專利名稱：對工件表面進行無結合層氣體滲氮的方法以及工件的制作方法
技術領域：
本發明涉及對工件表面進行無結合層氣體滲氮方法，以及根據相應類獨立權利要求前序部分所述的無結合層滲氮的工件。
背景技術：
在現有技術中例如借助于氨氣(NH3)對工件進行氣體滲氮的方法和裝置是公知的。
對工件表面主要起回火和硬化作用的已知方法在這一點上具有某些缺陷，尤其是對于特定應用，這些缺陷從根本上說應歸因于氣體滲氮的不同方法步驟中層形成的方式。
在某些情形下，結合層在氣體滲氮過程中的形成是不期望的，因為對于特定應用來說某些缺陷與此有關。例如對于要求在振蕩載荷和彎曲載荷下具有高疲勞強度的工件來說即是如此。一個典型的例子就是例如用于內燃機進氣和排氣閥中的螺旋彈簧。這些發動機在較高轉速時，所述閥每秒運作幾十次，在極端情形下例如甚至達到每秒100次，由此使用于操作或輔助閥關閉的相應螺旋彈簧暴露于極高的彎曲或振蕩載荷。
在上述這些或類似的應用中，結合層具有非常負面的作用，特別是對于負載工件在靠近表面處的特性來說。
發明內容
因此本發明的目的在于提供一種對工件進行氣體滲氮的方法，以及按照這種方法處理過的工件，以使工件獲得具有最高值的表面，它在承受彎曲和/或振蕩載荷時具有的高疲勞強度方面顯示顯著改進的特性。
能滿足這些目的的本發明主題的特征在于各類獨立權利要求的特征。
相應的從屬權利要求涉及本發明的優選實施方案。
因此，本發明涉及一種在氣體氛圍下對工件表面進行無結合層氣體滲氮的方法，包括以下方法步驟將工件裝入處理室，其中處理室中包含用于向處理室提供流體以產生和維持氣體氛圍，特別是用于提供水和氣體的氣體供給裝置；在氮氣和/或氧氣氣氛下，特別是在氮氣氣氛下，加熱工件；在第一氮化階段內對工件進行滲氮；在第一滲氮階段之后的第二滲氮階段內繼續滲氮，其中根據本發明在第一滲氮階段和/或第二滲氮階段降低氣氛中的氨氣含量。
通過應用根據本發明所述的方法，保證了工件僅僅在表面上獲得一個擴散區，表面具有高硬度，且在振動載荷下的高疲勞強度方面工件特性得到顯著提高。
在根據本發明所述方法的一個特殊實施方案中，該方法包括以下方法步驟將工件裝入用于氣體滲氮的處理室中并提供工藝氣體；在加熱階段于所述氣氛下加熱工件至預定平衡溫度；在平衡階段將工件保持在平衡溫度；在具有氮氣和/或氨氣和/或氫氣的第二加熱階段，將位于處理室內的工件的溫度升高到預定處理溫度；在初始滲氮階段，于含氨氣或氨氣與氮氣的工藝氣體中將工件保持在處理溫度；在第一滲氮階段，將工件保持在處理溫度并用額外的氣體稀釋氨氣成分，特別是用氮氣和/或氫氣和/或二氧化碳和/或其它適合的額外氣體進行稀釋；在第二滲氮階段將工件保持在處理溫度并用上述額外的氣體稀釋氨氣成分，其中氣流中的氨氣含量小于前面第一滲氮階段；在第三滲氮階段將工件保持在處理溫度并用上述額外的氣體進一步稀釋氨氣成分，其中氨氣含量小于前面第二滲氮階段；用氮氣冷卻工件。
在加熱階段對工件進行加熱時，不僅可以使用氮氣，還可以使用水蒸汽或這些氣體的混合物。然后在平衡階段用第一工藝氣體(氮氣和/或氧氣和/或水蒸汽)將工件保持在平衡溫度以預定的時間，其中所述平衡溫度可以在200℃-600℃，優選在350℃的區域。隨后在第二加熱階段將溫度升高到預定處理溫度，其中添加氮氣和/或氫氣和/或氨氣作為第二工藝氣體。這里，根據工件不同，處理溫度可以在300℃-600℃，例如優選地在350℃-500℃。
此后，在初始滲氮階段，添加第三滲氮氣體，優選地為氨氣。初始滲氮溫度可以與處理溫度相同也可不同。初始滲氮溫度甚至可以上下顯著偏離處理溫度。初始滲氮的持續時間優選地比在處理溫度下的處理持續時間短，大約為5-60min，優選地為15min。
隨后在第一滲氮階段將工件在滲氮溫度下于滲氮氣氛中氣體滲氮，以產生擴散層，其中所述滲氮氣氛中可以含有作為滲氮氣體的例如氨氣和/或甲烷和/或二氧化碳和/或氫氣和/或氮氣和/或其它適合的滲氮氣體。
