CN103556109B - 第5族金属源碳化物涂覆的钢质物品及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一个示例性实施方案包括一种用于通过用一种微粒混合料进行化学沉积法在低铬含量的钢质物品上形成一个硬碳化物涂层的方法，其中处于化合物FeMo形式的钼或处于化合物FeTi形式的钛、或者一种FeMo和FeTi的混合物可以被添加到用来形成该涂层的微粒混合料中。

Description

第5族金属源碳化物涂覆的钢质物品及其制造方法

本申请是申请日为2009年10月7日、申请号为200980138310.7、发明名称为“第5族金属源碳化物涂覆的钢质物品及其制造方法”的中国专利申请的分案申请。

本申请要求于2008年10月16日提交的美国临时申请序列号61/105,898以及于2009年10月7日提交的PCT申请序列号US09/59781的权益。

技术领域

本披露涉及的领域总体上是涉及耐磨钢质物品、并且具体地涉及一种用于增加第5族金属源碳化物涂层对低铬含量的钢基底的附着性以形成一种耐磨钢质物品的方法。

背景技术

动力传输链在汽车行业中广泛使用，不仅用于点火正时，还用于将机械动力传递到车辆的驱动轮。两种类型的动力传输链是传统的滚子链和所谓的“无声链”。滚子链和无声链二者都使用钢销作为重要部件。

在车辆的装配和后续运行过程中，这些钢销受到磨损。为了改进这些钢基底的耐磨特性，可以向该钢基底施加一个硬质涂层。例如，已将碳化钒（VC）涂层置于小的钢部件例如销上以改进耐磨性。然而，该销基底钢的组成可能对钒涂覆的钢销具有显著影响。例如，具有约1.5重量百分比或更少的铬的钢基底材料被认为没有在碳化钒涂层/钢的界面上形成足够的扩散，这可能导致该碳化钒涂层对该钢基底的差的附着性。

已发现基底钢的适当的碳含量能够确保该VC涂层的厚度并且赋予强度和硬度，并且基底钢中适当的铬含量对于该涂层对基底钢销的良好附着是重要的。

作为一种解决方案，具有硬碳化铬层的销可以通过在970摄氏度围绕该销的表面从FeCr粉末中沉积铬来制造。然而，铬铁和元素铬的粉末的使用常常受到环境法规阻止或禁止。

发明内容

一个示例性方法披露了一种用于通过用一种微粒混合料进行化学沉积法在低铬含量的钢质物品上形成一个硬碳化物涂层的方法，其中处于化合物FeMo形式的钼可以被添加到用来形成该涂层的微粒混合料中。

另一个示例性方法披露了一种用于通过用一种微粒混合料进行化学沉积法在低铬含量的钢质物品上形成一个硬碳化物涂层的方法，其中处于化合物FeTi形式的钛可以被添加到用来形成该涂层的微粒混合料中。

又另一个示例性方法披露了一种用于通过用一种微粒混合料进行化学沉积法在低铬含量的钢质物品上形成一个硬碳化物涂层的方法，其中处于化合物FeMo形式的钼以及处于FeTi形式的钛可以被添加到用来形成该涂层的微粒混合料中。

一种用于通过化学沉积法涂覆低铬含量的钢基底的示例性微粒混合料包括一种第5族金属源、一种卤化物催化剂、以及FeMo或FeTi、或者一种FeMo和FeTi的混合物。

一种示例性的钢质物品，例如一条链，可以通过向一个低铬含量的钢基底涂覆一个碳化物涂层来形成，其中该碳化物涂层可以由上一段的示例性微粒混合料形成。

其他示例性实施方案将从以下提供的详细说明中变得清楚。应该理解，详细的说明和具体的实例虽然披露了示例性实施方案，但旨在仅用于说明的目的而并非旨在限定本发明的范围。

附图说明

通过详细的说明以及附图，本发明的示例性实施方案将会得到更加全面地理解，在附图中：

图1是根据一个示例性实施方案涂覆有碳化物涂层的销的一个理想化的截面；

图2是用于在选定的物品上形成一个涂层的、装有一种微粒混合料的示例性的旋转曲颈甑的一个纵截面图示；

图3是该曲颈甑的一个理想化的端截面，同样示出了该微粒混合料以及选定的物品；并且

图4示出了一个无声链的一部分，该无声链总体上具有先有技术的设计但包括如来自图1的销。

具体实施方式

以下对这种或这些实施方案的说明在本质上仅是示例性的（展示性的）而决非旨在限制本发明、其应用或用途。

现在参见图1，一个示例性实施方案包括一个物品10，该物品具有沿至少一个表面13涂覆有一种碳化物涂层14的一个低铬含量的钢芯12。

为此处的目的，一个低铬含量的钢芯12含有少于约1.6%的铬。术语“钢芯”在此可以与术语“钢基底”互换使用，并且仅代表其中该物品包括一个有待用碳化物涂层14的低铬含量的钢表面。此处的所有百分比均为按重量计。

