專利名稱：鐵族類合金基材的氮化處理方法
鐵族類合金基材的氮化處理方法背景技術本發(fā)明涉及鐵族合金基材(鐵族類合金基材)的氮化處理方法，所 述方法包括氫氣濺射步驟和等離子體氮化處理步驟。技術領域氮化處理例如已經用于諸如不銹鋼等鐵族合金基材(即，主要由周 期表第八族金屬元素構成的合金基材)，目的是在該材料的表面上形成氮 化物，從而硬化該表面以改善其耐磨損性等。通常，在鐵族合金基材的表面上會自發(fā)地形成氧化物的鈍化膜，該 鈍化膜抑制氮化反應。因此，在氮化處理前進行用于除去鈍化膜的處理。例如，包括將材料浸沒于氰等的化學溶液中的濕法用于所述除去處 理。不過，所述濕法的不利之處在于為了防止環(huán)境污染需要對化學溶液 進行處理的復雜工序，導致氮化處理的成本增加?？紤]到該問題，在專利文獻1和非專利文獻1中報道了這樣的方法 將鐵族合金基材放入處理爐中，將氫氣與氮氣或氨的混合氣體引入爐中， 在爐中引發(fā)輝光放電從而產生H"或NH4+離子，材料表面上的鈍化膜(氧化物)被這些離子還原。該方法的優(yōu)點在于不需要處理化學溶液的工序， 除去處理和氮化處理可在一個處理爐中進行，由此使得操作和裝置簡化。 還原鈍化膜的反應機制和氮化物的擴散機制均記載在非專利文獻1中。在專利文獻2中提出了這樣的方法:僅有氫氣被引入溫度低于350°C ， 優(yōu)選低于15(TC的的處理爐中，并在相對較低的溫度下開始氫氣濺射。在 專利文獻2的方法中，H"離子擴散并滲入鐵族合金基材的內部，然后將 材料加熱至等于或高于鈍化膜的還原溫度的溫度，以將KT離子轉移至材 料表面，由此從內部還原鈍化膜。專利文獻l:特公平02-002945號公報專利文獻2: WO 01/34867一^專禾ll文獻1: Takao Takase, Ion Nitriding Method, Appearance of Rival of Soft Nitriding Method, KINZOKU， Separate print of March issue, 1973，第48至54頁發(fā)明內容當通過專利文獻1中描述的方法從具有相對較高的Cr或Ni含量的 鋼中還原并除去鈍化膜時，由于在一些情況中rf"或NH4+的擴散深度較淺 導致不能充分地除去鈍化膜。在這樣的情況中，不利的是，通過氮化處 理而形成的氮化層具有不均勻的厚度，或者僅在鋼鐵的一部分上形成有 氮化層。在專利文獻2中描述的方法中，鈍化膜未被還原，僅導致氫離子擴 散和滲入至鐵族合金基材中。氫離子的擴散和滲入狀態(tài)，例如擴散深度、 擴散量和分布，隨濺射條件而極大地改變。當氫離子擴散并滲入過深的 位置時，或者當滲入的氫離子的量過大時，所述氫離子常常導致氫脆。 這種趨勢在內燃機等復雜成形部件中尤其明顯。因此，氫離子必須通過高度精確控制濺射條件而以所需狀態(tài)擴散并滲 入，從而防止由于殘余的氫離子導致的所謂的鐵族合金基材的氫脆。然而， 為執(zhí)行該高度精確的控制，必須通過復雜地重復許多測試來獲得數(shù)據。本發(fā)明的一般目的是提供一種氮化鐵族合金基材的方法，該方法能 夠形成具有大體上均勻的厚度的氮化層。本發(fā)明的主要目的是提供一種鐵族合金基材的氮化處理方法，該方 法能夠防止在氮化處理后鐵族合金基材的脆化。根據本發(fā)明的一個方面，提供一種鐵族合金基材的氮化處理方法， 所述方法包括通過氫氣濺射除去所述鐵族合金基材的表面上的鈍化膜的 第一步驟；和對鈍化膜已被除去的所述鐵族合金基材進行等離子體氮化 處理，由此氮化所述鐵族合金基材的第二步驟，其中，在所述第一步驟 中，在所述第二步驟之前當加熱過程中處理爐的溫度超過40(TC時使氫氣 流入所述處理爐中。術語"鐵族合金"是指主要由周期表第8族金屬元素構成的合金。當在350'C以下的溫度進行氫氣濺射時，鈍化膜未被還原，僅導致 氫離子擴散和滲入至鐵族合金基材中。當在350'C 400"C的溫度進行氫 氣濺射時，鈍化膜被還原，但與氫離子的釋放速度相比還原速度過低。 