CN101184863A - 诸如电接触弹簧的金属条状产品及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属条状构件(1)，其包含厚度小于3mm且至少邻接的一个面(3)由具有至少10wt％的铬含量的基底合金构成的金属条(2)。在金属条的至少一面上的基底合金上设有镍、钌、钴、钯或它们的合金的表面层(4)。将碳和/或氮原子(5)溶入与表面层邻接的基底合金中提供压应力，并且在所述基底合金中基本上不存在碳化物和/或氮化物。本发明还涉及用这种金属条状构件制成的弹性电接触弹簧构件以及制造这种金属条状构件的方法。
Description
本发明涉及按照权利要求1的前序部分的金属条状构件及制造这种金属条状构件的方法。
金属条状构件为诸如用作移动电话、计算机等的电子设备的触臂。现有技术公开了对于这些触臂要满足的要求的不同解决方案。这些要求为：
-低接触电阻
-优良导电性
-优良弹性特征
-高疲劳强度
-高耐腐蚀性
诸如不锈钢或镍基合金等含有至少10％铬含量的合金由于在表面上存在惰态的氧化铬层而具有优良的抗腐蚀性。此外，这些材料具有优良的弹性而使它们适合于作为接触弹簧的材料。然而，氧化铬层构成高电阻，从而这些材料本身不适合作为接触材料。
数年来，曾提出过用不锈钢制成并镀有诸如镍、铜或锡等材料的弹性接触臂。
US3,837,818公开了一种由夹在两层不锈钢之间的铜制成的条形接触条构件以便获得良好的弹性特征与良好的导电性。将一层金配置在不锈钢上来获得低接触电阻。
EP604 856B1公开了一种用镀有镍的不锈钢制成的条形接触条构件，其中在镍镀层上镀有贵金属、锡或锡合金。
这一现有技术的问题在于在某些环境下的疲劳强度有可能不足。当将金属条状构件用作接触材料并反复弯曲时，条形构件的至少一面会遭受动态拉应力。一段时间之后，这些拉应力可导致疲劳故障。如果存在微裂纹且材料经受包含拉应力的动态负荷，则会经常出现材料疲劳故障。
WO2004/007789公开了用含碳和/或氮的气体表面硬化不锈钢制品的方法，使碳和/或氮原子渗透通过制品的表面，该方法包括在活化表面上施加Ni、Ru、Co或Pd的表层以防止重新钝化。表面硬化是在产生氮化物或碳化物的温度以下进行的。
本发明的目的不限于电子设备的接触臂，也适用于诸如用在压缩机、车辆悬挂系统等中的瓣阀或簧片阀等经受动态拉应力的其它条形制品上。
本发明的目的为提供具有与现有技术相比改进了的性质的金属条状构件以及制造这种金属条状构件的方法。
按照本发明的金属条状构件包括厚度小于3mm的金属条，并且其至少邻接的一个面由包含具有至少10wt％的铬含量的基底合金构成，并且其中在上述金属条的至少一个面上的基底合金上设有镍、钌、钴、钯或它们的合金的与表面面层，并且其特征在于将碳和/或氮原子溶入与表面层邻接的基底合金中提供压应力，并且在基底合金中基本上不存在碳化物和/或氮化物。溶入邻接表面层的基底合金中的碳原子和/或氮原子所导致的压应力至少部分地抵消了由于弯曲条形构件而导致的弯曲应力。如果碳原子和/或氮原子溶入基底材料中但不产生碳化物或氮化物，可保持耐腐蚀性。再者，与周围的材料相比碳化物或氮化物是相对脆性的，如果它们存在的话，有可能降低所谓的抗裂性而加速疲劳故障。
按照本发明的一实施方案，基底合金为不锈钢或镍基合金。不锈钢以铁作为基底材料，而镍基合金以镍作为基底材料。除了铬含量，镍基合金可包含钴、铝及其它合金元素。
按照优选实施方案，金属条完全由基底合金制成。
按照一实施方案，基底合金为沉淀硬化不锈钢，优选为马氏体沉淀硬化不锈钢。
按照本发明，金属条状构件两面都可设有所述表面层。当在使用时要求金属薄条构件的两面都与其它接触构件接触，和/或如果在使用时金属条状构件的两面都会受到拉应力时，这样做是合适的。
按照一实施例，金属条是冷轧的并具有1000MPa的最小抗拉强度。金属薄板冷轧增进其机械强度，但在表面中引发内部拉伸应力。通过在邻接表面的材料中溶入碳和/或氮原子，能提供压应力以增进疲劳强度。
