CN103299094A - 摩擦对和用于摩擦对中的表面处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括两个金属构件（10,20）的摩擦对，所述两个金属构件中的第一金属构件具有可移动接触表面（10a），所述可移动接触表面提供相对于所述金属构件中的第二金属构件（20）的相应接触表面（20a）的摩擦。根据本发明，第一金属构件（10）的接触表面（10a）由涂层限定，该涂层由以下部分形成：第一表面层（11），所述第一表面层的材料硬于所述第一金属构件（10）的材料；和第二表面层（12），该第二表面层布置到第一表面层（11）上并且第二表面层的材料限定涂层，该涂层减小相对于摩擦对的第二金属构件（20）的接触表面（20a）的化学亲和性，以便向所述摩擦对提供相对于没有所述涂层的摩擦对较低的摩擦系数。

Description

摩擦对和用于摩擦对中的表面处理的方法

技术领域

本发明涉及由具有相对彼此的运动的构件限定的类型的摩擦对，每一个构件具有相应接触表面，并且涉及用来处理摩擦对的元件或构件的接触表面的方法。

背景技术

用于家用或商业制冷系统的往复压缩机的替代物正被不断地研究，旨在增加所述机器的能量效率。获得所述目标的一种方法是通过减小可移动部件（摩擦对）的机械损失，该损失由摩擦对之间的相对运动产生，诸如：曲轴和轴承；活塞销和连接杆的较小孔眼；偏心销和连接杆的较大孔眼；和连接杆和联结到其上的部分之间的球形连接件。

相对运动的摩擦对之间，例如曲轴和轴承之间的机械损失根据以下参数产生：

通过表面之间的接触的损失：

Pot=Fa xωx R，其中Fa=μx N；

粘滞摩擦损失：

Pot=cte x f(ε)x(ηxω²x R³x L)/c，

其中：

Pot=>摩擦产生的功率；

Fa=>摩擦力；

ω=>表面之间的相对角速度；

R=>轴半径；

μ=>动态摩擦系数；

N=>法向力；

η=>油粘度；

L=>轴承的有用宽度；

c=>表面之间的径向间隙；

ε=>轴和轴承之间的偏心关系。

应当注意，两个表面之间的被润滑的接触产生的动态摩擦系数至少比厚膜状态中的粘滞摩擦系数高一个数量级（对于具有通过研磨和/或磨光的常规精加工的金属部件，在Ra值小于0.5微米的情况下，分别为0.1和0.01的典型值）。

主要在第一操作时间中，由于不充分的表面精加工，巨大的形状误差或者甚至轴承的尺寸不足引起的表面之间的接触产生的摩擦，出现相当多的机械损失。取决于这种接触的强度，可能出现表面（机械的、几何的和表面精加工性质）的恶化，导致磨损引起的轴承的故障。在大多数摩擦对中，由于布局（可用空间）、操作状态（开动/关掉，极限条件等等）、最终成本的问题或者甚至由于其它工程参数的最佳约定（折衷）产生的限制，为了保证形成所述对的表面之间完全没有接触而设计轴承的尺寸在技术上是不可行的。

因此，通常使用最小化所述接触的有害效果的特殊的精加工和/或表面涂层。

在连接杆-曲轴类型的机构中，典型的例子是由活塞销和连接杆的较小孔眼限定的摩擦对（轴承）。由于这些两个部件（活塞销和较小孔眼）之间的相对摆动运动，在压缩循环期间速度可以连续地变化并且两次达到零。这种摆动模式削弱流体动压力场的形成，活塞销和较小孔眼都需要相对大的尺寸，以便避免（或者至少显著最小化）金属接触。