因此，當氫氣濺射溫度為400'C以下時，氫離子的擴散和滲入狀態(tài)，例如 擴散深度、擴散量和分布，隨濺射條件而極大地改變。例如，在電壓過 高時，擴散并滲入的氫離子的量或深度過度增加。必須高度精確控制濺 射條件以在400'C以下的溫度獲得所需的氫離子的擴散和滲入狀態(tài)。相反，在本發(fā)明中，處理爐的溫度超過40(TC之后才開始供應氫氣。 預先存儲(例如吸收)在鐵族基材合金中的氫離子在高于40(TC的溫度下 極為活躍地從材料中釋放。氫離子從材料中的釋放和鈍化膜的還原在該 高溫下競爭性地進行。因此，例如即使電壓過高而由此使氫離子滲入材 料的過深的位置時，氫離子如上所述釋放，或者用于還原鈍化膜，因而 快速消耗。因此，可防止擴散并滲入的氫離子的量或深度過度增加。換 言之，對于氫氣濺射在上述高溫(在該溫度下氫離子活躍地從材料內部 釋放)下開始的情況，可容易地控制鈍化膜的還原和除去。此外，在該情況中，存儲的氫離子迅速地用于還原，因而可防止氫 離子殘留在鐵族合金基材中。由此，可以防止材料的所謂氫脆。第一步驟優(yōu)選在高于40(TC且不高于58(TC的溫度進行。在58(TC以 下的溫度，鐵族合金基材中的氫離子以較高的速度釋放，同時鈍化膜也 極為活躍的被還原。因此，鈍化膜易于還原并被除去，而無需高度精確 控制濺射條件。在高于58(TC的溫度，氫離子以較低的速度釋放，且難以 防止氫離子殘留在材料中。此外，在高于580'C的溫度，材料的結構往往 發(fā)生改變，導致物理特性惡化。適合于第一步驟的溫度取決于鐵族合金基材的主要成分及其含量， 該溫度通常為450°C 520°C。優(yōu)選的是在加熱過程中將氮氣引入處理爐中從而開始第二步驟。在 該情況中，處理爐的溫度可升至用于等離子體氮化處理同時維持穩(wěn)定的 氮氣與氫氣的混合比的保持溫度。因此，鐵族合金基材可在短時間內充分地氮化，以致可以有效地生成具有良好質量的氮化層。此外，可以縮 短用于氮化處理所需的保持時間。應當注意，當氫氣和氮氣都被引入時，在鐵族合金基材上濺射氫氣 和氮化處理同時進行。


圖1是示意性地顯示鐵族合金基材的發(fā)動機閥的總側視圖，根據本 發(fā)明的實施方式對該發(fā)動機閥進行氫氣濺射處理和等離子體氮化處理； 圖2是顯示氫氣濺射處理和等離子體氮化處理的溫度模式的圖； 圖3是顯示溫度與從各個鐵族合金基材中釋放的氫離子的量之間的 關系的圖；禾口圖4是顯示通過等離子體氮化處理而形成的氮化層的厚度和處理前 后測定的其Hv值的表。(NCF600和SUH11M:氮化處理從50(TC的溫度 開始，20分鐘后，在52(TC的溫度保持40分鐘；其他材料氮化處理從 52(TC的溫度開始，在52(TC的溫度保持60分鐘。)具體實施方式
下面將參考附圖詳細描述本發(fā)明的鐵族合金基材的氮化處理方法的 優(yōu)選實施方式。在該實施方式中，待氮化的鐵族合金基材是圖1所示的 發(fā)動機閥10。發(fā)動機閥10具有寬的頭部12、長的棒部14和端部16，棒部14在 朝向頭部12的稍微偏離其中心的位置被分割。因此，棒部14包括第一 棒部18和稍長于第一棒部18的第二棒部20。頭部12和第一棒部18由NCF600構成，第二棒部20和端部16由 SUH11M構成。NCF600和SUH11M自發(fā)氧化從而在發(fā)動機閥10的表面 上形成鈍化膜。具有該結構的發(fā)動機閥IO使用有機溶劑等進行脫脂，然后放入處理 爐中。接著，發(fā)動機閥IO和處理爐的爐壁與電源電連接，打開電源。電 流和電壓可以分別為約25 A和約220 V 250 V。封閉處理爐，如圖2的溫度模式所示，在將爐子內部抽真空的同時 開始升高爐溫的過程。加熱速度可以為3'C/分鐘 5tV分鐘。圖3中顯示了氫氣濺射溫度與氫離子從鐵族合金SUH11M中釋放的 速度之間的關系。從圖3清晰可知氫離子在高于40(TC的高溫下以很高的 速度(即，以很大的量)釋放，在大約580。