可以在钢芯12中使用的一种低铬含量的钢的一个示例性实施方案是AlSl52100(UNS-G-52986)钢，这种钢具有以下标称构成：0.98-1.1重量百分比的碳；0.25-0.45重量百分比的锰；1.3-1.6重量百分比的铬；0.025重量百分比或更少的磷；0.025重量百分比或更少的硫；0.15-0.35重量百分比的硅；以及余量的铁。

在这个示例性说明中，用于形成碳化物涂层14的微粒混合料16可以包括一种第5族金属源、一种卤化物催化剂、以及或者钛铁（FeTi）粉末或者钼铁（FeMo）粉末（或者它们的混合物）。其他实质上惰性的微粒，例如氧化铝，也可以包括在微粒混合料16中，并且在一个实施方案中可以按不超过微粒混合料16的约百分之50的量存在。

一种第5族金属源包括由国际理论化学与应用化学联合会指定并推荐的18族分类的元素周期表上列出的一种第5族金属。优选地，在该微粒混合料16中的第5族金属（钒和铌是其仅有的成员）具有不大于41的原子序数。

可以引入该微粒混合料16的可用的卤化物催化剂的非穷尽的清单包括氯化铁、氯化铵、氯化铌、氯化钒、或它们的混合物。该卤化物催化剂可以按任何有效量使用，其中一个实施方案可以是按第5族金属源的重量计约0.6%至3%的量。

在一个实施方案中，包含在微粒混合料16中的FeTi或FeMo粉末的量可以是在第5族金属源的约0.5与约4重量百分比之间。换言之，FeTi、或FeMo、或FeTi和FeMo的组合与该第5族金属源的重量比可以是在约0.02至0.04的范围内。

一个示例性微粒混合料16可以包括具有0.8mm至3mm的颗粒尺寸的钒铁（FeV）粉末以及约1%的选定的卤化物催化剂；此处是氯化铁（FeCl₃）。此外，微粒混合料16还可以包括钼铁（FeMo）粉末。该钼铁粉末可以在该FeV粉末的约0.5和约4重量百分比之间。其他实质上惰性的微粒，例如氧化铝，可以包括在微粒混合料16中，并且在一个实施方案中是处于不超过微粒混合料16的约百分之50的量。

现在参照图2，该示例性实施方案的方法可以优选地在一个旋转容器20、或曲颈甑20中实施，该曲颈甑具有一个轴22，该轴通过轴衬30可旋转地保持在加热炉28的壁24和26中，并且是密封的。一个电动机（未示出）可以按希望的速度旋转容器20，而加热炉28在一个实施方案中可以保持在约870至1093摄氏度（约1600至2000华氏度）的温度、或者在另一个实施方案中在约927至1038摄氏度（约1700至1900华氏度）的温度。在容器20内部的可以是微粒混合料16以及至少一个钢质物品10，在这种情况下是多个钢链销10，这些销有待用微粒混合料16涂覆以形成具有希望的厚度的碳化物涂层14。该希望的厚度可以实现至少HV2000的表面硬度，这可以与约10到20微米的厚度相关联。对于上一段的示例性微粒混合料16，碳化物涂层14是一种钒/碳化物涂层。

在一个实施方案中，空气从旋转容器20中被抽出并且该过程是在空气基本不存在时在密封的旋转容器20中进行的。在另一个实施方案中，一种惰性气体，优选氩气或氮气，被引入容器20中。在旋转容器20的加热和旋转的过程中，可能造成在该微粒混合料16中的第5族金属的源发生分解（dissociate），从而提供在钢芯12的表面上以卤化物形式沉积的第5族金属。碳被从物品10的钢芯12的表面吸收以取代该卤化物，然后该卤化物返回该微粒混合料16与来自该源的另外的第5族金属结合。在这个过程中可能只消耗很小百分比的第5族金属源，估计为该金属源中金属的0.5%至2%，以提供通常所希望的10至20微米的涂层厚度。

添加到微粒混合料16的FeMo或FeTi粉末中的钼或钛是碳化物形成元素（carbideformers），这些形成元素在第5族金属和铁中具有高的溶解度，并且因此可以增加所形成的涂层到芯钢基底12的界面结合。

