CN100578031C - 其中之一由导致获得改进的防卡塞性能的特殊钢制成的导向元件对 - Google Patents

其中之一由导致获得改进的防卡塞性能的特殊钢制成的导向元件对 Download PDF

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Abstract

本发明涉及导向元件对，其特征在于元件中的至少之一由至少包含0.15-0.3%重量的碳、2-5%重量(优选2-3%重量)的铬、至少0.45%重量(优选至多0.9%重量)的钼和大于0.01%重量且至多0.5%(优选至多0.3%)的钒的钢制成，并且这种钢在成形之后进行渗氮，由此获得厚度为5微米至50微米的铁和氮原子间的结合层。其还可包含0.4%重量-1.5%重量的锰。

Description

其中之一由导致获得改进的防卡塞性能的特殊钢制成的导向元件对
技术领域
本发明涉及可将其归为导向元件类的机械部件。这些导向元件(在实际中称为导向元件对)由两个对抗的部件构成，这两个部件彼此接触并且彼此相对运动，以使固定它们的导向元件能够以尽可能小地摩擦彼此相对运动。
这些部件进行接触的表面由于这种相对运动和它们的环境而成为了化学和机械荷载的对象，使得它们由于摩擦磨损，由于腐蚀或者同时由于这二者而或多或少快速地被损坏。这些导向元件可以具有与不同运动学相对应的各种几何形状；因而它们尤其可构成轴/轴承(palier)系统(有时也称作轴/轴承(coussinet)系统)，球形接头(rotule)，或者滑槽(glissière)。
更具体地，本发明涉及用润滑脂润滑并且经历严苛条件(例如强的接触压力或者腐蚀性气氛或者二者同时)的导向元件，从而带来了接触表面高的劣化风险。
特别地但非限制性地，本发明涉及成为轴/轴承铰接接头(articulation)或系统的一部分的导向元件，词语“轴”应当指该术语的一般含义，例如指铰接接头的公部件(而“轴承”是这种铰接接头的母部分)；这例如可以是曲轴(vilebrequin)或凸轮轴的轴颈(maneton)或转轴(tourillon)。
背景技术
1.导向元件的概念
一般地，导向元件，尤其是设计用于在强载荷下使用的轴/轴承系统，是由钢制公部件和青铜制(用于设计较早的系统)或者钢制(用于较近的系统)母部件构成的。
通常，这类导向元件使用普碳钢或42CrMo4型结构钢(依照法国标准)，某些钢可进行渗氮，以提高其耐摩擦磨损性。在最为改进的形式中，导向元件可如文献EP0987456所教导的一样还使用聚合物涂层进行涂覆并且具有对润滑作用有利的特殊几何形状。
显然可能且还已知的是将这些不同的改进组合在一起。
2.钢的选择
在要设计机械元件时，本领域技术人员要进行非常大量的材料的选择，尤其是钢。这些钢的组成由国家、地区或国际标准决定，并且添加元素的种类和浓度根据预期用途所需的性能来确定。
本领域技术人员在对改进的表面性能感兴趣时可能会更特别地对被称作“渗碳钢”的钢和被称作“渗氮钢”的钢感兴趣。渗碳钢优选包含小于0.4％的碳；在这种含量范围内，更具体地留出0.2-0.4％区域为碳氮共渗，而小于0.2％的含量更特别地用于渗碳。渗氮钢优选要么是非碳合金的结构钢，要么是铬钼钢类型的低合金钢，性能最优的还包含铝。描述这些类型的钢的文献数量众多。例如参见“Pratique des traitementsthermochimiques”-Editions Techniques de 1′Ingénieur(这个专栏定期地进行更新)，以及参见不同的钢供应商的技术数据表。
本领域技术人员因而拥有这样的指导，该指导能够使其原则上根据所选的处理和所希望获得的性能进行钢的最佳选择。
仅作为参考，在此要回顾的是：
*渗碳是一种通过碳表面扩散的钢热化学处理；这种表面扩散导致形成表面硬层，该层的厚度可达到1甚至2mm，其硬度是700-900HV。这种处理主要适用于低碳钢；其使得能够获得大的表面硬度(耐磨损性)，同时保持良好的核心韧性。这种处理通常在接近900℃的气体气氛下进行，持续几个小时；这意味着该渗碳处理应当强制性地后接淬火，然后是消除应力回火，最后是最终的机械加工，因为在渗碳温度下的部件会发生变形。
