或乙烯和/或丙烷和/或丙烯和/或甲烷和/或環(huán)己烷和/或環(huán)戊烷。此外有利的是，設(shè)置至少一個(gè)擴(kuò)散階段，在其中進(jìn)行抽真空和/或在其中使金屬組件至少基本上被惰性氣體包圍，所述擴(kuò)散階段在滲氮階段或滲碳階段之后進(jìn)行。在此，還可以設(shè)置多個(gè)擴(kuò)散階段。尤其是可以在第一滲氮階段之后設(shè)置一個(gè)擴(kuò)散階段，及在最后的滲碳階段之后設(shè)置另一個(gè)擴(kuò)散階段。由此可以對金屬組件實(shí)施優(yōu)選的碳氮共滲。此外有利的是，金屬組件至少在一個(gè)表面區(qū)域內(nèi)進(jìn)行滲氮，在此區(qū)域上該組件的表面并不平坦并且因此例如具有凸起。還優(yōu)選至少在螺紋、切口、邊緣等處的表面區(qū)域內(nèi)對金屬組件進(jìn)行滲氮。因此，特別是可以在組件的表面區(qū)域上避免過高的碳濃度，在此區(qū)域上該表面與位于其后方的體積相比是比較大的并且因此有利于基于所涉及的體積提高碳濃度。因此，可以降低最大可能的碳濃度，以避免碳化物的形成。在以下說明中參照附圖更詳細(xì)地闡述本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例。


圖I所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的低壓碳氮共滲方法的工藝流程示意圖；圖2所示為通過常規(guī)碳氮共滲方法制造的金屬組件的邊緣的簡要示意圖；圖3所示為通過根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的碳氮共滲方法制造的金屬組件的邊緣的簡要示意圖；圖4所示為圖2和圖3中所示的金屬組件的濃度-深度分布圖，以闡明本發(fā)明的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式圖I在示意圖中顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的低壓碳氮共滲方法的工藝流程。在此，橫坐標(biāo)顯示時(shí)間t。對例如位于處理室中的金屬組件1(圖3)實(shí)施該方法。圖I所示的圖中的縱坐標(biāo)在一側(cè)顯示處理室內(nèi)的溫度?？v坐標(biāo)在另一側(cè)顯示氮供體氣體和碳供體氣體的分壓。該低壓碳氮共滲方法以加熱階段A開始。在該加熱階段中溫度T上升至處理溫度。在本實(shí)施例中，處理溫度超過900°C。在此，所述處理溫度優(yōu)選在約780°C至約1050°C的范圍內(nèi)。在達(dá)到約大于900°C的處理溫度之后，接著進(jìn)行溫度平衡階段B。緊接著實(shí)施滲氮階段Cl。在該滲氮階段Cl中，升高氮供體氣體的分壓。緊接著該滲氮階段Cl進(jìn)行擴(kuò)散階段E1。緊接著該擴(kuò)散階段El進(jìn)行另一個(gè)滲氮階段C2，在其中再次升高氮供體氣體的分壓。緊接著該滲氮階段C2進(jìn)行工藝氣體更換F1。緊接著該工藝氣體更換Fl進(jìn)行滲碳階段D1，在其中升高碳供體氣體的分壓。緊接著該滲碳階段Dl進(jìn)行工藝氣體更換F2。在該 工藝氣體更換F2之后，進(jìn)行滲氮階段C3，在其中升高氮供體氣體的分壓。緊接著該滲氮階段C3進(jìn)行另一次工藝氣體更換F3。在該工藝氣體更換F3之后，實(shí)施第二滲碳階段D2，在其中升高碳供體氣體的分壓。緊接著該滲碳階段D2進(jìn)行第二擴(kuò)散階段E2。在該第二擴(kuò)散階段E2結(jié)束時(shí)溫度又下降，即對金屬組件I進(jìn)行冷卻。溫度T尤其是可以在加熱階段A期間以恒定的加熱速率連續(xù)地上升至約為950°C的處理溫度。在緊接著該加熱階段A進(jìn)行的溫度平衡階段B中，處理溫度恒定地保持在約9500C。在此，在加熱階段A和溫度平衡階段B期間，既不導(dǎo)入氮供體氣體，也不導(dǎo)入碳供體氣體。在緊接著該溫度平衡階段B進(jìn)行的第一滲氮階段Cl中，以約為50毫巴的氮供體氣體分壓導(dǎo)入氮供體氣體，例如氨氣。緊接著進(jìn)行第一擴(kuò)散階段E1，其中對處理室抽真空或者用惰性氣體吹掃。在此，氮?dú)饣驓鍤饪梢杂米鞫栊詺怏w。然后，以約為50毫巴的氮供體氣體分壓利用氮供體氣體實(shí)施第二滲氮階段C2。例如氨氣可以用作氮供體氣體。緊接著進(jìn)行第一次工藝氣體更換F1，其中對處理室抽真空或者用惰性氣體例如氮?dú)饣驓鍤獯祾?。緊接著該第一次工藝氣體更換，以約為10毫巴的碳供體氣體分壓實(shí)施滲碳階段D1。相應(yīng)地實(shí)施其他的工藝流程。在此進(jìn)行第二次工藝氣體更換F2，其中對處理室抽真空或者用惰性氣體吹掃。在緊接著的滲氮階段C3中，可以將氮供體氣體分壓再次設(shè)定為約50毫巴。然后的工藝氣體更換又可以通過抽真空或者用惰性氣體吹掃來實(shí)現(xiàn)。又可以約為10毫巴的碳供體氣體分壓實(shí)施第二滲碳階段D2。在第二滲碳階段D2之后實(shí)施第二擴(kuò)散階段E2，然后在本實(shí)施例中對金屬組件I進(jìn)行冷卻。在實(shí)施第二擴(kuò)散階段E2時(shí)，可以對處理室抽真空或者用惰性氣體例如氮?dú)饣驓鍤獯祾?。因此，在本?shí)施例中所述方法包括一個(gè)加熱階段A、一個(gè)溫度平衡階段B、三個(gè)滲氮階段C1、C2、C3、兩個(gè)滲碳階段D1、D2、兩個(gè)擴(kuò)散階段E1、E2、三次工藝氣體更換F1、F2、F3以及一個(gè)冷卻階段。
