CN103732795A - 用于提高发蓝层抵抗能力的方法和带有发蓝层的构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于提高构件(160)的发蓝层的抵抗能力的方法，该方法包括制备带有发蓝层的构件(160)和将带有发蓝层的构件(160)全部或部分浸入到含有重铬酸钾的溶液中。由此可以实现构件(160)的发蓝层针对化学和/或机械负荷的抵抗能力的提高。

Description

用于提高发蓝层抵抗能力的方法和带有发蓝层的构件
实施例涉及一种用于提高发蓝层抵抗能力的方法和一种带有发蓝层的构件，例如高负荷机器如风力发电设备的构件。
发蓝工艺和由此得到的发蓝层被广泛应用在机器制造、设备制造和工具制造领域以及其它基于不同目的的技术领域中。除了能够相对简单且成本低廉地使构件全部或部分变色(例如在武器技术范围内进行发蓝)之外，发蓝层或者说发蓝的构件相对于未处理过的构件还具有更好的防止摩擦和/或化学侵蚀的抵抗性能。这样，发蓝层通常具有更好的抗弯或者耐磨损强度，并且可以耐受200℃以上的温度。大多出于这种原因将发蓝的构件和发蓝层应用在机器制造、设备制造和工具制造中。
然而在具有相关构件的机器的运行过程中，发蓝层和被发蓝的构件仅具有有限的防止磨损、磨损-化学侵蚀和化学侵蚀的耐受性能。
相应的侵蚀可以例如是由酸引起的，所述酸例如可能在润滑剂老化或润滑油被污染的情况下产生。然而发蓝的构件及其发蓝层也仅针对摩擦或磨损机械的和复合载荷具有有限的耐受性能。
抵抗这些侵蚀的抵抗性能的提高通常是通过提高发蓝层的层厚或者通过根据德国DIN标准50938的多溶池发蓝法(Mehrbad-Brünierung)实现的。然而这些方法的使用同样在其技术和其环保方面具有局限性。对相关发蓝层的耐受性能的提高是有限的。
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提高构件的发蓝层的耐受性能或者说抵抗性能。
所述技术问题通过根据权利要求1所述的用于提高构件的发蓝层的抵抗能力的方法的实施例、根据权利要求9的实施例的带有发蓝层的构件或者根据权利要求10的实施例的带有发蓝层的构件解决。
用于提高构件的发蓝层的抵抗能力的方法的实施例包括制备带有发蓝层的构件和将带有发蓝层的构件全部或部分浸入含有重铬酸钾的溶液中。在部分浸入时，所述构件可以在含有重铬酸钾的溶液中这样运动，从而使整个发蓝层被处理。
带有发蓝层的构件的实施例可以这样通过根据一种实施例的方法制造或者处理。
根据一种实施例的带有发蓝层的构件是由含有铁的材料制成的，其中，所述发蓝层至少部分有开孔，且不具有涂油层。换言之，所述发蓝层未被涂油。发蓝层包括重铬酸钾溶液的残留物和/或重铬酸钾溶液与构件的发蓝层或者材料的反应产物。
实施例基于这样的构思，即构件的发蓝层的抵抗能力或者说耐受性能可以通过将发蓝层浸入重铬酸钾溶液中而得到提高。通过方法的实施例的应用，可以这样显著提高发蓝层针对酸侵蚀的抵抗能力。同样还可以期待对于摩擦机械载荷也取得相应的成功。
在方法的一种实施例中，所述溶液具有15℃至100℃之间、尤其是70℃至90℃之间的温度。因此，在室温范围内和在之前提到的更高的温度范围内的温度产生了值得注目的结果，其中，例如根据所述方法的一种实施例在约为80℃的温度下浸入溶液中的样品显示出极好的结果，其中，抵抗草酸的耐受性显著提高。
尤其在75℃至85℃之间的温度范围内，在必要情况下可以这样达到在技术上可极好利用的抵抗能力的提高，与此同时可降低用于加热溶液和构件的能耗。