在对这个或这些物品10进行处理以形成一个硬涂层14（如以上所述）后，可以将微粒混合料16和这些物品10分离，并且可以将微粒混合料16返回到旋转容器20中重新使用，该旋转容器将在有待涂覆的另外一个或多个物品10存在时再次被加热。微粒混合料16无需在几次重复过程中补充，但是可能包括以下可能性，即：在连续使用的微粒混合料16的大部分（至少50%）可能包含以前已为此目的而使用的材料时对该第5族金属源和/或该催化剂进行补充。由于在单次使用中可能总体上消耗少于2%的第5族金属源，并且由于在该表面处离开该第5族金属而被取代的卤化物回到微粒混合料16与另外的第5族金属结合，该示例性方法可以包括使用同一批微粒用于至少两批的物品10、以及如该设施的经济状况可能要求的另外的批次。总体而言至少五次使用将是相当实用的。优选地，对于任何给定的用途，该第5族金属源中的第5族金属与这些物品的比率将不低于按重量计1:2，并且可以优选地为按重量计1:1至2:1。

然后，可以将包含碳化物涂层14的物品10进行冷却并与微粒混合料16分离。然后，可以在一个后生产步骤中将物品10进行热处理，这是通过使涂覆的物品10经受至少奥氏体化温度而进行的并且以常规的方式淬火使该芯硬化，优选达到Rc44-56的最终芯硬度。然后可以按常规的方式将该物品10抛光。

图3是容器20的一个端截面，展示了在容器20的旋转过程中，优选地在这些挡板32的辅助下，这些成分是如何进行混合的。该微粒混合料16以及有待涂覆的这个或这些物品10在容器20的旋转过程中可能基本上恒定地接触，在该容器中致使该碳化物涂层14在钢链销10的表面上以希望的厚度形成，其中该希望的厚度可能主要取决于物品10在旋转容器20内旋转的时间量。该器皿、曲颈甑、或容器20可以被摇动或以其他方式搅动而不被旋转。

在图4中，示出了一种典型的无声链的一部分，包括多组板片A和B，每个板片具有用于销10的两个洞。在此构型中，具有四个板片的多个平行组A和具有三个板片的多个平行组B可以被成型为用于容纳链轮或者以其他方式啮合一个未示出的力传送装置。取决于该链的设计，板片A或B中的一些可以在这些销10上铰接而其他板片可以被固定到这些板片上以使其不在这些销上旋转。在任一情况下，无论在该板片/销界面是否有铰接，都可能在这些销与这些板片的界面处引起显著的应力和磨损。

根据该示例性方法制造的链销10与更常规的销进行的比较表明，这些销10上的硬涂层当在虎钳中被弯曲时不会从该销10上剥落，而由常规方法制造的销则会剥落。这总体上认为是，当该销10的涂层14可能受到刮擦时，它仍然会比常规的销的涂层更加牢固地附着。如以上所表明，硬涂层的剥落或碎裂对磨损的链部件接触表面会是非常有害的。

本发明的实施方案的以上说明在本质上仅仅是示例性的，并且因此其多种变体不得被认为是脱离了本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种在钢芯上形成碳化物涂层的方法，包括：

提供一种低铬的钢芯；

形成一种微粒混合料，所述微粒混合料包括一种含有第5族金属的第5族金属源、一种卤化物催化剂、以及一种包含钼铁或钛铁中至少一种的粉末，其中所述第5族金属具有不大于41的原子序数；并且所述微粒混合料中的所述粉末与所述第5族金属源的重量比是在0.02至0.04之间；并且

使用所述微粒混合料，通过化学沉积过程在所述钢芯的至少一个表面上形成一个碳化物涂层。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第5族金属源包括钒铁。

3.如权利要求1所述的方法，其中形成一个涂层包括：

将所述微粒混合料和所述钢芯引入一个密封的容器；

将所述密封的容器加热到870至1093摄氏度的温度；

使所述钢芯与所述微粒混合料在所述密封的容器中接触预定的时间段，以在所述钢芯的所述表面上形成具有所希望的厚度的一个碳化物涂层。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述微粒混合料包括一种钼铁和钛铁的混合物，其中所述微粒混合料中的所述混合物与钒铁的重量比是在0.02至0.04之间。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述低铬含量的钢芯的铬含量不超过1.6重量百分比。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

冷却包含所述碳化物涂层的所述钢芯；

将包含所述碳化物涂层的所述钢芯与所述微粒混合料分离；

将包含所述碳化物涂层的所述钢芯加热到至少其奥氏体化温度；并且

将包含所述碳化物涂层的所述钢芯淬火，从而使含有所述碳化物涂层的所述钢芯具有Rc44-56的芯硬度以及至少HV2000的表面硬度。