C時達到最大速度。三個測定 數(shù)據共同顯示在圖3中，氫離子預先存儲(即，吸收)在SUH11M中。在高于40(TC而不高于580。C的溫度下還進行鈍化膜的還原。在該實 施方式中，氫氣濺射在這樣的溫度下進行在該溫度下氫離子活躍地從 鐵族合金基材的內部釋放且鈍化膜被還原。因此，在第一步驟中，在加熱過程中在如圖2所示的高于40(TC的A 點開始引入氫氣，由此通過氫氣濺射使鈍化膜被還原并除去。由于在將 爐內抽真空的同時引入氫氣，處理爐的內部壓力低于大氣壓。具體而言， 爐子的內部壓力可以設定為約0.7Torr(托) 1.5Torr。氫氣轉變?yōu)榈入x子體狀態(tài)，等離子體中的tT離子在電場下與發(fā)動機 閥10的表面碰撞。#離子作為擴散性氫離子被引入發(fā)動機閥10的表面 上的鈍化膜中。處理爐的溫度足以還原鈍化膜，由此引入的擴散性氫離子迅速地與 鈍化膜反應。因而，擴散性氫離子攻擊鈍化膜，從而將該膜還原并除去。在該實施方式中，氫氣濺射在高于400'C的溫度開始。與發(fā)動機閥 10碰撞并被引入鈍化膜中的擴散性氫離子于該溫度下在鈍化膜的還原過 程中迅速消耗。因而，可以有效地還原并除去鈍化膜，并可以防止擴散 性氫離子殘留在發(fā)動機閥10中。盡管在還原鈍化膜時生成了H20，不過 其可以迅速地排至體系外。當氫氣濺射在350'C以下的溫度開始時，鈍化膜未被還原，僅導致氫 離子擴散和滲入發(fā)動機閥10中。當氫氣濺射在高于350'C而不高于40(TC 的溫度開始時，與氫離子的擴散滲入速度相比鈍化膜的還原速度過低。在這樣的情況中，氫離子的擴散和滲入狀態(tài)，例如擴散深度、擴散 量和分布，隨濺射條件而極大地改變。例如，在電壓過高時，擴散并滲 入的氫離子的量或深度過度增加。不得不高度精確控制濺射條件以在400°C以下的溫度獲得所需的氫離子的擴散和滲入狀態(tài)。相反，在該實施方式中，氫氣濺射在高于40(TC的溫度下進行，由 此在氫由發(fā)動機閥IO的內部釋放的同時，氫離子在鈍化膜的還原過程中 迅速消耗。因而，例如即使當電壓過高時，也可防止擴散并滲入的氫離 子的量或深度過度增加。結果，可容易地控制鈍化膜的還原和除去。氫氣濺射優(yōu)選在45(TC或更高的溫度下進行。在這樣的溫度下，氫 離子以較高的速度從發(fā)動機閥IO釋放，同時鈍化膜高度活躍地被還原。 因此，鈍化膜可容易地還原并被除去，而無需高度精確控制濺射條件。進行氫氣濺射的同時使加熱過程持續(xù)預定的時間，由此除去大部分 的鈍化膜。當加熱過程進一步延續(xù)且處理爐的溫度超過550'C時，尤其是 當溫度達到約58(TC時，氫離子從內部的釋放速度降低(見圖3)。因此， 在該溫度下，難以從發(fā)動機閥IO的內部釋放氫離子，而且難以防止氫離 子殘留在發(fā)動機閥10中。在本實施方式中，當處理爐的溫度達到55(TC或更低的溫度，優(yōu)選 50(TC (圖2中所示的點B)時，氫氣流減少，開始引入氮氣。當引入氮 氣時，第一步驟完成，開始包括等離子體氮化處理的第二步驟。使氮氣 離子化以產生氮離子，氮離子撞擊鈍化膜已經被除去的發(fā)動機閥10的表 面。結果，發(fā)動機閥10的表面氮化，在該表面上形成氮化層。抽真空持續(xù)進行以使處理爐的內部壓力維持在約0.7 Torr 1.5 Torr。 氮氣與氫氣的體積比可以為2:1 (N2:H2=2:1)。由此清晰可知，在等離子體氮化處理中也供應氫氣。因此，氫氣濺 射連同等離子體氮化一起進行，因而防止了發(fā)動機閥10的表面上的鈍化 膜的再生成。等離子體氮化發(fā)動機閥10的同時延續(xù)加熱過程，處理爐的溫度在大 約20分鐘內達到520'C。此時，氮氣與氫氣以穩(wěn)定的混合比供應。通過 將發(fā)動機閥10在該溫度下保持大約40分鐘，發(fā)動機閥10可被均勻地氮 化，從而能夠以良好的質量有效地生成氮化層。