CN101573206B - 在大于200MPa接触压力下工作的在加工润滑介质中的摩擦件及其在汽车领域中的用途 - Google Patents

在大于200MPa接触压力下工作的在加工润滑介质中的摩擦件及其在汽车领域中的用途 Download PDF

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Abstract

本申请涉及在大于200MPa的接触压力下工作的润滑介质中的摩擦件。使所述的表面经受能产生有确定形状和尺寸的测微空腔周期网络的操作，其周期适合于接触表面宽度，以便有利于转变到流体弹性动力学的润滑状态。

Description

在大于200MPa接触压力下工作的在加工润滑介质中的摩擦件及其在汽车领域中的用途
本发明涉及在润滑介质中的摩擦学的技术领域。 
更具体地，本发明涉及用于减少磨损和将切向力传递降至最低的涂层和表面处理。 
曾提出许多技术方案以改进机械部件的摩擦性能。基本上分为传统的表面硬化处理和通过不同方法得到的硬薄层沉积物，所述方法如PVD方法(物理气相沉积)或PACVD方法(等离子体增强化学气相沉积)。 
在这些硬薄层沉积物中，可以列举过渡金属氮化物(TiN、CrN、TiAIN等)沉积物，无定形碳涂层(DLC)等。由于技术的原因，但也有机械的原因，显示出这些表面涂层沉积物一般不超过5μm。超过这个厚度，可能出现该沉积物的脆化和鳞片状脱落的危险。获得该薄层的完美粘附和随时间推移的强度也很重要。因此，本技术领域的技术人员要求具有约0.04μm粗糙度(Ra)的极少不平的表面状态。 
因此，由现有技术可知，表面处理和真空沉积物的摩擦性能只是保证具有低粗糙度的表面。 
例如可以参考专利US 6 886 521的教导，它根据DLC沉积物硬度及其本身厚度提出了表面粗糙度参数(Rz)的最大值。 
在摩擦学领域中，人们曾就接触表面形貌对建立流体动力学润滑状态的影响进行过大量研究。因此，提出对轴承或止推轴承进行组织化处理(texturation)以便通过改进的润滑剂承载能力促进表面的分离。例如可以参考文件US 5 952 080和WO 2004/063533的教导。 
不过，对表面形貌定尺寸并不简单，使得这种方案与苛刻的接触条件不相适应，在高负荷摩擦部件的情况下也是如此，即接触压力引起所谓流体弹性动力学状态的操作。事实上，相当于在接触表面上蚀刻图案的这种组织化处理会引起支撑表面积明显减少，因此不适当的组织化处理必然导致油膜压力降低，还导致这些表面受到损害，这与所期望目的是背道而驰的。 
由此得出，仅仅在润滑介质中的轻微负载摩擦部件的情况下，本技术领域的技术人员应用表面组织化原理。 
根据对该现有技术的分析，本发明提出解决的其中一个问题是能够应用摩擦表面组织化原理，以便延长在润滑且重负载的介质中(即在例如200Mpa以上的接触压力下工作)摩擦部件之间的流体弹性动力学润滑状态的存在。 
事实上，超过一定接触压力阈值，该润滑剂粘度的指数增加(几个数量级)根本性地改变其物理性能。于是该润滑剂改变状态，表现出更接近固体状态，而不是流体状态。这时在变得极粘稠的润滑剂的作用下，通过相对表面的弹性变形使接触表面完全分离。其处于所谓的流体弹性动力学状态中。由于该润滑剂和相对表面的物理性能在流体弹性动力学状态中是基本不相同的，所以解释了为什么与其它润滑界面的情况不同地来进行对该接触表面组织化的最佳化。 
本发明的独创性于是在于对于至少部分地以流体弹性动力学状态工作的对接触表面组织化的摩擦和磨损的成功最佳化。 
为了解决这个问题，让该接触表面接受能产生确定形状和尺寸的测微空腔(cavités micrométrique)周期性网络的操作，且其周期适合接触表面的宽度，以便有利于达到流体弹性动力学的润滑状态。 
根据一些其它特征，这些测微空腔有利地而非限制性地包括孔和/或槽。空腔的深度小于或等于10μm，有利地小于3μm，小于1μm。这些空腔的主要长度是5-500μm。 
为了根据本发明的特征解决获得组织化的表面所带来的问题，这些空腔的周期性网络特别地是采用飞秒激光脉冲加工方法、采用离子束方法、采用显微机械加工、塑性变形、化学侵蚀或电侵蚀法得到的。 
有利地，其表面被组织化的摩擦部件在组织化前后进行具有摩擦功能的表面硬化处理。有利地通过沉积无定形碳(DLC)的薄层获得这种处理，以便在高负载摩擦部件进入流体弹性动力学润滑之前限制表面损害，降低摩擦系数。 
如所指出的，可以按照不同方法得到这种摩擦表面组织化。这些飞秒激光脉冲允许通过升华作用除去物质而不显著改变微观结构。然而应该指出，显微机械加工(光刻、微侵蚀)或表面塑性变形(滚花、微撞击)或电化学技术(化学侵蚀，电侵蚀)能够得到类似的结果。在这些组织化表面上制成的周期性图案(motifs)构成了可以根据下述四个基本参数进行限定的空腔： 
-在该表面平面中的形状(圆形、椭圆形、方形、三角形、槽等)； 
-沿着材料厚度的轮廓(圆柱、半球、锥体等)； 
-尺寸(直径、宽度、深度等)； 