*渗氮是一种能够使氮在钢表面下扩散的热化学处理。在渗氮之后，可按照深度分成两个非常不同的区域：在二十微米左右的表面，基本上由氮化铁构成的层(ε或γ′相)，其硬度大于1000HV(这个层被称作“结合(combinaison)层”或者“白层”)；在这个层之下是被称作“扩散区”的区域，在这个区域中，氮夹杂在钢中(在某些情况下，可能会有氮化物的析出)；氮在这个区域中的渗透特征取决于钢的添加元素的性质和渗氮条件；在这个区域中，钢经受压缩应力。该处理可以在气体气氛中进行，或者在熔融盐浴中进行。温度通常为570℃，从而使得与渗碳相反，该渗氮不需要热处理，也不需要随后的机械加工。该渗氮实际上是在寻求大的耐磨损性及大的疲劳强度(归因于前述的压缩应力)的应用中进行的。
实际上显然，旨在经受严苛磨损条件的钢的性能(至少在导向元件对内)不可能明确地归功于可通过渗碳或通过渗氮产生的单个硬层，而要考虑其它参数，尤其是组成；因而事先不可能保证渗氮处理足以赋予钢种以良好的摩擦性能。同样地，实际上不可能不经过试验就由钢的组成来预见其摩擦性能。因而实际上不可能由这些类似的合金来推断新合金的性能。
发明内容
本发明的目的在于导向元件对(尤其是轴-轴承系统)，其中元件之一由一种钢制成，该钢的特定组成使得能够在渗氮之后获得非常好的耐磨损性。
申请人完全偶然且出乎意料地发现，通过以对应于非常明确的添加元素含量的某些钢来生产导向元件(尤其是轴/轴承系统)并且对其进行渗氮处理，可以获得非常特殊的性能，尤其是在使用寿命和耐久性方面。这个发现的惊人特点不仅在于所获得的性能水平，而且在于这些性能的获得不会使习惯用于表征通过这些特定钢的渗氮获得的硬度的层的性能超过利用相近组成的钢所获得的性能；而迄今为止没有对这种现象的已知解释。
这是因为，通过钢的微硬度随着从表面开始的测量深度的变化来表征渗氮的有效性是符合惯例的。因而描绘出“硬度/与表面的距离”曲线，通常被称作“演变关系(filiations)”。现有技术通常在这些演变关系与导向元件耐磨损性之间建立了良好的关联。而在本案中，所获得的演变关系在所有点均相似于在推断为相当的组成的其它渗氮钢上所获得的演变关系，但其它钢并不导致非常良好的所观察的性能。
更具体地，本发明涉及导向元件，尤其是轴-轴承系统的轴承或轴，其由具有下述组成的钢制成：
-0.15-0.3％重量的碳
-2-5％重量的铬
-至少等于0.45％重量的钼
-大于0.01％重量且至多等于0.5％的钒
并且其在成形之后进行渗氮，由此获得厚度为5微米至50微米的铁和氮原子间的结合层。
因而，与在强载荷下的应用中所寻求的相反，本发明提出保留结合层(或白层)。这是因为，看来尤其是这个白层可以赋予本发明导向元件以高的防卡塞(résistance au grippage)性能。
有利地：
·铬含量为2％-3％重量，
·钼含量为至多等于0.9％重量，
·钒含量为小于0.3％重量。
同样有利地而非强制性地，这种钢还包含0.4％-1.5％锰。
其它添加元素显得无关紧要，看来对于性能的获得不起主要作用，即使铝在超过1％时看来是有害的，并且看来希望避免如此(不大于0.1％甚至0.01％)；同时，镍看来也具有有害的作用并且看来能够被忽略(例如不大于0.1％甚至0.01％)；硫、磷和钙看来也能够被忽略(例如不大于0.1％甚至0.01％)。
这就是为什么有利地制成导向元件的钢不含除上述之外的添加元素的原因。
根据本发明特别有利的应用，根据特定的使用条件在轴-轴承系统的轴上或者轴承上使用这些渗氮钢；轴-轴承系统的其它零件本身也可以是所推荐组成的钢，或者是任何其它相容的材料，例如在上述文献EP-0987456中所提及的材料。
不过，本发明也很好地适用于其它导向元件对，例如尤其是滑槽，或者球形接头，或者曲轴系统，或者具有凸轮轴的系统。
为了符合本发明，如上定义的钢制成的导向元件应用进行渗氮，但渗氮方法在这种情况下显得并不具有主要的影响作用；这种操作因而可以毫无区别地在熔融盐浴中，在气相中，或者通过离子法来进行。同样地，覆盖氮化物层的表面氧化物层的存在看来也不对性能产生显著影响。这同样适用于存在光滑清漆或其它任何表面涂层如聚合物类涂层的情况，这些涂层在渗氮之后沉积(尤其参见上述文献EP-0987456)。
因而，根据本发明有利的特征，这任选地组合有：