表面层的平均厚度可小于2μm，优选小于0.3μm。测试结果显示有可能通过这些厚度的表面层来表面硬化。
金属条状构件可用作弹性、电接触条构件。
金属条状构件也可用在所谓瓣阀或簧片阀中，在其中该阀构件包含覆盖阀口并只在一端固定的弹性条构件。这些阀通常用在压缩机中，并且经受强大的动态拉应力。
本发明进一步涉及制造金属条状构件的方法，该方法包括下述步骤：
-提供厚度小于3mm的金属条且其至少邻接的一个面由具有至少10wt％铬含量的基底合金构成，
-去除金属条至少一个面上的基底合金上的氧化物层，
-用镍、钌、钴、钯或其合金的表面层涂覆所述金属条面，
-利用包含碳和/或氮的气体通过所述表面层表面硬化所述基底合金，从而碳和/或氮原子渗透通过表面层，使碳和/或氮原子溶入与该表面层邻接的基底合金中并在邻接该表面层的基底合金中产生压应力，这一表面硬化是在低于产生碳化物和/或氮化物的温度下进行的。
按照本发明的一实施方案，该表面硬化是一渗氮过程，它是在低于生成氮化物的温度下，优选在低于大约450℃下，用诸如NH3等含氮气体进行的。
另一种方法是，该表面硬化是在低于产生碳化物的温度下，优选低于大约550℃下，更优选低于大约510℃下用诸如CO等含碳气体的渗碳。
按照一实施方案，金属条完全是用基底合金制成的，其中该基底合金为沉淀硬化不锈钢，优选为马氏体沉淀硬化不锈钢。在高温下的表面硬化期间，基底合金沉淀硬化不形成氮化物或碳化物。用这一方法，能避免表面上的硬度与基底合金中心部分的硬度之间的过大差别。
可用化学或电解镀敷方法施加表面层。
另一种方法是用诸如电子束蒸发等物理气相沉积施加表面层。
在按照本发明的方法的优选实施方案中，以连续的卷到卷(roll toroll)工艺将金属条带通过电子束蒸发室，在该电子束蒸发室中施加表面层，然后从金属条带上切下金属条。
在进入电子束蒸发室之前，可令所述金属条带通过刻蚀室，在其中进行离子辅助的刻蚀以除去氧化物层。
在按照本发明的方法的实施方案中，在表面硬化之前将所述金属条弯曲成要求的形状。
下面将参照附图说明本发明，附图中
图1公开了按照本发明的第一实施方案的金属条状构件的一部分，
图2为按照本发明的第二实施方案的金属条状构件的一部分，
图3为按照本发明的第三实施方案的金属条状构件的一部分，
图4为用按照本发明的金属条制成的在断开位置上的弹性电接触弹簧构件，以及
图5为在闭合位置上的按照图4的接触弹簧构件。
按照图1的金属条状构件1包括厚度为3mm且用奥氏体不锈钢AISI304制成的金属条2。该金属条在第一面3上复盖有平均厚度为0.2μm的镍层4。与不锈钢相比这一镍层具有相对低的接触电阻并且提供接触面13。该镍层是在不锈钢表面在100ml 15％w/w盐酸+1ml35％过氧化氢溶液中去惰性15秒后在伍德镀镍槽(Wood’s nickelbath)中镀敷的。不锈钢包含邻接镍层4的“S相”层5。S相也称作“膨胀奥氏体”并包含溶入不锈钢中的氮原子(或碳原子)。这一膨胀奥氏体在材料中提供压应力。S-相是在注满纯NH3的炉中在429℃下通过镍层表面硬化不锈钢17小时30分钟得到的。在这一温度下进行表面硬化时，不形成氮化铬。从而保持了游离铬成份并借此保持耐腐蚀性。此外，由于不存在脆性氮化铬而降低了疲劳故障的风险。
按照图2的金属条状构件1对应于按照图1的金属条状构件，但在不锈钢条2的3、8两面都设有镍层4与S相层5。因此，按照图2的金属条状构件在两面都具有接触面。
按照图1与2的金属条状构件1包含完全用不锈钢制成的金属条2并分别在其一面或两面具有镍层。按照图3的金属条状构件1包含用夹心材料制成的金属条。铜的中央核心层7夹在两层不锈钢6之间。这一实施方案保证同时获得良好的导电性与良好的弹性。