在傳統(tǒng)的等離子體氮化處理中，氮氣的供應在預定的溫度下開始， 并且該溫度保持約60分鐘。相反，在本實施方式中，保持時間可減少至8約40分鐘。與傳統(tǒng)等離子體氮化處理相比，等離子體氮化處理的保持時 間在本實施方式中明顯更短。因此，當在加熱過程的中間開始等離子體 氮化處理時可縮短保持時間。換言之，可縮短包括濺射時間和氮化處理 時間的總處理時間，由此在發(fā)動機閥IO上可有效地形成氮化層。保持后，將處理爐的溫度降至約200'C，打開處理爐，將發(fā)動機閥 IO取出。經等離子體氮化處理的發(fā)動機閥10具有氮化層。例如，形成于 SUH11M的第二棒部20和端部16上的氮化層具有約81.1 |Lim的厚度。發(fā)動機閥10的表面因氮化層而堅硬。具體而言，第二棒部20和端 部16的SUH11M表面在等離子體氮化處理后可具有相當高的771的維氏 硬度(Hv)。對第二步驟開始的溫度不作具體限定。在盡管鈍化膜并未通過氫氣濺 射而充分還原并除去就開始供應氮氣的情況中，得到的氮化層往往具有不 均勻的厚度，難以形成具有良好質量的氮化層。因此，第二步驟(即，供 應氮氣)開始的溫度優(yōu)選接近保持溫度。第二步驟可以在保持溫度下開始。保持溫度不限于520'C。當保持溫度過高時，鈍化膜的再生成速度 與其還原除去速度相比過高，生成的氮化物在鐵族合金基材(發(fā)動機閥 10)中擴散，因而極難形成氮化層。為防止鈍化膜的再生成和氮化物的 擴散，所述保持溫度優(yōu)選為59(TC或更低，更優(yōu)選為550'C或更低，最優(yōu) 選為520°C 540°C。頭部12和第一棒部18的材料不限于NCF600，也可以為NCF3015、 NCF440等。同樣第二棒部20和端部16的材料不限于SUH11M，可以為 SKH51等，圖4中顯示出了通過對NCF3015、 NCF440和SKH51進行上 述氫氣濺射和等離子體氮化處理而形成的氮化層的厚度和Hv。在生成氮 化層時，通過在處理爐的溫度達到52(TC時引入氮氣開始等離子體氮化處 理，然后將該溫度保持60分鐘。將被等離子體氮化處理的工件不限于發(fā)動機閥10，可以是任何由包 含周期表第8族的金屬元素，例如Cr或Ni，作為主要成分的金屬合金構 成的部件。例如保持溫度和時間等等離子體氮化處理的條件可以根據工 件的材料而適當?shù)剡x擇。
權利要求
1.一種鐵族合金基材(10)的氮化處理方法，所述方法包括通過氫氣濺射除去所述鐵族合金基材(10)的表面上的鈍化膜的第一步驟；和對鈍化膜已被除去的所述鐵族合金基材(10)進行等離子體氮化處理，由此氮化所述鐵族合金基材(10)的第二步驟，其中，在所述第一步驟中，在所述第二步驟之前當加熱過程中處理爐的溫度超過400℃時使氫氣流入所述處理爐中。
2. 如權利要求1所述的方法，其中，所述第一步驟在58(TC以下的 溫度進行。
3. 如權利要求2所述的方法，其中，所述第一步驟在450'C 52(TC 的溫度進行。
4. 如權利要求1 3中任一項所述的方法，其中，在加熱過程中將 氮氣引入所述處理爐從而開始所述第二步驟。
全文摘要
將發(fā)動機閥(10)放入處理爐中。之后，在抽真空的同時升高溫度，在溫度高于400℃，優(yōu)選450℃或更高時，開始供應氫氣由此開始氫氣濺射(第一步驟)。因此，存在于發(fā)動機閥(10)的表面上的任何鈍化膜被還原并除去。進行抽真空和升溫同時進行氫氣濺射，在達到優(yōu)選的500℃時，將氮氣與氫氣一同引入，由此開始第二步驟。借助于該氮氣，不存在鈍化膜的發(fā)動機閥(10)的表面被氮化，從而形成氮化層。
文檔編號F01L3/02GK101405425SQ200680053970
公開日2009年4月8日 申請日期2006年3月24日 優(yōu)先權日2006年3月24日
發(fā)明者小杉雅紀, 赤石沢正弘, 馬場忠男 申請人:本田技研工業(yè)株式會社