在另一方面，由于以下原因，希望活塞销具有减小的尺寸：

减小活塞销的质量；

活塞销越小，较小孔眼的尺寸将越小；

活塞销和较小孔眼越小，活塞将更加紧凑；

上面列举的所有部件的质量直接影响机构的不平衡。

因此，在所述摩擦对中，通常形成高强度金属接触，并且通过使用高硬度表面处理（有或没有涂层）最小化磨损，诸如渗碳、硬化或氮化该销和蒸汽处理或氮化连接杆的较小孔眼。

类似要求（和方案）也出现（并且使用）在由具有半球形外壳和球体（或半球体）的类型的球接头机构组成的摩擦对中，所述摩擦对经常替代由活塞销和连接杆的较小孔眼组成的摩擦对。

目前已知且将以下替代方案用于摩擦对的表面处理，该摩擦对诸如由活塞销和连接杆的较小孔眼组成的摩擦对：

活塞销：氮化；或渗碳+硬化+磷化；

连接杆（纯铁的或通过烧结过程获得的合金铁的）的较小孔眼：蒸汽处理+磷化；或氮化；或机加工+磷化；或蒸汽处理的基体+机加工+磷化；或机加工+氮化。

表面精加工替代方案以成本的递增次序被给出，机加工是烧结部件的校准的替代方案。

相对于校准过程，机加工操作产生以下优点：

在没有蒸汽处理的部件中，它产生微孔（该微孔通常出现在烧结部件中）的密封，允许更均匀的磷酸盐层的沉积；

它将Tp%（有效支撑面积）增加到接近100%的值；

在蒸汽处理的部件中，它消除通常裸露的氧化铁表面层；

它可以最小化形状误差（圆柱度），这是由于它消除不被校准过程纠正的弹性变形。

然而，机加工给出以下缺点：

它是比校准昂贵的工艺；

它提供较差的表面精加工（当使用典型的机加工精加工技术时）；和

它通常增加位置误差（连接杆的孔眼之间的平行度）。

关于球形球接头，目前使用的表面处理替代方案如下：

半球形外壳：具有磷化或氮化的表面处理；

球体（或半球体）：通过硬化+磷化的表面处理。

不管构件表面由基础材料自身（没有任何类型的涂层）限定还是由涂层（例如，通过蒸汽处理而获得）限定，磷酸三价锰被广泛使用并且被称为用来打破由类似的材料制成的摩擦对之间的化学亲和性的优秀材料，以及优秀的固体润滑剂，主要在称为软化的过程中的第一操作时间期间，它减小可以相对彼此移动的构件之间的摩擦并且最小化磨损。

通过氮化而涂覆接触表面的限定摩擦对的金属部件（烧结的或非烧结的）的接触表面的表面处理过程被认为是用来减小受到高的接触压力的摩擦对的部件中的磨损的优秀方案。这种方案广泛地用于摩擦对，该摩擦对由活塞销和连接杆的较小孔眼和由球体和半球形外壳形成，该半球形外壳在连接杆和具有球形球接头的活塞之间。

由于连续寻找更加能量高效的、低噪音的、较小且较廉价的压缩机，在遵循一些一般准则的情况下，存在机构的连续优化，包括：

油粘度等级的降低；

部件的尺寸和质量的减小；和

较小平台的制冷容量（体积排量）的增加。

这些因素直接增加机械力，并且因此增加施加到该机构的部件的载荷，导致摩擦对的较大变形和接触，使得即使通过氮化而被涂覆的部件在某些操作条件下也会出现磨损。

当两个氮化的构件受到摩擦或磨损时，如由轴承、连接杆和销组成的摩擦对中发生的，氮化物的化学不稳定性导致氮化的层的静电吸引。因此，在涂层之间存在反应，这促成部件的磨损过程（通过化学亲和性的磨损）。

发明内容

因此，本发明的目标是提供由相对彼此运动的构件限定的类型的摩擦对，每一个构件具有相应接触表面，并且即使在施加到机构的部件的载荷递增条件下，该摩擦对在摩擦对的接触表面上提供较少磨损。