在用于提高发蓝层的抵抗能力的方法的一种实施例中，所述构件可以在一段时间间隔(浸入时长)内浸入到溶液中，所述时间间隔在5min至120min之间、尤其在10min至75min之间。这样，例如实验显示，尤其在溶液温度为70℃至90℃之间或者在75℃至85℃之间的情况下，当加工时长为10min至20min之间时就已经可以实现发蓝层抵抗能力的显著提高。换言之，在必要情况下，通过提升溶液温度可以基于可能缩短构件浸入溶液的时间间隔来提高该方法的产量。
在所述方法的一种实施例中，所述溶液是水溶液。重铬酸钾在水中具有良好的溶解性，而在其它溶剂中则几乎不溶解。
在这种实施例中，所述溶液可以含有10g/l至150g/l的重铬酸钾。根据溶液温度的不同而可以存在不同的溶解度(例如在20℃条件下约为120g/l)。这在必要情况下实现了在重铬酸钾的用量与方法耗时之间的折中，所述方法耗时本身主要是由之前提到的构件浸入溶液中的时间间隔(浸入时长)决定的。因此，可以针对方法实施例的某一具体实施中的特殊要求实现折中，并且在必要时甚至可以针对边界条件对折中进行优化。
此外，方法的实施例还可以包括，如果构件之前进行了防腐处理，则在浸入溶液中之前将防腐剂从构件上去除。补充地或可选地，实施例同样还可以包括在浸入溶液中之前将构件去油和/或清洁。由此在必要情况下可以改善溶液与构件或者说与发蓝层的接触，这可以进一步对之前提到的时间间隔发挥有利的作用。换言之，由此可以在必要情况下消除或降低溶液与发蓝层的空间间隔。
在方法的一种实施例中，构件仅部分浸入到溶液中，构件的部分浸入过程可以包括构件这样在溶液中的运动，从而使发蓝层的至少一个区段被溶液处理，所述至少一个区段在不进行所述运动的情况下不会被处理。这样，在一种实施例中，发蓝层可以全部浸入到溶液中。由此，借助一种实施例也可以处理那些比盛有溶液的槽或容器还大的构件。这样，所述构件的运动可以包括例如构件的转动和/或移动。同样可以包括将构件从槽中移出。在此，所述运动可以是连续进行的或至少具有一个时间周期，在该时间周期内构件不被移动。
方法的一种实施例还可以包括在将构件浸入到溶液中之后对构件进行冲洗和/或在将构件浸入到溶液中之后对构件进行干燥。
在方法的一种实施例中，构件的制备包括制备由含有铁、尤其是钢(例如滚动轴承钢)的材料制成的构件。
在此，形式为带有发蓝层的构件的实施例基于以下认识，即，在必要情况下，通过应用用于提高发蓝层抵抗能力的方法的实施例，可以省去对发蓝层的进一步再处理，从而使发蓝层至少部分有开孔并且例如没有被涂油，即不具有涂油层。由此，在必要情况下可以对构件的制备、构件在复杂组件或机器中的集成进行简化，和/或对这种机器的运行产生有利的影响。这样，在必要情况下可以省去对发蓝层附加的再处理，在所述再处理中润滑剂、润滑材料、油脂、油或者必须在集成到组件或机器中之前被去除的其它材料可能保留在发蓝层上。在必要情况下，同样还可以在组件或机器运行过程中减少或完全省去对于相关物质的跟踪(Nachführen)。
以下根据附图对实施例进行阐述。在附图中：
图1示出剖切带有多个构件的圆柱滚子轴承得到的横截面示意图，所述构件可以根据实施例进行设计；并且
图2示出多个样品的发蓝层针对10%草酸的作用的抵抗能力的提高。草酸测试是根据德国DIN标准50938的发蓝层质量检测的一部分。
在本说明书的范围内，物体、结构或其它部件(当相关的部件本身或者相应的多个部件在一个或多个实施例中被描述时)使用概括的附图标记。因此，只要未被明确排除或者可由上下文得出，与某个部件相关的说明书段落也可以应用到其它实施例中的其它部件上。如果标注单独的部件，则使用基于相应的概括附图标记的单独附图标记。因此，在以下对实施方式的描述中，相同的附图标记表示相同或类似的部件。在此，在一个实施例或多个不同实施例中多次出现的部件可以在其某些技术参数方面设计或实施为相同的和/或不同的。这样，例如可能的是，在一个实施例中的多个实体在某个参数上可以设计为相同的，而在其它参数上可以设计为不同的。