在此之后，在第二滲氮階段在滲氮溫度于滲氮氣氛中對工件氣體滲氮，其中所述滲氮氣氛中滲氮氣體的氨氣含量降低且額外氣體成分例如氮氣和/或氫氣和/或二氧化碳和/或其它適合作為滲氮氣體的額外氣體組分含量升高。爾后，在第三滲氮階段，在滲氮溫度于滲氮氣體中氨氣含量降低且額外氣體組分含量升高的滲氮氣氛內對工件氣體滲氮。
在這里，重要的是在連續處理步驟中用額外的氣體例如氮氣、氫氣或二氧化碳在處理階段中稀釋氨氣成分，使在相繼的滲氮階段內工藝氣體中的氨氣濃度降低。從而，一方面不在擴散層上產生結合層，另一方面產生可擴散的氮，從而在向工件內部方向上擴散不會停止。如果工藝氣體中的氨氣濃度選擇得過低，會造成工件表面附近區域的脫氮和外邊界區的硬度降低。
因此，本方法的優點特別在于工件在0.05-0.5mm的大擴散深度下無結合層，產生完美的擴散層以及工件和零件在彎曲和振動受力下的特性得到改善等事實。
因此根據本發明的方法特別適用于動態受力的零件和工件如彈簧、軸和鍛模，但并不僅限于此。
優選但并非必需地，可進行氣體滲氮和PVD涂覆聯合處理。因為，擴散層是無結合層的且表面具有高質量，在處理之后沒有結塊，所以在此表面上可以沉積具有特別高粘著特性的PVD層。
如上所述，在一個優選實施方案中，在第二滲氮階段之后的第三滲氮階段內氨氣含量進一步降低。
在一個對于實際應用特別重要的實施方案中，根據本發明所述方法進一步包括以下步驟向處理室中裝入工件并通過供給第一工藝氣體產生氣體氛圍；在加熱階段于氣體氛圍中將工件加熱到預定的平衡溫度；在平衡階段將工件保持在平衡溫度；在第二加熱階段，向處理室的氣氛中添加第二工藝氣體的同時，特別是添加氮氣和/或氫氣和/或氨氣和/或其它第二工藝氣體的同時，將工件進一步加熱到處理溫度；在初始滲氮階段將工件保持在處理溫度；在第一滲氮階段內于第一滲氮溫度下對工件進行滲氮，并通過添加額外的氣體降低氣氛中的氨氣含量；在第二滲氮階段于第二滲氮溫度對工件進行滲氮并通過降低氨氣成分相對于所述額外氣體的比例進一步降低氣氛中的氨氣含量；在第三滲氮階段，于第三滲氮溫度下對工件進行滲氮并通過降低氨氣成分相對于所述額外氣體的比例進一步降低氣氛中的氨氣含量；在冷卻階段于氮氣氛下冷卻工件。
在這里，在所有氣體中主要討論氮氣、氫氣、二氧化碳或其它額外的氣體。
在另一特殊實施方案中，第一工藝氣體和/或第二工藝氣體包含空氣和/或氮氣，優選地30％空氣和70％氮氣。
在第二加熱階段，氣氛中可以包含70％、優選地90％和特別是100％的氮氣。
初始滲氮階段的氣氛中特別包含氨氣和氮氣，優選地60％-90％氨氣和/或10％-40％氮氣，特別是80％氨氣和20％氮氣。
平衡溫度在250℃-400℃之間，特別是300℃-380℃之間，尤其是在350℃。
在根據本發明的方法的一個特殊實施方案中，第一滲氮溫度與第二滲氮溫度相同，和/或第二滲氮溫度與第三滲氮溫度相同，和/或第一滲氮溫度和/或第二滲氮溫度和/或第三滲氮溫度與處理溫度相同。
在此安排中，特別是第一滲氮溫度和/或第二滲氮溫度和/或第三滲氮溫度和/或處理溫度在300℃-600℃之間，特別是400℃-500℃之間，尤其是在440℃。
第一滲氮階段的持續時間優選地大于第二滲氮階段的持續時間，和/或第二滲氮階段的持續時間大于第三滲氮階段的持續時間，從而第一滲氮階段的持續時間在200min-500min之間，優選地在300min-400min之間，特別是為360min，和/或在第一滲氮階段氨氣的比例在70％-95％之間，優選地為85％，和/或在第一滲氮階段氮氣的比例在5％-15％之間，優選地為9％，和/或在第一滲氮階段二氧化碳比例小于5％，優選地1％，和/或氫氣的比例在0％-10％之間，優選地為5％。
