[发明专利]用于热处理金属的方法和设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年1月10日提交的美国申请61/431,179号的权益。申请61/431,179号所公开的内容通过引用结合到本文中。

发明背景

本文描述了一种在含碳气氛中热处理和加工金属(比如但不限于钢)的方法和设备。更具体地，本文描述了一种方法和设备，所述方法和设备用于可在例如1大气压分批或连续炉中进行的渗碳、碳氮共渗、氮碳共渗、受控碳电位退火、软化、铜焊和烧结。

常规的含碳气氛在吸热(有时，放热)发生器中产生，所述发生器远离热处理炉或在热处理炉外部。常常通过与一种或多种烃气体(HC)比如甲烷(CH₄)、丙烷(C₃H₈)、丙烯(C₃H₆)、乙炔(C₂H₂)、氨(NH₃)和/或氮(N₂)混合，来调节含碳气氛以匹配加工要求。由于最经常与空气重整的吸热气体形成氢(H₂)、N₂和一氧化碳(CO)，和少量的水蒸汽(H₂O)和二氧化碳(CO₂)，常规的气氛具有氧化存在于钢中的掺杂添加剂例如铬(Cr)、锰(Mn)、硅(Si)或钒(V)的电位，同时使主要钢组分(即，铁(Fe))渗碳。相同的氧化-渗碳效应发生在其他气氛中，比如离解的醇气氛，例如N₂-甲醇和N₂-乙醇。

氧化-渗碳效应是不期望的。在许多情况下，位于金属晶界的氧化物弱化表面并在随后的运行中加速疲劳裂缝或腐蚀。充分认识到，应对措施昂贵、时间、能源和资本设备密集，和/或当薄壁钢组件或网状表面渗碳时不可用。对于渗碳处理，这些应对措施可包括延长在炉中的渗碳循环时间，以便在金属表面中产生过厚的富碳层，并在后续机械加工操作中机械去除该层最外部受氧化物影响的部分。在其他处理中，通过形成氧化物膜的斑点，氧化-渗碳效应可劣化退火的金属的表面外观。此外，这些气氛的氧化电位可抑制或完全防止高度合金化的钢(比如不锈钢和不同类型的工具钢和超合金)的渗碳和相关的扩散表面处理。

为了避免这种氧化-渗碳效应，金属行业可使用不含氧的气氛，在加工炉的气体入口，该气氛可含有技术上纯的N₂、H₂、NH₃、HC和它们的组合和混合物，和任选的氩或氦添加，但是不含空气、CO、CO₂，H₂O或醇和它们的蒸气。众所周知，从炉气氛中消除含氧(O₂)气体，包括空气、CO、CO₂、H₂O或醇和它们的蒸气，是所列出的问题的有效解决方案。可如下实现这一点：在低压渗碳处理期间，在真空炉中使用HC、HC-N₂或HC-H₂气体流，其中所有的空气和水分已在前面的操作中从炉体积中泵出。不含O₂的N₂-HC和N₂-H₂-HC气氛处理也已在大气(例如，环境，1-大气压)炉中以不同的成功程度使用。此处，主要的复杂因素是难以排除环境空气泄漏至炉中。虽然非常流行和相对便宜，但是1-大气压炉不能提供在真空炉中可见的气氛控制水平。遇到的另外的因素可包括从炉的陶瓷耐火材料释放水分和燃烧火焰从辐射加热管较少泄漏到炉的处理空间。

在含氧的常规吸热气氛和离解的醇气氛中，渗碳工艺控制基于铁表面上的渗碳-脱碳反应的平衡。使用氧化锆探针(通常称为氧或碳探针)可测量气氛的还原电位，它与其渗碳电位有关。由于不存在平衡，该工艺控制方法不能与上述不含O₂的气氛一起使用；金属渗碳与暴露时间、温度和带有碳的物类从气氛到表面的通量或转移成比例。此处，在通常的热处理条件下，最终的渗碳极限为通过气氛的HC-组分将实质上或全部金属体积转变为碳化物，这是不期望的结果。