[发明专利]金属物体的表面处理

说明书

本发明涉及用于处理金属基材以在所述基材上获得扩散表面层的方法和装置。

传统上，金属表面处理包括在基材上形成氮化表面，然后物理气相沉积诸如钛、铬氮化物的涂层或将碳氮碳共渗在所述表面上作为附着涂层。已经进行了一些工作，其所述工作中，在氮向表面扩散的同时将铺面材料扩散到基材的表面区中，在所述表面上制造铬或钛氮化物或氮化碳层。欧洲专利号0471276、0252480、0303191和国际公布号WO/47794的已发表的专利说明书公开了这样的处理方法。这样的方法能够提供性能更好的表面处理，这是由于所述表面层是扩散层而不仅仅是附着于基材的涂层，然而，为获得这种所需结果对所需的材料和参数的实际控制，被证明是十分困难的。与反应性气体或可燃气体例如氢和/或氨混合的卤化物气体例如HCl的使用，在混合气体组的构造中造成困难。此外，HCl和其他卤化物气体相对昂贵，这样的气体的大量使用会带来所需产物的相对昂贵的加工。另外，卤化物气体能够在低温下与氨瞬时反应形成固体氯化铵，其可能阻塞气体管路并甚至漏回到气体输送设备的电磁阀和流量表中，引起设备的堵塞和潜在损伤。

国际专利申请号PCT/AU2006/001031公开了能够在金属基材产品上形成所需扩散层的处理方法和处理装置，所述方法公开了在整个漫长的加工时期内供应卤化物气体，并且尽管方法的工作令人满意，但由于使用的卤化物气体所需的体积，加工成本十分昂贵。

因此，本发明的目的是提供以比现有技术方法更经济的方式在金属基材上形成扩散表面层，同时仍保留所述金属基材的可靠和安全加工的方法。

因此，第一方面，本发明提供了形成从金属基材的外表面向内延伸的扩散表面层的方法，所述方法包括：

（i）在活化阶段中，提供含有惰性颗粒耐火材料和用于形成所述扩散表面层的金属基材料的活化处理炉，所述活化处理炉具有被导入到所述活化处理炉中的惰性颗粒耐火材料和金属基材料中并持续第一时间段的惰性气体流，以在卤化氢气体存在下处理所述金属基材料的外表面区域，形成具有活化的表面区域的活化的金属基材料；以及

（ii）在扩散阶段中，提供扩散处理炉并将所述金属基材导入所述扩散处理炉中，所述金属基材已被预处理以形成从金属基材的外表面向内延伸的扩散区，在所述金属基材中氮已被扩散以形成内部扩散区和至少部分由氮化铁、碳化铁或碳氮化铁化合物形成的外部化合物层或白色层，在金属基材的所述外表面上没有氧化物层，以及在所述活化的金属基材料存在下，在被密封以防止环境空气进入的扩散处理炉中，在惰性气体气氛下，在不存在卤化氢气体的情况下将金属基材处理至少第二时间段，以在所述金属基材上形成所述扩散表面层。

方便的是，上述方法还可以包括：

（i）在预处理阶段中，形成从金属基材的表面向内延伸的所述扩散区，在所述金属基材中氮已被扩散以形成内部扩散区和氮化铁、碳化铁或碳氮化铁化合物的外部化合物层或白色层；以及

（ii）在所述金属扩散阶段之前，对在所述预处理阶段中形成的金属基材进行处理，以防止在所述表面上形成表面氧化物，或者移除在所述表面上形成的任何所述表面氧化物。

在优选构造中，上述方法可以在单一处理炉中进行，其中扩散处理炉也用作活化处理炉。然而，所述方法可以在用作活化处理炉和扩散处理炉的不同炉中进行。

在活化阶段中，惰性气体流优选为氮气和/或氩气。适合情况下，在一个或多个处理炉中使用的惰性颗粒耐火材料可以是氧化铝或碳化硅。

适合情况下，当扩散处理炉含有惰性颗粒耐火材料时，它在金属扩散阶段中通过惰性气体流进行流化。或者，这样的惰性颗粒耐火材料可以通过振动方式流化或至少部分流化。在金属扩散阶段中，优选不向扩散处理炉供应氨。

在特别优选的实施方式中，所述第二时间段长于所述第一时间段。通过这种方式，在金属基材上获得所需扩散层而使用相对昂贵的卤化氢气体的时间段短得多。在所述扩散阶段中，可能完全不使用卤化氢气体，但是如果需要，可以短时间使用少量卤化氢气体以重新活化金属基材料。如果需要，在扩散阶段中通常可以脉冲供应卤化氢气体，历时在炉膛中不提供卤化氢气体的时间段和至少一个提供卤化氢气体的时间段。

适合情况下，在所述第二时间段中可以向扩散处理炉提供惰性气体流，所述惰性气体流可以在零流速到等于或高于所述扩散处理炉的最低流化速度的流速之间变化。

适合情况下，在活化阶段和扩散阶段中，一个或多个处理炉的第一和第二时间段的运行温度在500至750℃之间。