第二滲氮階段的持續時間在100min-400min之間，優選地在200min-300min之間，特別是為240min，和/或在第二滲氮階段氨氣的比例在30％-70％之間，優選地為50％，和/或在第二滲氮階段氮氣的比例在20％-60％之間，優選地為44.5％，和/或在第二滲氮階段二氧化碳的比例小于3％，優選地0.5％，和/或氫氣的比例在0％-10％之間，優選地為5％。
第三滲氮階段的持續時間在10min-100min之間，優選地在20min-60min之間，特別是為30min，和/或在第三滲氮階段氨氣的比例在20％-60％之間，優選地為40％，和/或在第三滲氮階段氮氣的比例在30％-70％之間，優選地為55％，和/或在第三滲氮階段二氧化碳的比例小于2％，優選地0％，和/或氫氣的比例在0％-10％之間，優選地為5％。
在另一實施方案中，在氣體滲氮之后通過PVD法向工件提供表面層。
如上所述，本發明進一步涉及按照上述根據本發明所述方法進行了氣體滲氮的工件，它尤其可以是彈簧、軸、鍛模，優選地SiCrV合金工件，特別是由鉻含量0.5％-1％的閥彈簧鋼制造的閥彈簧。
在此方案中，工件具有結合層，其厚度小于3μm，優選地小于1μm，和/或滲氮硬度深度大于0.04mm。
工件的表面硬度優選地大于600HV0.5，優選地大于800HV0.5和/或在0.05mm深處硬度大于400HV0.5，優選地大于600HV0.5和/或在氣體滲氮之后芯部硬度為至少400HV10，優選地至少520HV10。
顯然本發明并不局限于此示例性應用中所述的實施方案，而且特別是所述實施方案的所有合適的組合都包含在本發明之內。
下面將參照附圖對本發明作進一步詳述。
圖1是根據本發明所述方法的一個實施方案的時間-溫度圖；具體實施方式
在圖1中圖解說明了根據本發明所述方法的一個對于實際應用非常重要的實施方案，當閥彈簧被用在例如機動車輛內燃機的進氣和/或排氣閥中時此實施方案例如可以特別有利地被用于閥彈簧的滲氮。
開始先將彈簧裝入氣體滲氮設備的處理室，其中氣體滲氮設備本身對于本領域一般技術人員來說有許多眾所周知的實施方案，因此在本申請范圍內并不必進一步詳細描述。
將彈簧裝入處理室之后，由包含大約30％空氣和大約70％氮氣的第一工藝氣體1在處理室內產生氣氛，并將工件，此處為彈簧，在加熱階段A于上述氣氛中加熱到預定的平衡溫度GT，在此實施例中此預定平衡溫度GT達350℃。
然后在平衡階段G將彈簧在第二工藝氣體2(在圖1所示的本特殊實施方案中與第一工藝氣體相同)中保持在350℃的平衡溫度GT。
此后用第三工藝氣體3在處理室中產生氣氛，并將第二加熱階段A”中的溫度升高到預定的處理溫度PT。在此特殊實施方案中，處理溫度PT與此處高達440℃的滲氮溫度NT相同。第三工藝氣體3在這里基本上(即除了與本處理無關的污染物之外)由100％氮氣構成。
到達處理溫度PT后，在初始滲氮階段AP在含第四工藝氣體4的氣氛下對工件(換句話說在這里為彈簧)進行相對較短時間例如15分鐘的氣體滲氮以產生擴散層，其中所述第四工藝氣體4包含大約80％氨氣和大約20％氮氣。在三個相繼的滲氮階段N1、N2和N3內在工件深處建立起擴散區，其中工藝氣體按預定表變化，例如表1中所列。
表1圖1所示特殊實施方案中氨氣濃度在滲氮階段N1、N2和N3內的下降圖表。
在這里重要的是，氨氣濃度在三個滲氮階段N1、N2、N3的整個滲氮時間內分階段和/或持續地降低。在圖1所示的此特殊實施例中，在所有三個滲氮步驟N1、N2、N3內滲氮溫度NT都高達約440℃。保持時間，即滲氮階段N1、N2、N3的持續時間，以及滲氮階段內工藝氣體5、6、7的組成同樣可以從表1中得知。
在最后的滲氮階段N3完成之后，在冷卻階段K在處理室內于添加氮氣的同時冷卻工件。
通過在圖1中和在上面詳細描述的根據本發明所述方法的示例性具體實施方案，可以在含0.05％-1.5％鉻、特別是0.5％-5.5％鉻的回火ScCrV合金閥彈簧鋼(例如55SiCr7)上實現以下滲氮特征-結合層小于1μm-表面硬度大于800HV0.5-滲氮硬度深度大于0.04mm-0.05mm深處硬度大于600HV0.5-處理前芯部硬度最低560HV10-處理后芯部硬度最低520HV10