本发明的另一目标是提供一种摩擦对，除了上述特征外，该摩擦对还具有减小的摩擦条件，改善接触表面的润滑性。

本发明的另外目标是提供一种用于摩擦对中的表面处理的方法，该方法允许获得接触表面具有良好的润滑性和减小的磨损的构件。

本发明的又一目标是提供一种摩擦对，和一种用于摩擦对中的表面处理的方法，诸如上面列举的并且具有相对降低的成本。

通过一种摩擦对实现这些和其它目标，该摩擦对包括两个金属构件，每一个金属构件具有可移动接触表面，该可移动接触表面提供相对于所述构件的另一个的相应接触表面的摩擦，所述构件的一个的接触表面被以下部分覆盖：第一表面层，该第一表面层的材料的表面硬度高于相应构件的表面硬度；第二表面层，该第二表面层限定涂层，该涂层减小相对于摩擦对的另一个构件的接触表面的化学亲和性，以便向该接触表面提供相对于没有所述涂层的摩擦对的较小的摩擦系数和较高的耐磨性。

本发明的目标也通过一种用于包括两个金属构件的类型的摩擦对中的表面处理的方法被实现，每一个金属构件具有可移动接触表面，该可移动接触表面提供相对于所述构件的另一个的相应接触表面的摩擦，所述方法包括以下步骤：用第一表面层覆盖所述构件中的一个构件的接触表面，该第一表面层的材料的表面硬度高于相应构件的表面硬度；和用第二表面层覆盖所述构件的第一表面层，该第二表面层限定涂层，该涂层减小相对于摩擦对的另一个构件的接触表面的化学亲和性，以便向该接触表面提供相对于没有所述涂层的摩擦对的较低摩擦系数和较高耐磨性。

根据本发明的特别方面，第一表面层是氮化物涂层并且第二表面层是磷酸盐涂层，并且更特别地是磷酸锰涂层。

附图说明

下面将参考附图描述本发明，该附图通过本发明的构造形式的例子的方式被给出并且其中：

图1是摩擦对的两个构件的示意性部分切开剖视图，该两个构件的接触表面根据本发明的第一实施例形成；

图2是类似于图1的视图，但示出根据本发明的第二实施例形成的接触表面；

图3是摩擦对的两个构件的示意性部分切开剖视图，该两个构件的接触表面根据本发明的第三实施例形成；并且

图4是类似于图2的视图，但示出根据本发明的第四实施例形成的接触表面。

具体实施方式

虽然对现有技术的评论和现有技术的当前限制已经强烈地与往复制冷压缩机（特别地，具有减小的尺寸的那些往复制冷压缩机）中的设计要求和机械力关联，但应当注意，本发明可以应用于不同摩擦对，该不同摩擦对的操作状态类似于针对所述压缩机讨论的那些操作状态。

如前面已经提及的，本发明的摩擦对目标包括两个金属构件10,20，该两个金属构件中的一个金属构件具有可移动接触表面10a，该可移动接触表面10a提供相对于所述金属构件中的第二金属构件20的相应接触表面20a的摩擦。

如下面更详细地讨论的，这里考虑的摩擦对的两个金属构件10、20通常以以下材料的任何材料被获得：通常通过热处理获得的具有高的表面硬度的渗碳钢或合金钢、低碳钢、纯铁、合金铁、铸铁和其它铁/金属合金。

根据本发明，所述金属构件中的第一金属构件10的接触表面10a由涂层限定，该涂层由以下部分形成：第一表面层11，该第一表面层的材料的硬度高于相应第一金属构件10的材料的硬度；和第二表面层12，该第二表面层被布置到第一表面层11上并且限定涂层，该涂层减小相对于摩擦对的第二金属构件20的接触表面20a的化学亲和性，以便对于该接触表面20a提供相对于没有所述涂层的摩擦对的较低摩擦系数和较高耐磨性。

