[發明專利]用于熱處理金屬的方法和設備

無效

• 申請號: 201210020343.5
• 申請日: 2012-01-10
• 公開（公告）號: CN102618816A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: Z·蘇雷基;王曉嵐;G·普利奇特;J·L·格林;A·K·維爾-奧克蘭
• 申請（專利權）人: 氣體產品與化學公司
• 主分類號: C23C8/06
• 分類號: C23C8/06;C21D1/74;G01N27/04;G01N33/20
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李進;楊思捷

相關申請的交叉引用

本申請要求2011年1月10日提交的美國申請61/431,179號的權益。申請61/431,179號所公開的內容通過引用結合到本文中。

發明背景

本文描述了一種在含碳氣氛中熱處理和加工金屬(比如但不限于鋼)的方法和設備。更具體地，本文描述了一種方法和設備，所述方法和設備用于可在例如1大氣壓分批或連續爐中進行的滲碳、碳氮共滲、氮碳共滲、受控碳電位退火、軟化、銅焊和燒結。

常規的含碳氣氛在吸熱(有時，放熱)發生器中產生，所述發生器遠離熱處理爐或在熱處理爐外部。常常通過與一種或多種烴氣體(HC)比如甲烷(CH₄)、丙烷(C₃H₈)、丙烯(C₃H₆)、乙炔(C₂H₂)、氨(NH₃)和/或氮(N₂)混合，來調節含碳氣氛以匹配加工要求。由于最經常與空氣重整的吸熱氣體形成氫(H₂)、N₂和一氧化碳(CO)，和少量的水蒸汽(H₂O)和二氧化碳(CO₂)，常規的氣氛具有氧化存在于鋼中的摻雜添加劑例如鉻(Cr)、錳(Mn)、硅(Si)或釩(V)的電位，同時使主要鋼組分(即，鐵(Fe))滲碳。相同的氧化-滲碳效應發生在其他氣氛中，比如離解的醇氣氛，例如N₂-甲醇和N₂-乙醇。

氧化-滲碳效應是不期望的。在許多情況下，位于金屬晶界的氧化物弱化表面并在隨后的運行中加速疲勞裂縫或腐蝕。充分認識到，應對措施昂貴、時間、能源和資本設備密集，和/或當薄壁鋼組件或網狀表面滲碳時不可用。對于滲碳處理，這些應對措施可包括延長在爐中的滲碳循環時間，以便在金屬表面中產生過厚的富碳層，并在后續機械加工操作中機械去除該層最外部受氧化物影響的部分。在其他處理中，通過形成氧化物膜的斑點，氧化-滲碳效應可劣化退火的金屬的表面外觀。此外，這些氣氛的氧化電位可抑制或完全防止高度合金化的鋼(比如不銹鋼和不同類型的工具鋼和超合金)的滲碳和相關的擴散表面處理。

為了避免這種氧化-滲碳效應，金屬行業可使用不含氧的氣氛，在加工爐的氣體入口，該氣氛可含有技術上純的N₂、H₂、NH₃、HC和它們的組合和混合物，和任選的氬或氦添加，但是不含空氣、CO、CO₂，H₂O或醇和它們的蒸氣。眾所周知，從爐氣氛中消除含氧(O₂)氣體，包括空氣、CO、CO₂、H₂O或醇和它們的蒸氣，是所列出的問題的有效解決方案?？扇缦聦崿F這一點：在低壓滲碳處理期間，在真空爐中使用HC、HC-N₂或HC-H₂氣體流，其中所有的空氣和水分已在前面的操作中從爐體積中泵出。不含O₂的N₂-HC和N₂-H₂-HC氣氛處理也已在大氣(例如，環境，1-大氣壓)爐中以不同的成功程度使用。此處，主要的復雜因素是難以排除環境空氣泄漏至爐中。雖然非常流行和相對便宜，但是1-大氣壓爐不能提供在真空爐中可見的氣氛控制水平。遇到的另外的因素可包括從爐的陶瓷耐火材料釋放水分和燃燒火焰從輻射加熱管較少泄漏到爐的處理空間。

在含氧的常規吸熱氣氛和離解的醇氣氛中，滲碳工藝控制基于鐵表面上的滲碳-脫碳反應的平衡。使用氧化鋯探針(通常稱為氧或碳探針)可測量氣氛的還原電位，它與其滲碳電位有關。由于不存在平衡，該工藝控制方法不能與上述不含O₂的氣氛一起使用；金屬滲碳與暴露時間、溫度和帶有碳的物類從氣氛到表面的通量或轉移成比例。此處，在通常的熱處理條件下，最終的滲碳極限為通過氣氛的HC-組分將實質上或全部金屬體積轉變為碳化物，這是不期望的結果。