图4公开了用按照图1的金属条状构件制成的弹性电接触弹簧构件9。该金属条状构件9弯曲成180°，使其包括一上方直线部分10、曲线部分11及下方直线部分12。包含镍层(未示出)与下衬的S相层(未示出)的接触面13在接触弹簧构件9的上方直线部分10面向上方而在接触弹簧构件9的下方直线部分12面向下方。通过焊接连接部14将下方直线部分9焊接在焊点15上。可移动的第二接触构件16配置在上方直线部分10的接触面13上方。第二接触构件16可在箭头A的方向上向上方直线部分10移动以便闭合该触点。图5公开了闭合位置上的触点，其中的焊点15与第二接触构件16是电连接的。如图5中所示，第二接触构件已使弹性接触弹簧构件9弯曲，从而带有接触面13的一面受到拉伸。如果在接触弹簧9中不存在原始内部应力，这一拉伸将在接触弹簧9的外侧面上产生拉应力。S相产生的原始压应力防止或者至少减少了由拉伸引起的拉应力的出现。因此，明显地降低了疲劳故障的危险，即使接触弹簧构件弯曲至十万次以上也如此。
图4与5中公开的实施方案只在一面具有接触面13。然而，如果在使用时两面都经受拉伸，两面都可设有镍层与下衬的S相层。
在公开的实施方案中将AISI304不锈钢用作基底合金。诸如AISI316等其它奥氏体不锈钢类型也能使用。
此外，能使用包含铁素体与奥氏体的双相(Duplex)不锈钢AISI329。测试显示当在400℃下氮化时，在表面硬化区中铁素体转化成奥氏体(和S相)。
初步测试显示马氏体不锈钢AISI420与马氏体沉淀硬化不锈钢AISI17-4PH也能使用，由于马氏体在表面硬化区中转变成奥氏体(与S相)。
当将沉淀硬化不锈钢用作基底合金时，在表面硬化过程中发生基底合金的沉淀硬化。从而可降低具有硬表面与相对软的内核的缺点。从US5,512,237中可知适用的可沉淀硬化的马氏体不锈钢。
并且也能使用诸如Inconel合金等镍基合金。对于不锈钢，氮和/或碳原子能渗透进镍基合金中并形成亚稳的S相(固溶硬化)。
由于其相对低的接触电阻及其高抗腐蚀性，镍是一种非常适用于表面层的材料。镍对诸如NH3、CO及CxHx等含氮和碳的气体的分解有催化作用。如果镍层足够薄，氮与碳原子能通过它渗透到下衬的基底合金中。在一些情况下，也可选择镍以外的材料作为表面层。钌、钴与钯也是抗腐蚀的，对含氮和碳的气体的分解起催化作用并且能透过氮与碳原子的。当然，这些金属的合金能用来代替单一的金属。表面层应厚得足以防止下衬基底合金惰化，并且薄得足以使氮和/或碳原子能渗透通过表面层。
按照本发明的金属条状构件是表面硬化的，从而使氮和/或碳原子溶入邻接表面层的基底合金中。表面硬化是通过在高温下将金属条状构件放置在含氮和/或碳原子的气体中进行的。利用含碳或氮的气体对钢进行热化学表面处理是众所周知的过程，称作表面硬化、渗碳或渗氮。通常，这些过程是在形成碳化物或氮化物的温度下进行的，借此来增进硬度。按照本发明，表面硬化是在低于这些温度下进行的。如果将温度保持在低于450℃，则不会形成氮化铬，而如果将温度保持在低于550℃，则不会形成碳化铬。使用含碳和氮两者的气体的渗氮-渗碳也可用于本发明。通过渗氮-渗碳，氮与碳原子两者渗透到材料中。在这种情况下，温度必须保持低于450℃，以防止氮化铬的生成。
可用诸如电镀、无电镀覆、物理气相沉积或化学气相沉积等任何已知方法来施加镍、钌、钴、钯或其合金的表面层。
在已公开的实施方案中，表面层完全覆盖金属条的一面或两面。然而本发明不局限于这一方式。这样，表面层可以只覆盖部分金属条。用表面层部分覆盖金属条可通过屏蔽掉不应用表面层覆盖的那些表面区域来达到。另外，可采用喷墨印刷法，其中用双喷嘴来进行双成分金属喷镀。
按照本发明的金属条状构件由于其表面层的相对低的接触电阻而适合于作为接触材料，其中，所述表面层可以是镍、钌、钴、钯或它们的合金。然而，为了进一步降低接触电阻，可在表面硬化后的表面层上施加一最上层。例如，可在镍表面层上涂敷一层银或金。没有必要使最上层完全覆盖表面，而只覆盖需要特别低的接触电阻的区域。