-沿着任何方向并相对于表面摩擦方向所考虑的周期。 
该空腔深度有利地小于3μm，以便限制损害这些薄层并使其对该润滑状态的影响最大化，同时对于大约500nm±250nm深度的图案观察到最佳结果(avec un résultat optimum constaté par des motfs autour de500nm plus ou moins 250nm de profondeur)。提醒的是，本发明的经组织化的部件可以在组织化前后采用传统热化学处理方法(渗碳处理，碳氮共渗处理以及其它扩散或转化处理)或使用以PVD(物理气相沉积)或PACVD(等离子体增强化学气相沉积)方法得到的真空沉积物(例如过渡金属氮化物或碳化物)或无定形碳(DLC)沉积物进行处理。 
根据这些接触表面的尺寸、滑动方向和速度、所处理部件的接触压力和曲率，让这些不同图案尺寸与取向适合于这些待处理部件。例如，在经受非常高接触压力的机械部件上，例如在汽车领域中的活门操纵机构(culbuterie)部件上，必需提供深度约500nm的浅图案。 
应该注意，如前面所指出的，提供硬层，相对于无涂层的组织化表面，尤其能够显著地降低图案随着时间的损害，因此保持组织化表面的摩擦性能。还观察到，除对其润滑状态的影响外，这种组织化还能够意想不到地阻止因该沉积物局部剥离而出现的裂纹蔓延。 
下面通过附图将更详细地说明本发明，其中： 
-图1是显示由组织化表面图案带来的增益的图； 
-图2显示用孔网络组织化的表面的实例； 
-图3显示当最大接触压力保持在2.4GPa不变时得到的摩擦测量结果； 
-图4表示显示示微组织化(micro-texturation)对摩擦水平的影响的三条摩擦曲线。 
下面参考处理实施例1： 
这些处理部件是用摩擦精制(tribofinis)X85WCrMoV6-5-4-2钢制成的直径50mm的具有球形支承面的滚轮(galets àportée sphérique de50mm de diamétre)。这些部件已涂敷 
Figure G2007800390246D00031
了厚度2μm的DLC沉积物，其中已采用飞秒激光脉冲法打孔(圆形微腔)。这些表面通过孔网络 被组织化，孔的直径为79μm、深度400nm、间隔125μm，如图2所示。该网络包括在以该滚轮摩擦轨道为中心设置的宽度1mm的带上的一系列多排孔，每排具有7和8个分开孔。 
在高接触压力(1-3.2Gpa的最大接触压力)、0.2-2m/s的滑动速度和接触时低润滑剂卷吸速度(vitesse de d’ 
Figure G2007800390246D00041
(滑动速度的10％)条件下，这些滚轮用于在“Amsler”机器上进行的摩擦试验(本技术领域的技术人员的参比摩擦试验)。每个经组织化的部件面对未被涂敷和未经组织化的滚轮进行试验，以便观察这种组织化对润滑状态下(10W40机油)的摩擦系数的影响，以及研究在不同接触压力下涂层的使用性能(tenueen service)。还试验了面对未涂敷和未经组织化滚轮的涂敷DLC但未经组织化的滚轮，以便用作参考，并且精确地显示出试验的组织化对接触性能的影响。 
为了量化由微组织化获得的增益，在施加负载不变时，通过逐渐降低滑动速度以中断油膜来进行摩擦试验。 
对有涂层的光滑表面进行试验(其已经得到与没有DLC沉积物的相同表面相比的摩擦系数增益，有这种图案的涂敷有DLC的表面在2Gpa接触压力下显示出显著的摩擦系数的增益。 
附图1的图显示了由这种特定图案对摩擦系数(与在无组织化时进行的同样试验比较)带来的增益随在油浴中的相对部件滑动速度的变化。注意到，在2Gpa接触压力下，与未组织化的涂敷表面相比，该摩擦系数可以通过这种图案被降低30％。而且，与未处理的抛光钢制表面相比，未经组织化的DLC沉积物的制备已经能够降低摩擦系数15％。 
在这个精密构型中，应用经组织化的沉积物导致减少了30W因摩擦而浪费的功率，还能够减少对表面和油的加热，这有利于组件的耐用性。 
处理实施例2：
无论对于测试滚轮(galet de test)的摩擦轨道的涂敷还是组织化，严格按照与处理实施例1相同的程序，如为了进行在Amsler机器上的试验(comme pour la réalisation des essais sur machine Amsler)，在不同的接触压力下进行了第二组摩擦试验。 
图3显示了在最大接触压力保持2.4Gpa不变时并且在规定的不同滑动速度下所得到的摩擦测量结果。 
具有球形支承面的第一滚轮被涂敷有DLC，然后按照如处理实施例1所描述的圆形微腔网络进行组织化。使微腔深度为5μm，这个值是本技术领域的技术人员通常采用的代表性实例。在施用垂直施加的接触力启动试验后，在仅仅25秒后就发生因DLC沉积物的剥离而破坏相对表面，表面咬死。通常实施的表面组织化因此不适合这种流体弹性动力学接触。 