在图1中示出的本发明的第一实施例中，第二金属构件20的接触表面20a由所述第二金属构件20的相同材料限定，这是由于接触表面20a不接收任何涂层。

不管金属构件10、20的一个在其接触表面10a或20a上设置有或不设置有涂层，两个构件通常都经受表面精加工，例如，通过研磨、磨光、刷光、砂磨、校准等等，旨在消除或至少最小化表面粗糙度峰值、变形和表面不规则性。

根据本发明，第一金属构件10的涂层的第二表面层12被限定为固体润滑材料，优选地为磷酸盐，并且更优选地为磷酸锰。在形成第一表面层11之后，通过所述第一金属构件10的磷化操作，获得这个第二表面层12。

在第一金属构件10经受磷化操作之前，第一金属构件10的第二表面层12形成到氮化物的（即，通过所述第一金属构件10的氮化操作获得的）第一表面层11上。

对于第一金属构件10被第一和第二表面层11、12覆盖的构造，摩擦对的第二金属构件20的接触表面20a可以具有任何组成，诸如为被磷酸盐覆盖的表面，如图2中示出的第二实施例。

根据图3中示出的第三实施例，第二金属构件20可以设置有由外部表面层21限定的涂层，该涂层的材料硬于形成所述第二金属构件20的材料，例如，被限定用于第一金属构件10的第一表面层11的材料。

在执行获得希望结果的本发明的方法中，第二金属构件20的表面层21形成为氮化物，即，通过所述第二金属构件20的氮化操作。

根据本发明的第四实施例，如图4中所示，第二金属构件20可以设置有第二表面层22，该第二表面层被限定为固体润滑材料，例如，磷酸盐。如上面关于第一金属构件10的涂层的形成描述的，在形成第二金属构件20的第一表面层21之后，通过第二金属构件20的磷化操作获得这个第二表面层22。

在这种情况下，第一表面层21可以被限定为一种材料，该材料硬于形成所述第二金属构件20的材料，例如，被限定用于第一金属构件10的第一表面层11的材料。

应当理解，两个金属构件10、20即使设置有相应涂层，如对于图1中的第一金属构件10和对于图2到4中的两个构件示出的，也可以在氮化和磷化操作之前预先经受用来改善表面精加工的处理，诸如砂磨或刷光，例如，这能够导致涂层较好地合并到相应金属构件，或者甚至到所述涂层的较好表面精加工。

磷酸三价锰层沉积到氮化涂层上减小前述摩擦对构造中提及的损害。磷酸三价锰被广泛地使用并且被称为打破类似材料制成的对之间的化学亲和性的优秀材料，以及优秀固体润滑剂，该固体润滑剂主要在第一操作时间（称为软化）期间减小摩擦并且最小化磨损，而不损害氮化物层的已知性质，成为具有优秀摩擦性质的方案。

将磷酸三价锰施加到氮化物上的方案也有助于解决另一潜在问题：在往复制冷压缩机的连接杆是单个构件（并且不由两个构件制成）的方案中，可以为连接杆的两个孔眼（较小孔眼和较大孔眼）提供相同的表面处理。

而且，关于本发明应用于往复制冷压缩机，在由偏心销/较大的孔眼组成的摩擦对中，润滑状态倾向于是流体力学的，但由机构部件的变形产生的不对齐也产生点接触，增加接触压力，并且因此增加机械损失和/或磨损。

由于往复压缩机的曲轴的偏心销典型地由铸铁或低碳钢（都具有低的表面硬度）制成，由这些“软”材料，并且由具有高的表面硬度的另一材料（诸如氮化物覆盖的较大孔眼）组成的摩擦对的形成倾向于更强烈地（更严重地）磨损具有较低硬度的对应物，即曲轴的偏心销。

特别地，关于往复制冷压缩机，磷酸三价锰层作为第二表面层12沉积到通过氮化获得的第一表面层11上有助于最小化连接杆的活塞销/较小孔眼和连接杆的偏心销/较大孔眼的摩擦对中的磨损，以及减小这个最后摩擦对中的机械损失，当缺乏润滑强化该表面之间的接触时，在压缩机操作的最初时刻期间该损失可能是非常高的。