按照本发明的金属条状构件适合于作为接触材料。然而，本发明不限于这一用途。需要高疲劳强度与高抗腐蚀性的其它应用可得益于按照本发明的金属条状构件。这些应用可以是用在压缩机等中的瓣阀。
实施例1：用10nm(0.1μm)厚的镍层涂敷厚度为70μm(＝0.07mm)的不锈钢AISI 301的冷轧板的一面。在420℃、在60％氨中将该板渗氮17小时。这一处理之后由于板的渗氮面的体积膨胀而使板弯曲。这说明如果板材厚得足以防止弯曲，则通过渗氮产生内部压应力。
参照数字
1 金属条状构件
2 金属条
3 金属条的第一面
4 表面层
5 S相(溶解的碳和/或氮原子)
6 基底合金层
7 中心层
8 金属条的第二面
9 弯曲的接触条构件
10 接触条构件的上部分
11 接触金属构件的弯曲部分
12 接触金属构件的下部分
13 接触金属构件的接触面
14 焊接连接部
15 焊点
16 第二接触构件
Claims (17)
1.一种金属条状构件(1)，其包括厚度小于3mm且至少邻接的一个面(3)由具有至少10wt％的铬含量的基底合金构成的金属条(2)，并且在所述金属条的至少一面上的基底合金上设有镍、钌、钴、钯或它们的合金的表面层(4)，其特征在于将碳和/或氮原子(5)溶入与表面层邻接的基底合金中提供压应力，及在所述基底合金中基本上不存在碳化物和/或氮化物。
2.按照权利要求1的金属条状构件，其中所述基底合金为不锈钢或镍基合金。
3.按照权利要求1或2的金属条状构件，其中金属条(2)是完全由基底合金制成的。
4.按照权利要求3的金属条状构件，其中所述基底合金为沉淀硬化不锈钢，优选为马氏体沉淀硬化不锈钢。
5.按照权利要求1-4中任何一项的金属条状构件，其中两面(3，8)都设有所述表面层(4)。
6.按照权利要求1-5中任何一项的金属条状构件，其中所述金属条是冷轧的并具有1000MPa的最小拉伸强度。
7.按照权利要求1-6中任何一项的金属条状构件，其中表面层(4)的平均厚度小于2μm，优选小于0.3μm。
8.一种由按照前述权利要求中任何一项的金属条状构件制造的弹性电接触弹簧构件(9)。
9.一种制造按照权利要求1-7中任何一项的金属条状构件的方法，该方法包括下述步骤：
-提供厚度小于3mm且至少邻接的一个面由具有至少10wt％铬含量的基底合金构成的金属条，
-去除所述金属条的至少一面上的基底合金上的氧化物层，
-用镍、钌、钴、钯或它们的合金的表面层涂敷所述金属条的所述面，
-用含碳和/或氮的气体通过所述表面层表面硬化所述基底合金，借此碳和/或氮原子渗透通过表面层，使得碳和/或氮原子溶入邻接表面层的基底合金中并在邻接表面层的基底合金中产生压应力，这一表面硬化是在低于生成碳化物和/或氮化物的温度下进行的。
10.按照权利要求8的方法，其中该表面硬化是渗氮过程，它是用诸如NH3等含氮气体在低于生成氮化物的温度下，优选低于大约450℃下进行的。
11.按照权利要求8的方法，其中该表面硬化是用诸如CO等含碳气体在低于生成碳化物的温度下，优选低于大约550℃下，更优选低于大约510℃下的渗碳处理。
12.按照权利要求9-11中任何一项的方法，其中的金属条(2)是完全用基底合金制成的，以及其中该基底合金为沉淀硬化不锈钢，优选马氏体沉淀硬化不锈钢。
13.按照权利要求9-12中任何一项的方法，其中该表面层是用化学或电解镀敷方法施加的。
14.按照权利要求9-12中任何一项的方法，其中该表面层是用诸如电子束蒸发等物理气相沉积施加的。
15.按照权利要求14的方法，其中以连续的卷到卷工艺令金属条带通过电子束蒸发室，在该电子束蒸发室中施加表面层，此后从金属条带上切割金属条。
16.按照权利要求15的方法，其中该金属条带在进入电子束蒸发室之前通过一刻蚀室，在其中进行离子辅助刻蚀以便除去氧化物层。
17.按照权利要求9-16中任何一项的方法，其中在表面硬化之前将金属条弯曲成要求的形状。
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