然后在这个2.4Gpa接触压力下进行的其它三个试验列于图3中。得到的摩擦曲线于是清楚地显示，尺寸的优化，特别是对于有利地设定在800nm的值，还有利地设定在450nm的微腔深度“d”的优化，能够使接触中产生的摩擦显著降低。 
事实上，它涉及根据与这些接触表面分开的油膜厚度确定微腔深度尺寸，其通过由流体弹性动力学润滑理论的传统的分析式计算进行计算。这个深度有利地是理论计算的润滑剂膜厚度的0.1-10倍。 
出乎意料地，图3因此清楚地表明，与无微组织化的相同表面相比，选择设定为450nm的空腔深度能够系统地降低由摩擦消耗的能量达15％-35％。 
然后，通过将最大接触压力设定在较高值，即2.6GPa、2.8GPa、3GPa和3.2GPa时，在表面涂敷有未组织化的DLC的滚轮与表面涂敷了具有450nm组织化深度的DLC的滚轮之间进行对比试验。 
当在压力保持在2.6GPa不变的第一个试验时，参比滚轮的未组织化的涂敷表面因DLC沉积物剥离、随后相对表面咬死而立刻被破坏。因此，值2.6GPa保持为无组织化的参比表面所能承受的最大接触压力极限。 
相比较而言，使用有组织化深度450nm的涂敷表面完成的在严格相同条件下进行的试验而没有损害。 
类似地，然后使用具有450nm深度的经组织化的这种滚轮，并且通过将接触压力增加到第一次2.8GPa，第二次3.0GPa和第三次3.2GPa并在这些压力下保持不变重复这个试验三次。 
出乎意料地，具有最有利组织化的这种滚轮摩擦表面在这组试验结束后没有被损害，于是由此得出结论，按照本发明优化的组织化能够显著提高表面承受施加在其上的接触压力的能力。 
令人惊奇地，除减少由摩擦消耗的能量外，本发明因此还能够赋予 该表面更好的抗负载性，于是明显地增加其使用寿命。 
处理实施例3： 
这些经处理的部件是用X85WCrMoV6-5-4-2钢制成的尺寸为30mm×18mm、厚度8mm的矩形平板。这些部件被涂敷了厚度2μm的DLC沉积物，其中采用飞秒激光脉冲打孔(圆形微腔)。这些表面通过孔网络进行组织化，孔的直径为79μm、间隔125μm，如图2所示。该网络包括一系列多排分开孔，这些孔覆盖整个摩擦表面。两块板按照这种描述进行组织化，一块具有1200nm深度的微腔，另一块具有600nm深度的微腔。第三块参比板严格地涂敷有同样的DLC沉积物，但没有进行组织化。因此，所实施的两种表面组织化对接触性能的影响通过与光滑的涂敷板进行比较而精确表示。 
然后将上述板用于在所谓“圆柱/平面”机器(“cylindre/plan”)上的摩擦试验。这个设备用来让具有35mm直径、8mm宽度的外摩擦轨道的由X85WCrMoV6-5-4-2钢制成的圆柱与如前段所定义的板接触。该圆柱绕着其自身轴旋转。该板保持在使其沿主尺寸方向作水平来回运动的装置上。在该圆柱外表面与该板表面之间形成的接触线于是在经处理的平表面上作往返运动。气动缸能够对支撑该板的装置施加标准负载，因此在该板与运动的圆柱之间产生很大的接触压力。将两个接触固体封在装满10W40机油的、加热并温度调节的槽中。 
通过以连续增量的方式将该圆柱的旋转速度从1000rpm降低到100rpm(分别地得到2m/s至0.2m/s之间的滑动速度)，相继地进行了对接触部施加不同恒定力(即40daN、80daN、120daN，然后160daN)的所描述试验。这种速度降低于是能够降低分开这些相对表面的油膜厚度，并且还能够促进在流体弹性动力学润滑状态与混合状态之间的过渡。 
对于保持在160daN不变的试验标准负载(产生最大接触压力700MPa)，图4绘制了所得到摩擦测量结果。 
出乎意料地，与图4的三个摩擦曲线相比，可以看出根据本发明的且有利地深度“d”等于600nm的优化的组织化在这里能够系统地降低测量摩擦系数。当润滑条件最严格时，由摩擦消耗的能量的降低在这里达到30％。 
本文介绍的在本发明范围中的表面组织化的应用能够将在流体弹性动力学状态与混合状态之间的过渡移向更严格的运行条件。 
通过调整尺寸，特别是微腔深度“d”，能再次获得这种摩擦的降低，该深度有利地应该是润滑剂膜厚度的0.1-10倍。 
通过这三个实施例说明的本发明优点由所作的说明变得很清楚，特别地强调和再提醒： 
-通过促进转变(passage)为流体弹性动力学润滑状态大大降低在明确定义的运行条件下的摩擦系数； 
-在被破坏前增加该处理表面可接受的最大接触压力； 
-通过限制所得到的图案的两个周期之间的碎片，和通过去除在这些空腔中的磨损微粒，限制对沉积物的损害； 
-通过限制磨损来增加机械部件的耐用性。 
本发明特别有利地应用于在高负载摩擦部件(接触压力高于0.2MPa，高于0.5MPa，高于0.8MPa)的流体弹性动力学状态中的润滑范围内，特别地在汽车领域中，更特别地用于生产发动机组件，尤其生产活门操纵机构(culbuterie)(如休闲或竞赛车辆领域内的杠杆(linquets)或顶杆(poussoirs))。 
本发明还有利地应用于在传递动力的高负荷摩擦部件的流体弹性动力学状态的润滑范围内，特别地用于处理在休闲或竞赛车辆的变速箱中起作用的齿轮系统中的轮齿。 