图1示出了圆柱滚子轴承100，其带有外圈110、内圈120和多个圆柱形滚动体，为了简化视图，在图1中仅示出了所述滚动体中的一个滚动体130。图1在此示出了剖切圆柱滚子轴承100得到的横截面的一半，所述横截面的一半位于对称线140的上方。然而所述圆柱滚子轴承100设计为关于对称线140基本上是旋转对称的。滚动体130通过滚动体保持架150被保持或引导。
外圈110、内圈120以及滚动体130可以分别可选地设计为根据实施例的构件160-1、160-2、160-3。这样，这些构件可以例如至少在它们分别与其它构件形成接触的区域中被发蓝、也即具有发蓝层。
在外圈110被设计为构件160-1的情况下，该构件可以至少在其滚动面170的区域中具有相应的发蓝层。同理，这也同样适用于内圈120(构件160-2)在其滚动面180的区域以及滚动体130(构件160-3)在其接触面190的区域中的情形，滚动体利用所述接触面与外圈110和内圈120在圆柱滚子轴承110的运行过程中形成接触、即在外圈和内圈上滚动。在此，在理想条件下是滚动接触，然而不能在所有运行条件下对所有集成有圆柱滚子轴承100的机器或组件都确保这种滚动接触。
只要外圈110、内圈120和/或滚动体130被设计为根据实施例的构件160或者借助于根据实施例的方法被再处理，就可以由例如钢、尤其由滚动轴承钢制成，然而也可以由其它含铁材料制成。所述外圈、内圈和/或滚动体至少在之前所述的区域中被发蓝，其中，对此相关构件160在必要情况下存在的其它区域被适宜的遮盖层覆盖。
为了进行发蓝可使用多种不同的发蓝技术和发蓝方法，当今也通常采用化学热发蓝法。在此，待发蓝的构件160通过浸入法被处理，其中，构件中的铁通过化学反应转化为氧化铁(呈FeO/Fe2O3混合物氧化物形式或Fe3O4(磁铁)形式)。发蓝层由此表现为防腐层，基本上是在相关构件的金属表面上的非金属无机层。相关发蓝层的层厚可以在此例如通过方法的类型、然而也可以通过工艺参数来控制。这主要包括浸入时长和发蓝溶液(Brünierbad)的组成。
通常的层厚在数百纳米的范围内，也就是说例如在约0.2μm至约1μm的范围内。然而发蓝层同样可以被制备成具有高达2.5μm的层厚。在根据实施例的构件中，通常可以为基础发蓝层选择较薄的层厚，因为该发蓝层通过再处理会在其抵抗能力方面得到提高。这样，通常带有最高1.5μm、最高1.0μm、最高800nm或最高500nm的厚度的发蓝层在很多应用中就已经足够了。
在热发蓝中，相关构件160通过一步法或多步法被浸入到温度约在135℃至145℃范围内的碱性盐溶液中，这例如在德国DIN标准50938:2000中进行了定义。为此，所述构件表面的铁(Fe)转化为之前所提到的氧化物、尤其是磁铁(Fe3O4)，所述磁铁也称为铁的黑色氧化物。在此，磁铁具有与金属铁大约相当的体积。发蓝溶液可以例如以硝酸钾(KNO3)和氢氧化钠(NaOH)为基础，然而也能以其它化学成分为基础而形成。
这样，可以在热发蓝中采用单池-、双池-和三池-发蓝工艺，其中，被处理的构件频繁地在水中被中间清洗，并且池温度分别被逐级提高约5℃。通过这种在反应动力学上的控制可以有针对性地调整发蓝层的性质。在热发蓝中，在发蓝溶液中的浸入时长通常约为每池5min至20min，并且取决于构件的特性以及发蓝溶液的浓度和温度。