權利要求
1.一種在氣體氛圍中對工件表面進行無結合層氣體滲氮的方法，包括以下方法步驟-將工件裝入處理室，其中處理室中包含用于向處理室提供流體、特別是提供水和氣體以產生和維持所述氣體氛圍的氣體供給裝置；-在氮氣和/或氧氣氣氛下，特別是在氮氣氣氛下，加熱工件；-在第一氮化階段(N1)內對工件進行滲氮；-在第一滲氮階段(N1)之后的第二滲氮階段(N2)內繼續滲氮，其特征在于，在第一滲氮階段(N1)和/或第二滲氮階段(N2)降低氣體氛圍中的氨氣含量。
2.根據權利要求1所述的方法，其中在第二滲氮階段(N2)之后的第三滲氮階段(N3)內進一步降低氨氣含量。
3.根據權利要求1或2所述的方法，包括以下方法步驟-向處理室中裝入工件并通過供給第一工藝氣體(1)產生氣體氛圍；-在加熱階段(A)于氣體氛圍中將工件加熱到預定的平衡溫度(GT)；-在平衡階段(G)將工件保持在平衡溫度(GT)；-在第二加熱階段(A2)，向處理室的氣氛中添加第二工藝氣體(2)的同時，特別是添加氮氣和/或氫氣和/或氨氣和/或其它第二工藝氣體(2)的同時，將工件進一步加熱到處理溫度(PT)；-在初始滲氮階段(AP)將工件保持在處理溫度(PT)；-在第一滲氮階段(N1)內于第一滲氮溫度(NT1)下對工件進行滲氮，并通過添加額外的氣體降低氣氛中的氨氣含量；-在第二滲氮階段(N2)于第二滲氮溫度(NT2)對工件進行滲氮并通過通過降低氨氣成分相對于所述額外氣體的比例進一步降低氣氛中的氨氣含量；-在第三滲氮階段(N3)，于第三滲氮溫度(NT3)下對工件進行滲氮并通過降低氨氣成分相對于所述額外氣體的比例進一步降低氣氛中的氨氣含量；和-在冷卻階段(K)于氮氣氛下冷卻工件。
4.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中所述額外氣體為氮氣、氫氣、二氧化碳或其它額外的氣體。
5.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中第一工藝氣體(1)和/或第二工藝氣體(2)包括空氣和/或氮氣，優選30％空氣和70％氮氣。
6.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中第二加熱階段(N2)中的氣氛包括70％氮氣，優選90％氮氣，特別是100％的氮氣。
7.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中初始滲氮階段(AN)的氣氛包括氨氣和氮氣，優選60％-90％氨氣和/或10％-40％氮氣，特別是80％氨氣和20％氮氣。
8.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中平衡溫度(GT)在250℃-400℃之間，特別是300℃-380℃之間，尤其是在350℃。
9.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中第一滲氮溫度(NT1)與第二滲氮溫度(NT2)相同，和/或第二滲氮溫度(NT2)與第三滲氮溫度(NT3)相同，和/或第一滲氮溫度(NT1)和/或第二滲氮溫度(NT2)和/或第三滲氮溫度(NT3)與處理溫度(PT)相同。
10.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中第一滲氮溫度(NT1)和/或第二滲氮溫度(NT2)和/或第三滲氮溫度(NT3)和/或處理溫度(GT)在300℃-600℃之間，特別是在400℃-500℃之間，尤其是在440℃。
