[发明专利]对金属组件进行碳氮共渗的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于对金属组件尤其是钢构件进行碳氮共渗的方法。本发明特别是涉及用于对一种或多种压缩空气的自燃式内燃机的燃料喷射装置的金属组件进行碳氮共渗的方法。此外，所述方法还适合于传动元件。

背景技术

DE 199 09 694 A1公开了一种用于在没有等离子辅助的低压过程中进行碳氮共渗的方法。在该已知的方法中使用分子氮作为供体气体，其中在该过程结束时使钢构件的边缘层富集氮。给低压渗碳过程附加一个以氮作为供体的碳氮共渗阶段作为最后的阶段。在该阶段中过程压力高于渗碳阶段的压力。在此可以在最后的工艺步骤以及在整个过程中添加氮供体。

由DE 199 09 694 A1公开的方法的缺点在于，由于长时间作用的高的碳浓度而会在基体材料中形成碳化物，碳化物在进一步热处理的过程中不再消溶。接近表面的碳化物根据应变导致组件提前失效。

发明内容

与此相比，根据本发明的具有权利要求1的特征的方法以及根据本发明的具有权利要求10的特征的金属组件的优点在于，能够对金属组件进行改善的碳氮共渗，并由此可以获得改善的材料特性。

通过在从属权利要求中所述的措施能够实施在权利要求1中所述方法以及在权利要求10中所述金属组件的有利的扩展方案。

所述方法有利地用于低压碳氮共渗。在此，该方法可以用于以碳化物受控制的方式进行氮碳共渗，其中产生一个或多个具有不含碳化物或碳化物受控制的接近表面的区域的金属组件。

在低压渗碳中，在边缘、螺纹、钻孔切口等处的边缘碳含量为约0.5重量％以上至0.7重量％的情况下，在接近表面的区域上具有提高的碳含量。这是因为：由于与平坦表面相比基于位于其下方的体积的可渗碳表面更大，少量的碳可以离开表面扩散进入该体积中。因此，碳浓度经历更长的时间保持在接近或者大于基体材料的溶解极限，由此形成在进一步热处理期间无法再消溶的碳化物。这些接近表面的碳化物会根据应变导致组件提前失效。然而，通过后期加工步骤例如磨削去除该富含碳化物且对于失效关键性的表面区域是成本高昂的，而且并不是在任何情况下均可实施。尤其是对于比较复杂的几何形状例如钻孔切口而言，该后期加工是复杂的，或者在某些情况下是不可能的。

因为氮和碳均可以间隙方式消溶在铁晶格中，所以碳化物的形成会受引入的氮的影响。例如可以在原本要引入碳之前通过用氮原子占据晶格间隙位置而降低最大可能的碳浓度，使得能够避免或者减少碳化物的形成。

因此，对于一个或多个金属组件的临界几何形状，例如螺纹线和钻孔切口，特别是借助碳氮共渗可以减少或者避免在接近表面的区域内形成碳化物。

金属组件优选在加热阶段中被加热至处理温度，在至少一个渗氮阶段中利用氮供体气体进行渗氮，及在至少一个渗碳阶段中利用碳供体气体进行渗碳。在此，在每个渗碳阶段前进行至少一个渗氮阶段。在每个渗碳阶段前实施渗氮阶段的优点在于：引入的氮减少了在铁基体中可接收的碳的量，由此减少或者避免碳化物的形成。接着，为了减少氮随着时间又从表面渗出的效应，实施至少一个另外的渗氮阶段。

因此，有利的是设置多个渗碳阶段并且每个渗碳阶段均配属一个之前进行的渗氮阶段。在此，此外有利的是设置加热阶段，在其中将金属组件加热至处理温度，并且所述加热阶段在渗氮阶段和渗碳阶段之前进行。在此，所述处理温度优选可以在约780℃至约1050℃的范围内。

此外有利的是，在一个渗氮阶段与一个其后的渗碳阶段之间设置至少一次工艺气体更换，在其中利用惰性气体排出在渗氮阶段中所用的氮供体气体，和/或在一个渗碳阶段与一个其后的渗氮阶段之间设置至少一次工艺气体更换，在其中排出在渗碳阶段中所用的碳供体气体。因此，可以在每个渗氮阶段或者渗碳阶段之后利用惰性气体例如氮气或氩气对处理室等进行吹扫，以实施工艺气体更换。还可以对处理室抽真空以实施工艺气体更换。

可以有利地通过适当地选择渗氮阶段、渗碳阶段以及其他阶段尤其是扩散阶段的时刻和持续时间来调节在金属组件的边缘层或表面区域内所期望的碳浓度分布和氮浓度分布。可以有利地考虑模拟模型来设置整个过程，所述模拟模型根据持续时间、温度、材料组成及任选采用的其他参数计算氮和碳的扩散。

氮供体气体优选包括氨气和/或氮气。此外有利的是，碳供体气体包括乙炔和/或乙烯和/或丙烷和/或丙烯和/或甲烷和/或环己烷和/或环戊烷。