然而还可以借助其它方法、比如所谓的冷发蓝法为构件至少部分地涂覆相应的发蓝层。
应用用于提高构件160的(例如外圈110、内圈120或者一个或多个滚动体130的)发蓝层的抵抗能力的方法的实施例，可以使发蓝层针对在(之后包括相关构件的)机器运行过程中的磨损和/或化学侵蚀的有限耐受性能得到改善。化学侵蚀可能是通过例如酸引起的，所述酸由于润滑剂的老化或者润滑剂油的污染而形成。
此外在必要情况下，应用方法的实施例还可以提高针对摩擦机械的和/或复合载荷的抵抗能力。例如当在滚动接触中可能导致更大摩擦机械载荷的混合摩擦时，对于构件160同样可以有利地使用方法的实施例。
这样，例如在混合摩擦区域中具有较高材料载荷的情况下，可以在接近表面的区域中形成环形弹性-塑性变形，所述变形伴随着微裂纹的形成。这种作为“灰点”已知的疲劳磨损现象(该现象作为磨损滚动疲劳随着振动裂纹腐蚀机理而产生)可能会导致更深的裂缝，并且进而导致在相关构件160上更大面积的断裂，或形成扩大成片的材料脱落。例如当在必要情况下，在两个构件的高载荷接触中存在较大滑动速度和/或很小的润滑剂厚度时，就可能出现灰点。这可以例如通过高负荷、低转速、高润滑剂温度、不合理的几何形状、不合理的表面特性或其它不合理的润滑剂特性产生或引发。
实施例能够实现的是，在必要情况下通过以下方式改善发蓝层针对上述载荷的本身有限的抵抗能力，即发蓝层或被发蓝的构件160接受化学再处理。在此，创新之处在于，在温度约为15℃至100℃之间、也即例如在室温或优选在温度更高的条件下将被发蓝的构件160浸入到重铬酸钾溶液(K2Cr2O7)中进行化学再处理，其中，温度约为80℃(例如温度为75℃至85℃之间)时在针对化学腐蚀的耐受性范围内显示出极好的结果。因此通过应用根据实施例的方法，可以显著提高发蓝层针对例如酸腐蚀的抵抗能力。
然而针对之前所述的磨损-机械载荷也可以取得相应的成功，比如在之前所述的滚动接触中的混合摩擦和由此可能随之产生的灰点的情况下。为此在试验台上进行了试验。
在根据实施例的再处理方法中，未经防腐处理的构件160在发蓝之后被置入重铬酸钾溶液(K2Cr2O7)中例如15min至60min。要是构件160已经经过中间防腐处理，则在此合理的是，事先利用溶剂、溶剂混合物或其它物质、物质混合物或其它方法去除防腐剂。在必要情况下同样合理的是，在构件160未经防腐处理的情况下，在浸入重铬酸钾溶液中之前对相关构件进行去脂和/或其它清洁。
如前所述，在制备带有发蓝层的构件之后将构件浸入的溶液包含重铬酸钾。除了之前所述的温度(室温和约80℃)，溶液还可以在所述方法的其它实施例中具有其它温度，例如在约为15℃至约100℃之间的范围内。所述溶液尤其还可以具有70℃至90℃之间或者75℃至85℃之间的温度。根据温度的不同、力求的抵抗能力提高程度的不同和其它技术和环境边界条件的不同，相关构件160可以浸入溶液中达一定的时间间隔(浸入时长)，该时间间隔通常为5min至90min，尤其为10min至70min。在此，在必要情况下当采用更高的溶液温度时可以缩短时间间隔。
溶液通常采用水溶液，因为重铬酸钾在水中具有良好的溶解度。溶液可以例如具有10g/l至150g/l的重铬酸钾。对此要注意的是，溶解度可以是随温度变化的，因此在必要情况下在更高的温度下能得到更高的溶解度，并且进而得到更高的浓度。