11.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中第一滲氮階段(N1)的持續時間大于第二滲氮階段(N2)的持續時間，和/或第二滲氮階段(N2)的持續時間大于第三滲氮階段(N3)的持續時間。
12.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中第一滲氮階段(N1)的持續時間在200min-500min之間，優選地在300min-400min之間，特別是為360min，和/或第一滲氮階段(N1)中氨氣的比例在70％-95％之間，優選地為85％，和/或在第一滲氮階段(N1)中氮氣的比例在5％-15％之間，優選地為9％，和/或在第一滲氮階段(N1)中二氧化碳比例小于5％，優選1％，和/或氫氣的比例在0％-10％之間，優選地為5％。
13.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中第二滲氮階段(N2)的持續時間在100min-400min之間，優選地在200min-300min之間，特別是為240min，和/或在第二滲氮階段(N2)中氨氣的比例在30％-75％之間，優選地為50％，和/或在第二滲氮階段(N2)中氮氣的比例在20％-60％之間，優選地為44.5％，和/或在第二滲氮階段(N2)中二氧化碳的比例小于3％，優選0.5％，和/或氫氣的比例在0％-10％之間，優選地為5％。
14.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中第三滲氮階段(N3)的持續時間在10min-100min之間，優選地在20min-60min之間，特別是為30min，和/或在第三滲氮階段(N3)中氨氣的比例在20％-60％之閥，優選地為40％，和/或在第三滲氮階段(N3)中氮氣的比例在30％-70％之間，優選地為55％，和/或在第三滲氮階段(N3)中二氧化碳的比例小于2％，優選0％，和/或氫氣的比例在0％-10％之間，優選地為5％。
15.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其中在氣體滲氮之后通過PVD法向工件提供表面層。
16.按照權利要求1-15中任何一項的方法進行了氣體滲氮的工件，特別是彈簧、軸、鍛模，優選SiCrV合金工件，特別是由含0.5％-1.5％、尤其是0.5％-5.5％的鉻的閥彈簧鋼制造的閥彈簧。
17.根據權利要求16所述的工件，其具有結合層，該層的厚度小于3μm，優選地小于1μm，和/或滲氮硬度深度大于0.04mm。
18.根據權利要求16或17所述的工件，其表面硬度大于600HV0.5，優選地大于800HV0.5，和/或在0.05mm深處硬度大于400HV0.5，優選地大于600HV0.5，和/或在氣體滲氮之后芯部硬度為至少400HV10，優選地至少520HV10。
全文摘要
本發明涉及一種在氣體氛圍下對工件表面進行無結合層氣體滲氮的方法，包括以下方法步驟將工件裝入處理室，其中處理室中包含用于向處理室提供流體，特別是用于提供水和氣體以產生和維持氣體氛圍的氣體供給裝置；在氮氣和/或氧氣氣氛下，特別是在氮氣氣氛下，加熱工件；在第一氮化階段(N1)內對工件進行滲氮；在第一滲氮階段(N1)之后的第二滲氮階段(N2)內繼續滲氮，其中根據本發明在第一滲氮階段(N1)和/或第二滲氮階段(N2)降低氣氛中的氨氣含量。本發明進一步涉及一種工件，特別是按照根據本發明所述方法進行了氣體滲氮的彈簧。
文檔編號C23C8/24GK1982496SQ20061015319
公開日2007年6月20日 申請日期2006年12月11日 優先權日2005年12月12日
發明者H·博德, J·克魯默勞爾 申請人:梅塔普拉斯億歐儂表面精制技術有限責任公司