[发明专利]硬化的表壳氮化金属制品及其形成方法

说明书

本发明涉及硬化的表壳氮化金属制品及其形成方法。本发明具体公开了使表壳氮化金属制品硬化的方法、制造硬化的表壳氮化金属制品的方法以及硬化的表壳氮化金属制品。使表壳氮化金属制品硬化的方法包括：将表壳氮化金属制品加热至老化温度，将表壳氮化金属制品维持在老化温度持续老化时间，以及从老化温度冷却表壳氮化金属制品。制造硬化的表壳氮化金属制品的方法包括使金属制品表壳氮化制造表壳氮化金属制品，随后使表壳氮化金属制品硬化。硬化的表壳氮化金属制品包括由金属或金属合金形成的主体、围绕主体的表面和形成在主体中并从主体的表面朝向芯向内延伸的氮化表壳层，该制品的硬度大于其他相应的表壳氮化金属制品的硬度。

相关申请的引用

本申请要求于2021年3月10日提交的美国临时专利申请序列号63/159,145的优先权，通过引用将其全部内容结合于本文。

技术领域

本公开涉及硬化的表壳氮化(case-nitrided)金属制品及其形成方法。

背景技术

许多金属和金属合金需要硬化处理以具有足够的硬度从而用于多种机械应用，诸如磨损零件。氮化是用于各种行业中以使金属或金属合金部件表壳硬化的常见硬化技术的实例。一般而言，氮化过程使氮通过金属或金属合金部件的表面扩散，以制造围绕部件的芯并且相对于部件的芯硬化的薄氮化表壳层。虽然通过氮化作用使一些金属和金属合金具有足够的耐磨性从而用作机械部件，但是其他金属和金属合金对氮化作用响应较小，并且保持极易磨损的机理，这与在许多机械应用中使用的硬度或表壳深度不足相关。

此类金属和金属合金的实例包括钛和钛合金。虽然在文献中对钛的氮化已有超过50年的描述，但是目前氮化钛和钛合金的制造过程会产生非常薄的表壳深度。特别是对于诸如齿轮或轴承的磨损零件，氮化的表壳深度应当比部件在操作期间经受的应力更深以避免故障。通常，通过现有技术氮化的钛和钛合金不具有足够的表壳深度来承受许多磨损零件所经受的表面下应力，因此不适用于这些应用。由于钛和钛合金的其他优异的材料性能(包括高强度重量比)，许多行业长期以来一直在寻求由这些材料形成各种机械部件，但是由于现有技术不能获得足够的有效表壳深度，因此已经不能有效地做到这一点。因此，需要增加表壳氮化金属或金属合金制品的硬度的改善方法，增加金属或金属合金制品的有效表壳深度的方法，以及具有增加的硬度和/或增加的有效表壳深度的表壳氮化金属或金属合金制品。

发明内容

本文公开了使表壳氮化金属制品硬化的方法、制造硬化的表壳氮化金属制品的方法、以及硬化的表壳氮化金属制品。使表壳氮化金属制品硬化的方法包括使表壳氮化金属制品热老化(heat-aging)，其包括将表壳氮化金属制品加热至老化温度，将表壳氮化金属制品维持在老化温度持续老化时间，以及从老化温度冷却表壳氮化金属制品。制造硬化的表壳氮化金属制品的方法包括使金属制品表壳氮化来制造表壳氮化金属制品，以及随后使表壳氮化金属制品硬化，其包括将表壳氮化金属制品加热至老化温度，将表壳氮化金属制品维持在老化温度持续老化时间，以及从老化温度冷却表壳氮化金属制品。硬化的表壳氮化金属制品包括由金属或金属合金形成的主体、围绕主体的表面、以及在主体中形成并且从主体的表面朝向芯向内延伸的氮化表壳层。硬化的表壳氮化金属制品通过氮化过程氮化并随后通过硬化过程硬化。硬化的表壳氮化金属制品的氮化表壳层的硬度大于没有通过热老化过程硬化的其他相应表壳氮化金属制品的硬度。

附图说明

图1是根据本公开的硬化的表壳氮化金属制品的实例的示意图。

图2是示意性地表示根据本公开的使表壳氮化金属制品硬化的方法的实例的流程图。

图3是可以用于进行图2的方法的一个或多个步骤的示例性热老化系统的示意图。

图4是示意性地表示制造根据本发明的硬化的表壳氮化金属制品的方法的实例的流程图。

图5示出了包括来自Ti-5553棒的表壳氮化氮化和随后硬化的测试结果的表。