在實(shí)施所述方法時(shí)，在每個(gè)滲碳階段Dl、D2之前實(shí)施至少一個(gè)滲氮階段Cl、C2、C3。在本實(shí)施例中，在滲碳階段Dl之前實(shí)施兩個(gè)滲氮階段Cl、C2。并且在滲碳階段D2之前實(shí)施滲氮階段C3。還可以根據(jù)該方法的實(shí)施方案實(shí)施另外的滲碳階段。這些其他的滲碳階段又各自在至少一個(gè)滲氮階段之后進(jìn)行。在單個(gè)滲氮階段與滲碳階段之間以合適的方式實(shí)施擴(kuò)散階段或者工藝氣體更換。因此，以此方式可以實(shí)施以不含碳化物或碳化物受控制的方式進(jìn)行碳氮共滲的方法的許多種變型。因此，可以有利地影響金屬組件I的組織結(jié)構(gòu)。該有利的影響特別是存在于邊緣的區(qū)域內(nèi)或者其他導(dǎo)致不平坦的表面2(圖3)的構(gòu)型中。圖2在簡要示意圖中顯示了金屬組件I的經(jīng)碳氮共滲的邊緣3的金相組織示意圖。相應(yīng)地，圖3在示意圖中顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的金屬組件I的碳化物受控制的·經(jīng)碳氮共滲的邊緣3的金相組織圖。圖2中所示的邊緣3在邊緣3處表面2下方具有約50 μ m寬的邊緣區(qū)域4，在其中碳化物濃度升高。由于在邊緣區(qū)域4處碳化物濃度高，對組件的承載能力造成不利影響。特別是在應(yīng)變情況下會由于接近表面的碳化物而導(dǎo)致組件提前失效，其中在邊緣3的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)斷裂或者其他機(jī)械破損。對于在圖3中所示的金屬組件1，通過根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的碳氮共滲方法進(jìn)行碳氮共滲。由此在約15 μ m寬的邊緣區(qū)域4內(nèi)明顯降低了碳化物濃度。因而避免了非期望的高的碳化物濃度。圖4在示意圖中顯示了在圖2和圖3中所示的組件I的深度分布分析圖。在此，橫坐標(biāo)顯示邊緣區(qū)域4距離表面2的深度?？v坐標(biāo)顯示以百分比計(jì)的質(zhì)量濃度。在此，通過用虛線顯示的曲線10表示在邊緣區(qū)域4中含有碳化物的切口的碳含量，如同在圖2中所示的金屬組件I所出現(xiàn)的情況。通過用虛線顯示的曲線11表示邊緣區(qū)域4的含有碳化物的切口的氮含量，如同在圖2中所示的金屬組件I所出現(xiàn)的情況。通過曲線12表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的如圖3所示的金屬組件I的邊緣區(qū)域4內(nèi)碳化物受控制的切口的碳含量。并且，通過曲線13表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的如圖3所示的金屬組件I的邊緣區(qū)域4內(nèi)碳化物受控制的切口的氮含量。通過根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的碳氮共滲方法，可以顯著降低在邊緣3處邊緣區(qū)域4內(nèi)的碳含量，如傳統(tǒng)實(shí)施方案的曲線10與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的實(shí)施方案的曲線12的比較所顯示。同時(shí)，通過根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法的實(shí)施方案提高了邊緣3處邊緣區(qū)域4內(nèi)的氮濃度，如傳統(tǒng)實(shí)施方案的曲線11與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的實(shí)施方案的曲線13的比較所顯示。通過降低碳濃度同時(shí)提高氮濃度，可以實(shí)現(xiàn)可比較的硬度效果。因此，可以有利地影響金屬組件在臨界表面區(qū)域內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)，在該區(qū)域內(nèi)該組件I的表面2是不平坦的。特別是可以在螺紋、切口、邊緣等處實(shí)施滲氮，從而能夠有利地降低否則過高的碳化物濃度。在此，在這些臨界表面區(qū)域處金屬組件I可以獲得高的承載能力，同時(shí)達(dá)到所要求的硬度。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的碳氮共滲方法特別適合于壓縮空氣的自燃式內(nèi)燃機(jī)的組件或者適合于該內(nèi)燃機(jī)的燃料噴射裝置。尤其是可以制造高壓噴射泵的組件、柴油噴射發(fā)動機(jī)的元件、節(jié)流閥 等。此外，所述方法還適合于傳動元件。