根据本发明，在往复制冷压缩机中可以具有摩擦对的以下组合，该摩擦对具有设置有第一和第二表面层11、12的接触表面10a、20a的一个或者甚至两个：

关于单件连接杆的构造，两个孔眼都可以接受本发明的表面处理过程。

在该构件的至少一个构件具有蒸汽处理的层（有或没有磷酸盐）的摩擦对的构造的情况下，也可以用氮化物层上方的更加外部的磷酸盐层覆盖第二构件的表面。

特别地，对于较大孔眼，由于在（偏心销的）通常具有低的硬度的表面上的操作，氮化可以引起可靠性损失和消耗。因此，高度有利的是，在连接杆的较大孔眼中在第一氮化物表面层上方提供第二磷酸盐表面层，以便增加这个摩擦对的可靠性（软化过程期间的磨损减小）并且最小化机械损失。

本发明提供一种方案，该方案用于设计和操作特性类似于往复制冷压缩机中见到的那些的任何摩擦对，诸如活塞销和连接杆的较小孔眼；球形球接头；偏心销和连接杆的较大孔眼。

如已经提及的，第二表面层22具有以下功能：当它限定摩擦对的两个金属构件的接触表面的涂层时，由于该构件的一个被氮化物覆盖并且另一个被双重涂层（氮化物的第一表面层11和磷酸盐的第二表面层12）覆盖，因此打破氮化物之间的化学亲和性；

保持油，由于包含磷酸盐的第二表面层12具有多孔结构，具有允许油保持的空间；和

允许顺应支承表面的不规则性，由于包含磷酸盐的所述第二表面层12促进摩擦对的金属构件的一个的表面顺应与所述摩擦对的另一金属构件的表面的接触条件。

在本发明的特别形式中，第二表面层12限定磷酸锰（反应物）的涂层，该涂层通过静电屏蔽化学地且积极地稳定氮化的表面。通过其氮化的接触表面，所述反应稳定双重涂层（氮化物/磷酸盐）并且阻止先前建立的常规滑动系统的氮化表面之间的化学亲和性。稳定剂（磷酸锰）的存在产生能量屏障，减小涂层（氮化物/氮化物）之间的静电吸引并且通过减小磨损而延长构件的使用寿命。

本发明的摩擦对的构造允许提供较高的硬度且减小摩擦对的接触表面之间的摩擦，产生摩擦对的两个金属构件的接触表面之间的化学中性，避免粘附磨损。第二表面层（磷酸盐的层）的物理性质允许它顺应存在于第一层上的缺陷，产生更一致的并且能够更好地分布压力和磨损的外部表面。施加到第一表面层上的这个第二表面层获得更好的粘附，延长可移动地接触的构件的寿命。

虽然上述描述提供被限定为磷酸盐的第二表面层12，但应当理解，这个第二表面层12可以由其它元素（诸如化学镍及其变体）限定，该其它元素具有固体润滑剂的特性、可塑性并且可以减小与摩擦对的其它构件的接触表面材料的化学亲和性。硬化第二金属构件的第一表面层21也可以由热处理（例如，硬化）或蒸汽处理限定，只要它在相应的构件中产生希望的结构效果并且允许施加或不施加磷酸三价锰涂层。

本发明也提供一种用于上面限定的类型的摩擦对中的表面处理的方法，所述方法包括以下步骤：用第一表面层11覆盖所述金属构件中的第一金属构件10的接触表面10a，该第一表面层的材料硬于第一金属构件10的材料；和用第二表面层12覆盖第一金属构件10的第一表面层11，该第二表面层的材料限定涂层，该涂层减小相对于摩擦对的第二金属构件20的接触表面20a的化学亲和性，以便向所述摩擦对提供相对于没有所述涂层的摩擦对较低的摩擦系数。

Claims (18)