·所述元件包括未打通(non débouchantes)的空腔，
·所述元件带有聚合物或共聚物材料的涂层，所述材料有利地选自聚酰亚胺，加填料的聚酰亚胺，环氧树脂，加填料的环氧树脂，聚醋酸酯树脂，聚乙烯，取代或未取代的碳氟化物(fluorocarbones)，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚醚砜，聚酰胺和聚醚-醚酮，
·这种元件是与轴合作的轴承，
·作为变化形式，这种元件是与轴承合作的轴，
·这种元件是其中轴为曲轴或凸轮轴的轴的对中的一部分，
·这些元件形成滑块(patin)-滑槽(glissière)系统，在该系统内，作为实例，由所述钢制成的元件是滑槽，
·这些元件形成具有球形接头的系统，在该系统内，作为实例，由所述钢制成的元件是球形接头，
·元件中的每一个均由具有所述组成的钢制成。
具体实施方式
以下的非限定性实施例用于说明符合现有技术的实施方案、符合本发明的其它实施方案，以及最后不符合本发明的实施方案。通过它们能够揭示出由本发明所推荐的钢的组成与摩擦性能之间的关系，以及渗氮层的硬度(如它们常规所定义)和这些同样的摩擦性能之间令人吃惊地不存在明确的关系。
在这些实施例的每个实施例中，试验操作程序的选择要使得能够完全代表用(常规)润滑脂润滑并且在严苛条件下运行的轴/轴承系统的使用寿命。对于所有实施例来说，该操作程序同样要使得能够进行结果对比。为了能够比较钢的种类的影响，所有的样品均通过在熔融盐浴中浸渍90分钟以相同的方式进行渗氮。这项技术优先于在气体介质中操作的其它技术而被考虑，因为盐浴是完全等温的介质，这确保了该处理对于所有的样品来说都是完全相同的，并且使得能够消除与气态渗氮炉的热均匀性有关的不确定性；但显然的是，导致获得相同表面层的其它任何方法的使用仍然在本发明的范围之内。
此外，关于对不同钢种的不同渗氮方法的比较的文献是数量非常众多的，并且表明所观察到的冶金学差异是小的，并且不会明显地影响摩擦性能。
根据用途，不同渗氮钢的对比结合了两种类型的表征：
-冶金学表征，其在于测量结合微层的厚度和其硬度，并且在于描绘出硬度随测量深度变化的特征。
-摩擦表征，使模拟轴的淬火渗碳钢环与模拟轴承的渗氮钢小板进行摩擦。该环与该小板之间所施加的载荷是250daN，这对应于570MPa的Hertz压力，滑动速度为0.18m/s，接触点使用润滑脂润滑(采用常规润滑脂，如具有2级石蜡矿物油(NLGI)的锂皂基润滑脂，粘度：105厘斯)。随时间记录摩擦系数，并且该试验通过一定的时间来表征，其中在该时间之后出现卡塞。在试验结束时，任选地获得显微照片，以用于视觉观察磨损的特征。
更具体地，构成淬火渗碳钢环的材料例如选自淬火渗碳钢16NC6，硬度为58-62HRC，并且应用于下述不同实施例的模拟环的该小板的渗氮处理如下定义：
·在具有商业组成的熔融盐浴中浸渍(以商标而为人知)，
·处理温度：570℃，
·处理时间：90分钟，
·用水冲洗，然后干燥。
实施例1：根据现有技术，不符合本发明(42CrMo4)
根据现有技术，模拟轴承的小板由含0.42％碳、1％铬、0.2％钼、0.01％钒和0.83％锰的钢制成，并且按照上述的操作程序进行渗氮。
结合层的微硬度是1000±70kg/mm2并且其厚度为20±5微米。这个硬度在表面50微米处只有600±50kg/mm2并且快速地逐渐下降，在200微米深度时达到420±50kg/mm2，这基本上是核心的硬度。
在25mn试验后，摩擦试验导致卡塞；试验后部件的冶金学鉴定表明，结合微层多处磨损，在微层不存在的部位立即出现卡塞。
实施例2：不符合本发明(40CrAlMo6-12)
模拟导向元件的小板由含0.44％碳、1.6％铬、0.32％钼、0.12％镍和1％铝的钢制成。这种钢按照上述的操作程序进行渗氮。
通过冶金学分析表明存在硬度为1300±100kg/mm2且厚度为20±5微米的结合微层。该硬度在50微米深度为820±50kg/mm2，并且在200微米深度时稳定在330±20kg/mm2，这对应于核心的硬度。由于这种钢已被设想用于此目的，因此硬度特征对应于所预期的效果。