Claims (19)

1.在大于200Mpa的接触压力下工作的在润滑介质中的摩擦部件，使其表面组织化并在组织化前后经受具有摩擦功能的表面硬化处理，其特征在于使所述的表面经受能产生确定形状和尺寸的测微空腔的周期性网络的操作，其周期适合于接触表面的宽度，以便有利于转变为流体弹性动力学润滑状态，
其中所述空腔的主长度是5-500μm，所述空腔的深度小于或等于10μm，和
其中所述空腔的周期小于接触宽度的一半，深度是分开所述接触表面的润滑剂膜的厚度的0.1-10倍。
2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于所述测微空腔包括孔和/或槽。
3.根据权利要求1所述的部件，其特征在于所述空腔的深度小于或等于3μm。
4.根据权利要求3所述的部件，其特征在于所述空腔的深度小于或等于1μm。
5.根据权利要求1所述的部件，其特征在于所述空腔的周期性网络是采用飞秒激光脉冲的机械加工方法得到的。
6.根据权利要求1所述的部件，其特征在于所述空腔的周期性网络是采用显微机械加工得到的。
7.根据权利要求1所述的部件，其特征在于所述空腔的周期性网络是采用表面塑性变形得到的。
8.根据权利要求1所述的部件，其特征在于所述空腔的周期性网络是采用化学侵蚀或电侵蚀得到的。
9.根据权利要求1所述的部件，其特征在于所述空腔的周期性网络是采用离子束机械加工方法得到的。
10.根据权利要求1所述的部件，其特征在于所述表面硬化处理是通过沉积无定形碳薄层得到的。
11.根据权利要求1-10中任一项权利要求所述的部件在汽车领域中的用途。
12.根据权利要求11所述的用途，其用于发动机和变速箱中。
13.根据权利要求11所述的用途，用于对活门操纵机构组件进行处理。
14.根据权利要求13所述的用途，用于对杠杆类或顶杆类组件的处理。
15.根据权利要求11所述的用途，用于对动力传递组件进行处理。
16.根据权利要求15所述的用途，用于对齿轮系统中的轮齿类型的动力传递组件的处理。
17.根据权利要求11-16中任一项所述的用途，通过使用深度小于1μm的微腔，作用于在其全部或部分运行期间经受大于0.5GPa的最大接触压力的部件上。
18.根据权利要求11-16中任一项所述的用途，通过使用深度小于1μm的微腔，作用于在其全部或部分运行期间经受大于0.8GPa的最大接触压力的部件上。
19.根据权利要求11-16中任一项所述的用途，通过将微腔深度设定为将所述接触表面分开的润滑剂的膜的厚度的0.1-10倍。
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