1.一种包括两个金属构件（10,20）的摩擦对，所述两个金属构件中的第一金属构件具有可移动接触表面（10a），所述可移动接触表面提供相对于所述金属构件（10,20）中的第二金属构件的相应接触表面（20a）的摩擦，其特征在于，所述第一金属构件（10）的接触表面（10a）由涂层限定，所述涂层由以下部分形成：第一表面层（11），所述第一表面层的材料硬于所述第一金属构件（10）的材料；和第二表面层（12），所述第二表面层被布置到所述第一表面层（11）上并且限定用于减小相对于摩擦对的第二金属构件（20）的接触表面（20a）的化学亲和性的涂层。

2.如权利要求1所述的摩擦对，其特征在于，所述第一金属构件（10）的第二表面层（12）是固体润滑剂。

3.如权利要求2所述的摩擦对，其特征在于，所述金属构件（10）的第二表面层（12）是由磷酸盐或化学镍限定的材料中的一种材料。

4.如权利要求3所述的摩擦对，其特征在于，所述第一金属构件（10）的第一表面层（11）是氮化物涂层，并且所述第二表面层（12）是磷酸盐涂层。

5.如权利要求3或4中的任一项权利要求所述的摩擦对，其特征在于，所述第一金属构件（10）的第二表面层（12）是磷酸锰涂层。

6.如权利要求1到5中的任一项权利要求所述的摩擦对，其特征在于，所述第二金属构件（20）的接触表面（20a）也被外部表面层（21）覆盖，所述外部表面层的材料硬于所述第二金属构件（20）的材料。

7.如权利要求6所述的摩擦对，其特征在于，所述第二金属构件（20）的所述外部表面层（21）由氮化物涂层限定。

8.如权利要求1到7中的任一项权利要求所述的摩擦对，其特征在于，所述第二金属构件（20）的所述接触表面（20a）由材料为由磷酸盐或化学镍限定的材料中的一种的涂层限定。

9.如权利要求1到8中的任一项权利要求所述的摩擦对，其特征在于，限定所述摩擦对的所述金属构件由以下材料形成：由钢、铁、铸铁及其合金组成的材料中的一种。

10.一种用于包括两个金属构件（10,20）的类型的摩擦对中的表面处理的方法，所述两个金属构件中的第一金属构件具有可移动接触表面（10a），所述可移动接触表面提供相对于所述金属构件（10,20）中的第二金属构件的相应接触表面（20a）的摩擦，其特征在于，所述方法包括以下步骤：用第一表面层（11）覆盖所述第一金属构件（10）的接触表面（10a），所述第一表面层的材料硬于所述第一金属构件（10）的材料；和用第二表面层（12）覆盖所述第一金属构件（10）的所述第一表面层（11），所述第二表面层限定用于减小相对于所述摩擦对的第二金属构件（20）的接触表面（20a）的化学亲和性的涂层。

11.如权利要求10中所述的方法，其特征在于，所述第二表面层（12）是固体润滑剂。

12.如权利要求11中所述的方法，其特征在于，所述第二表面层（12）由材料为由磷酸盐或化学镍组成的材料中的一种的涂层限定。

13.如权利要求12中所述的方法，其特征在于，所述第一表面层（11）是氮化物涂层，并且所述第二表面层（12）是磷酸盐涂层。

14.如权利要求12或13中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二表面层（12）是磷酸锰涂层。

15.如权利要求10到14中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：用外部表面层覆盖所述第二金属构件（20）的接触表面（20a），所述外部表面层的材料硬于所述第二金属构件（20）的材料。

16.如权利要求15中所述的方法，其特征在于，所述第二金属构件（20）的所述外部表面层（21）由氮化物涂层限定。

17.如权利要求10到16中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二金属构件（20）的所述接触表面（20a）由材料为由磷酸盐或化学镍组成的材料中的一种的涂层限定。

18.如权利要求10到17中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，限定所述摩擦对的所述金属构件（10,20）由以下材料形成：由钢、铁、铸铁及其合金组成的材料中的一种。

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