本發(fā)明并不僅限于上述實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.對金屬組件(I)進(jìn)行碳氮共滲的方法，其中設(shè)置至少一個(gè)滲碳階段(D1，D2)，在滲碳階段中利用碳供體氣體對金屬組件(I)進(jìn)行滲碳，設(shè)置滲碳階段(Dl，D2)所配屬的至少一個(gè)滲氮階段(Cl，C2，C3)，滲氮階段在滲碳階段(Dl，D2)之前進(jìn)行，金屬組件(I)在滲氮階段(C1，C2，C3)中在金屬組件(I)的至少一個(gè)表面區(qū)域(4)上利用氮供體氣體至少在表面上進(jìn)行滲氮。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其特征在于，設(shè)置多個(gè)滲碳階段(Dl，D2)，每個(gè)滲碳階段(Dl，D2)均配屬至少一個(gè)之前進(jìn)行的滲氮階段(Cl，C2, C3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，其特征在于，設(shè)置加熱階段(A)，在加熱階段中將金屬組件(I)加熱至處理溫度，加熱階段(A)在滲氮階段(Cl，C2，C3)和滲碳階段(Dl，D2)之前進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3之一的方法，其特征在于，處理溫度在約780°C至約1050°C的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4之一的方法，其特征在于，所述碳氮共滲是低壓碳氮共滲。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5之一的方法，其特征在于，在一個(gè)滲氮階段(C1，C2，C3)與一個(gè)其后的滲碳階段(Dl，D4)之間設(shè)置至少一次工藝氣體更換(Fl，F(xiàn)3)，在此次工藝氣體更換過程中將在滲氮階段(C1，C2，C3)中所用的氮供體氣體通過抽真空加以去除或者利用惰性氣體加以排出；和/或在一個(gè)滲碳階段(Dl)與一個(gè)其后的滲氮階段(C3)之間設(shè)置至少一次工藝氣體更換(F2)，在此次工藝氣體更換過程中將在滲碳階段中所用的碳供體氣體通過抽真空加以去除或者利用惰性氣體加以排出。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6之一的方法，其特征在于，所述氮供體氣體包括氨氣和/或氮?dú)?；?或所述碳供體氣體包括乙炔和/或乙烯和/或丙烷和/或丙烯和/或甲烷和/或環(huán)己烷和/或環(huán)戊烷。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7之一的方法，其特征在于，設(shè)置至少一個(gè)擴(kuò)散階段(El，E2)，在擴(kuò)散階段中進(jìn)行抽真空和/或使金屬組件(I)至少基本上被惰性氣體包圍，擴(kuò)散階段(E1，E2)在滲氮階段(Cl)或滲碳階段(D2)之后進(jìn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8之一的方法，其特征在于，金屬組件(I)至少在表面區(qū)域(4)內(nèi)進(jìn)行滲氮，組件(I)的表面(4)在該表面區(qū)域上是不平坦的；和/或金屬組件(I)至少在螺紋、切口、邊緣(3)等處的表面區(qū)域(4)內(nèi)進(jìn)行滲氮；和/或金屬組件(I)是傳動元件；和/或金屬組件(I)具有至少一個(gè)嚙合結(jié)構(gòu)，組件(I)的表面(4)在該嚙合結(jié)構(gòu)處進(jìn)行滲氮。
10.通過根據(jù)權(quán)利要求I至9之一的方法進(jìn)行碳氮共滲的金屬組件(I)，尤其是傳動元件和/或具有至少一個(gè)嚙合結(jié)構(gòu)的組件和/或一種或多種壓縮空氣的自燃式內(nèi)燃機(jī)的燃料噴射裝置的組件。
全文摘要
在對金屬組件(1)進(jìn)行碳氮共滲的方法中設(shè)置至少一個(gè)滲碳階段(D1，D2)，在滲碳階段中利用碳供體氣體對金屬組件(1)進(jìn)行滲碳。此外，設(shè)置滲碳階段(D1，D2)所配屬的滲氮階段(C1，C2，C3)，滲氮階段在滲碳階段(D1，D2)之前進(jìn)行。在此，金屬組件(1)在滲氮階段(C1，C2，C3)中在金屬組件(1)的至少一個(gè)表面區(qū)域(4)上利用氮供體氣體至少在表面上進(jìn)行滲氮。由此可以防止碳濃度過量，從而可以避免組件失效或者可以省去成本高昂的后期加工步驟，例如磨削。
文檔編號C23C8/30GK102947477SQ201180020153
公開日2013年2月27日 申請日期2011年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者J·施瓦策爾, L·豪吉馬希, T·瓦爾登邁爾 申請人:羅伯特·博世有限公司