在构件较大的情况下，在必要情况下将构件部分浸入到溶液中是有意义的。由此可以为根据一种实施例的处理过程使用更小的槽或容器，这除了能降低物流方面的耗费还能降低由溶液成分造成的潜在风险。为了尽管如此还能实现构件160的发蓝层与溶液的充分接触，建议使构件在浸入溶液的过程中运动。这可以例如机械化地、例如通过工业机器人进行，在构件较小时在必要情况下也可以通过利用相应的(保护)工具“手动”进行。
所述运动在此可以是转动或旋转，然而还可以包括构件的平移运动。根据按照实施例的方法的具体实施的不同，所述运动可以是连续的，或者包括至少一个构件不运动的时间周期。这样可以将构件例如以发蓝层的第一区段(该区段例如包括发蓝层的一半多)浸入到溶液中达预计的浸入时长，之后构件翻转或这样移动，从而使第二区段(该区段至少包括发蓝层迄今未被处理的区域)也浸入到溶池中达所述预计的浸入时长或者不同的时间间隔。可选地或可补充地，所述构件也可以在溶池中连续转动，只要所有待处理的区段在溶液中至少保持了其预期的浸入时长。
因此构件例如可以在溶池中被处理，溶池的高度不超过构件的高度。如果想转动一次就完成对整个构件的处理，则构件浸入之后溶液的高度应高于构件的一半。这样，即使在必要情况下对构件的中间区域进行多次处理，然而构件的所有区段都浸入在溶池中达到至少其相应的浸入时长。
可选地，构件在浸入溶液中之后可借助在水或其它溶液中冲洗而被清洁。该冲洗处理可以在室温或甚至在更高的温度、例如在30℃至80℃下进行。可选地，还可以补充或可选地进行对构件160的干燥，例如通过将构件160置入烘箱中或借助热空气进行干燥。在此，可以采用高于100℃的温度，用以在必要情况下加快干燥。然而当然也可以采用较低的温度、例如室温。
尽管目前结合图1将外圈110、内圈120和滚动体130描述为可能的构件160，但原则上所有被发蓝、且可能例如在运行过程和/或其存放期间受到化学的、磨损-化学侵蚀或磨损-机械侵蚀的构件都可以借助方法的实施例在其抵抗能力方面得到改善。所述构件也包括滚动轴承的其它实施方式、滚动轴承部件(例如轴承架)、齿轮或其它机械部件、甚至其它构件、例如相应组件或机器的壳体。
根据实施例的构件160例如应用在高负荷和/或大型机器和设备的领域中，其中除了风力发电设备(在风电设备中通常要对大量滚动轴承部件进行发蓝)还包括地下水利设备、建筑机械、发电设备、各种工业动力设备和其它机器和设备。
此外，发蓝层的质量是根据德国DIN标准50938通过用草酸(C2H2O4)确定防护值来研究的。按照这一测试的规定，当10%的草酸(C2H2O4)在室温下作用于发蓝层之后，在借助用于提高构件发蓝层的抵抗能力的方法实施例处理过的不同样品与未经根据实施例的方法处理的样品之间显示出明显的差别。
因此，图2针对五个不同样品S1、S2、S3、S4、S5包括特例S1(S1未经根据实施例的化学再处理)以小时示出了可观察到侵蚀开始(被填涂的条形)以及此后出现发蓝层的完全脱落(被涂阴影线的条形)所经过的时长t。所述时长也被称为耐受时间。仅对于对照样品S1来说(对其没有进行根据实施例的方法的再处理)，在图2中没有示出可观察到侵蚀开始的时间间隔，因为这种侵蚀直接就可以观察到。
在没有经过根据实施例的化学再处理的情况下，样品S1的发蓝层在草酸的作用下在30min之后就已经完全脱落。如图2所示，使用根据实施例的新方法明显改善了这一结果。在借助重铬酸钾溶液在室温下以15min的浸入时长对构件(样品S2)的处理就已经将能观察到侵蚀的耐受时间提高至2h。对该样品S2来说，发蓝层直到4h之后才完全脱落。构件(样品S3)在室温下浸入到重铬酸钾溶液中达60min的时长，在此情况下直到4h之后才观察到侵蚀开始，其中，发蓝层直到6h之后才完全脱落。