在所指出的条件下进行摩擦，样品在10分钟的试验之后首次开始卡塞，在60分钟的试验之后出现全面化的卡塞。
摩擦后部件的显微照片检查显示出，微层多处磨损；其中钢裸露的这些区域因而非常容易卡塞。
相对于实施例1中所示情况的这种轻微的性能改进是可预见的，并且可归因于表面层较高的硬度。
实施例3：符合本发明(32CrMoV13)
模拟导向元件的小板由含0.27％碳、2.9％铬、0.88％钼、0.26％钒和0.12％镍的钢制成；其按照上述的操作程序进行渗氮。
这种小板的冶金学检查表明存在厚度为20±5微米且硬度为1150±100kg/mm2的结合微层。在50微米深度，硬度为770±50kg/mm2，其在200微米深度稳定在350±20kg/mm2，这基本上对应于核心的硬度。
摩擦试验显示在140分钟的试验之后出现卡塞的迹象，摩擦区域的检查表明结合微层并未完全磨损，残余厚度为5-8微米。其外观是光亮的，其没有卡塞的迹象。相反地，在对抗部件上出现在试验停止时开始的所观察到的微卡塞。
这种性能的改进不管怎样都不与微层的初始厚度、其硬度或硬度随深度的变化相关联，因为除去测量的精确性之外，这些量完全与在实施例2中记录的量相当，而实施例2得到了差得多的结果。
实施例4：符合本发明(15CrMnMoV 9)
模拟导向元件的小板由含0.15％碳、1.25％锰、2.14％铬、0.47％钼、0.48镍和0.17％钒的钢制成；其按照上述的操作程序进行渗氮。
其冶金学检查显示出在表面有厚度为20±4微米且硬度为1100±100kg/mm2的结合微层。在50微米深度，硬度为780±50kg/mm2，其在200微米深度稳定在350±20kg/mm2的值。
摩擦试验使得在150分钟的试验后首次出现卡塞的迹象；在拆卸之后，通过对小板的检查显示出，结合微层完全磨损，但小板具有均匀光滑的外观，微卡塞只在对抗部件上表现出来。
实施例5：符合本发明(18CrMo 7)
模拟导向元件的小板由含0.18％碳、2％铬、0.5％钼、0.15％镍、0.7％锰和0.01％钒的钢制成；其按照上述的操作程序进行渗氮。
冶金学分析表明存在厚度为13±5微米且硬度为1150±100kg/mm2的结合微层。在结合微层下在50微米深度，硬度为770±50kg/mm2，并且在核心处稳定在300±50kg/mm2。
在所指出的条件下进行摩擦，样品在225分钟的试验之后首次开始卡塞，这是非常出色的。
实施例6-8：不符合本发明
Figure C20068001362000121
Figure C20068001362000122
Figure C20068001362000123
这些非限定性实施例表明了利用本发明渗氮钢制成的部件所获得的结果的非常优异的特性；而表面硬度看来并没有对该现象起作用(不符合本发明的1和2前两种钢的硬度涵盖了(encadrent)符合本发明的3-5三种钢的硬度，不论是在表面还是在深处)；可以看到，当导向元件由常规结构钢或“渗氮”钢(但其组成在所要求保护的范围之外)制成时，结合微层的耐磨损性是不太好的，并且其在磨损作用下的局部消失立即导致卡塞，而当导向元件由本发明的钢制成时，不仅具有同样硬度的结合微层磨损的速度要慢得多，而且下面的扩散区域本身具有令人吃惊的摩擦性能，因为其没有卡塞，这种现象以最后到达对抗部件而终止。构成导向元件的部件的使用寿命因而根据具体情况而被延长2.5至大于5倍，这是非常显著的优点。
可以指出，在上面的实施例中，相对于已知解决方案，防卡塞性能显著提高，而不增加白层的硬度且不明显地增加硬化的深度(其通常小于500微米，相对于例如WO-00/18975所寻求的)。
对这种现象的解释还是未知的。
如上所指出的，本发明特别适合于下面这样的轴-轴承系统，在该系统中，轴承由符合如上定义的钢制成，同时结合有可由任何相容材料制成的轴，该材料尤其是钢，例如通过任意方式硬化并且其硬度大于55HCR的钢。尤其可涉及到选自以下的钢：渗碳钢、淬火钢、精整(rectifiés)钢、HF精整淬火钢、硬化然后涂覆硬铬的钢、渗氮钢、涂覆陶瓷的钢以及其它碳氮共渗钢。
作为变化形式，这种轴-轴承系统中的轴可以由符合如上定义的钢制成，而轴承则由前一段落中所指出的材料之一制成。在曲轴或凸轮轴系统的特定情况下，如上推荐的钢有利地用于曲轴或凸轮轴的轴颈或转轴。