样品S4和S5分别在80℃被浸入到重铬酸钾溶液中，在此情况下，在6h之后既没有看到侵蚀开始也没有观察到发蓝层完全脱落。换言之，在草酸在室温下对在80℃的热重铬酸钾溶液中处理过的样品(样品S4和S5)作用6h之后仍未看到对发蓝层(表层)的化学侵蚀。样品S4和S5的不同之处仅在于，样品S4在80℃被浸入到重铬酸钾溶液中15min，而样品S5在80℃被浸入到重铬酸钾溶液中60min。
带有发蓝层的构件160借助于方法形式的实施例被再处理，在此，所述构件可能在发蓝层区域内具有重铬酸钾溶液的残留物和/或重铬酸钾溶液与构件材料或构件的发蓝层的反应产物。必要情况下可以借助层分析证实这些残留物和反应产物。这样，在此可以在必要情况下例如在发蓝层区域内证明具有不同的含铬化合物。
在本说明书、附图以及权利要求中公开的本发明特征单独地或者以任意组合均对在不同实施形式中实现实施例是重要的，并且可以在不脱离说明书记载内容的情况下任意相互组合。
附图标记清单
100  圆柱滚子轴承
110  外圈
120  内圈
130  滚动体
140  对称线
150  滚动体保持架
160  构件
170  滚动面
180  滚动面
190  接触面

Claims (10)

1.一种用于提高构件(160)的发蓝层的抵抗能力的方法，该方法包括：
制备带有发蓝层的构件(160)；和
将带有发蓝层的构件(160)全部或部分浸入到含有重铬酸钾的溶液中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述溶液具有15℃至100℃之间、尤其是70℃至90℃之间的温度。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述构件(160)浸入到溶液中达一定时间间隔，所述时间间隔在5min至120min之间、尤其在10min至75min之间。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述溶液是水溶液。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述溶液含有10g/l至150g/l之间的重铬酸钾。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括，如果构件(160)事先被进行了防腐处理，则在浸入溶液中之前将防腐剂从构件(160)上去除，和/或包括在浸入溶液中之前对构件(160)进行去脂，和/或包括在浸入溶液中之前对构件(160)进行清洁。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述构件(160)仅部分浸入到溶液中，其中，所述构件(160)的部分浸入过程包括构件(160)在溶液中这样的运动，即，使得发蓝层的至少一个区段被溶液处理，所述至少一个区段在不进行所述运动的情况下不会被处理。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述构件(160)的制备包括制备由含铁、尤其含钢、例如含滚动轴承钢的材料制成的构件(160)。
9.一种带有发蓝层的构件(160)，所述发蓝层通过根据上述权利要求中任一项所述的方法进行处理。
10.一种带有发蓝层的构件(160)，所述构件由含铁材料制成，其中，所述发蓝层至少部分有开孔并且不具有涂油层，并且其中，所述发蓝层具有重铬酸钾溶液的残留物和/或重铬酸钾溶液与构件(160)的材料或构件(160)的发蓝层的反应产物。
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