本发明适用于其它导向元件对，如在上述文献EP-0987456中描述的那些；因而上面推荐的钢可用于尤其制成滑槽-滑块对的滑槽或滑块，或者具有球形接头的系统中的球形接头或者帽。
同一导向元件对中的两个元件可以同样地由如上定义的钢制成，例如由具有相同组成的钢制成。
同样地，表面之一有利地包括未打通的空腔和/或被聚合物或共聚物材料涂覆(其可涉及到由所推荐的钢制成的部件)，该材料尤其选自聚酰亚胺，加填料的聚酰亚胺，环氧树脂，加填料的环氧树脂，聚醋酸酯树脂，聚乙烯，取代或未取代的碳氟化物，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚醚砜，聚酰胺和聚醚-醚酮。

Claims (21)

1.导向元件对，其特征在于元件中的至少之一由至少包含0.15-0.3％重量的碳、2-5％重量的铬、至少0.45％重量的钼和大于0.01％重量且至多0.5％的钒的钢制成，并且这种钢在成形之后进行渗氮，由此获得厚度为5微米至50微米的铁和氮原子间的结合层。
2.权利要求1的导向元件对，其特征在于铬含量为2％-3％重量。
3.权利要求1或权利要求2的导向元件对，其特征在于钼含量为至多等于0.9％重量。
4.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于钒含量为至多等于0.3％重量。
5.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于其还包含0.4％重量-1.5％重量的锰。
6.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于所述元件包括未打通的空腔。
7.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于所述元件带有聚合物材料的涂层。
8.权利要求7的导向元件对，其特征在于该涂层由选自以下的材料制成：聚酰亚胺，加填料的聚酰亚胺，环氧树脂，加填料的环氧树脂，聚醋酸酯树脂，聚乙烯，取代或未取代的碳氟化物，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚醚砜，聚酰胺和聚醚-醚酮。
9.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于这种元件是与轴合作的轴承。
10.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于这种元件是与轴承合作的轴。
11.权利要求9的导向元件对，其特征在于该轴为曲轴的轴。
12.权利要求9的导向元件对，其特征在于该轴为凸轮轴。
13.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于这些元件形成滑块-滑槽系统。
14.权利要求13的导向元件对，其特征在于所述钢制成的元件是滑槽。
15.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于这些元件形成具有球形接头的系统。
16.权利要求15的导向元件对，其特征在于由所述钢制成的元件是球形接头。
17.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于元件中的每一个均由具有所述组成并且结合层厚度为5-50微米的钢制成。
18.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于另一导向元件由钢制成。
19.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于所述导向元件不含大于0.1％的铝。
20.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于所述导向元件不含大于0.1％的镍。
21.权利要求1或2的导向元件对，其特征在于所述导向元件不含大于0.1％的硫、磷和/或钙。
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