CN105263664A - 获得机械部件的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过接合第一金属材料(11)和第二金属材料(12)获得机械部件(1)的工艺。该工艺包括：(A)将第一材料(11)和第二材料(12)设置为彼此接触，(B)将金属板材单元(2)固定到第一材料(11)上以至少部分地围绕第二材料(12)且使金属板材单元(2)至少部分地与第二材料(12)接触，其中金属板材单元(2)包括碳，(C)通过扩散焊接接合第一材料(11)和第二材料(12)，并且其中第二材料(12)的碳活性Ca2和金属板材单元(2)的碳活性Cam在接合温度下满足关系式Ca2≤Cam。

Description

获得机械部件的工艺
技术领域
本发明涉及用于获得机械部件的工艺，该机械部件包括至少两个不同的材料。该机械部件例如可为轴承部件，例如滚动轴承的环。
背景技术
现有技术中已经知晓通过扩散焊接来接合两个材料。接合两个材料的一个目的可能是对任何类型的机械部件利用材料的不同特性，机械部件例如为滚动轴承。对于滚动轴承的环，可能有利的是为其上滚动元件滚动的滚道表面采用一种材料，且对环的核心采用另一种材料。一个这样的合成轴承环表示在EP1882109B1中，EP1882109B1包括用于航空动力装置的滚动轴承合成环，其环已经经受了扩散焊接。
发明内容
本发明的目标是为获得机械部件提供一种改进的工艺，这导致改进机械部件的特性。
该目标通过接合第一金属材料和第二金属材料获得机械部件的工艺来实现。
该工艺包括如下的步骤：
使第一材料和第二材料彼此接触，
将金属板材单元固定到第一材料以至少部分地密闭第二材料，并且因此金属板材单元至少部分地与第二材料接触，其中金属板材单元包括碳，
通过扩散焊接接合第一材料和第二材料，并且其中在接合的温度上第二材料Ca2的碳活性和金属板材单元Cam的碳活性满足关系式Ca2≤Cam。发明人认识到，通过使如上在扩散焊接工艺中限定的金属板材单元和第二材料满足上述关系，可实现改进的扩散焊接工艺以及第一材料和第二材料的接合。当金属板材单元和第二材料的碳活性满足关系式Ca2≤Cam时，没有或基本上没有碳从第二材料扩散到金属板材单元。此外，在一个实施例中，在关系式为Ca2＜Cam时，碳将从金属板材单元扩散到第二材料，导致第二材料的碳表面富集。如果不满足关系式Ca2≤Cam，则有碳从第二材料扩散到金属板材单元的明显风险，这是不希望的，并且可能导致第二材料最终表面的性能降低，例如降低表面硬度，并且也降低耐磨性。
碳活性是用于描述本发明的中心术语。碳势可解释为包含活性碳的环境在规定的条件下改变或保持钢的碳水平的能力。在任何特定的环境下，所获得的碳水平取决于如温度、时间和钢成分的因素。碳势因此是例如两个材料之间的碳活性的差别。因此，如果在碳活性上有差别，即在碳势不为零时，碳从一个材料扩散到另一个材料。
在表面富集工艺中，例如类似于钢部件的碳化工艺，炉气中的碳势将驱动碳进入部件的钢表面。当炉气中的碳活性大于钢中的碳活性时，碳被碳势驱动，碳势＝炉气和钢之间的碳活性差。在钢部件中，也可能存在钢部件的表面和本体部分(或内部区域)之间的碳浓度差。如果钢在开始表面富集工艺前是同质的，则碳浓度差可能是扩散工艺的驱动力。在此情况下，碳势或表面和本体部分之间的碳活性差与表面和本体部分之间的碳浓度差成比例。扩散工艺将继续，只要在炉气和表面之间以及在表面和本体部分之间存在势差。材料中的碳扩散，其中微型结构或合金成分变化为距表面深度的函数，用碳活性差来描述。扩散将一直发生，直到碳活性相等。碳扩散的驱动势用碳活性差决定，而不是由材料的碳浓度差决定。如果由两个材料组成的系统没有碳扩散，则这意味着该系统没有碳势。两个材料具有相同的碳活性而没有驱动碳转移的势能。通过本发明人所知的知识，本领域的技术人员可理解，如果第一材料和第二材料在特定的温度下在碳活性上存在差值，则因此对于该两个材料在该特定的温度下具有碳势。
在本发明的实施例中，金属板材单元包围第二材料且产生用于第二材料的密闭空间。在执行扩散焊接工艺时有必要密闭第二材料，并且因此产生用于第二材料的密闭空间。
在本发明的实施例中，扩散焊接通过高温等静压(HIP)进行。高温等静压是接合两个材料的有效方法。在一个实施例中，高温等静压实施在1000-1300摄氏度之间的温度下。在另一个实施例中，高温等静压实施的温度在1050-1250摄氏度之间。在另一个实施例中，高温等静压实施的温度在1100-1200摄氏度。在另一个实施例中，高温等静压实施的温度为1150摄氏度。在另一个实施例中，高温等静压实施1至6小时。在进一步的实施例中，高温等静压实施2至4小时。在另一个实施例中，高温等静压实施的压力为80-130MPa。
在本发明的一个实施例中，第二材料在其接合前为金属粉末的形式。当第二材料为粉末形式时，在其接合前，必须包封该材料且为该材料产生密闭空间。因此，本发明人认识到产生密闭空间的金属板材单元可在接合工艺期间用于执行第二材料的碳表面富集。因此，在已经执行接合工艺后不需要任何随后的表面富集步骤。此外，关系式Ca2≤Cam总是确定没有从第二材料到金属板材单元的实质的扩散发生。
在本发明的一个实施例中，金属板材单元还包括氮。再者，氮可从金属板材单元扩散在第二材料中。在一个实施例中，第二材料的氮活性Ni2和金属板材单元的氮活性Nim满足关系式Ni2≤Nim。氮活性和氮势与上面描述的碳活性和碳势具有相同的定义和关系。在某些情况下，将氮扩散在第二材料中也可能是有利的。
在一个实施例中，机械部件是轴承部件。在进一步的实施例中，轴承部件可为轴承内环、轴承外环或滚子轴承的滚子的任何一个。
在另一个实施例中，机械部件是连铸机的轧制线的辊套。
机械部件可为通过上述任何实施例中的扩散焊接工艺接合的任何部件。
在一个实施例中，第二材料是高性能轴承钢。在进一步实施例中，高性能轴承钢是M50钢。在进一步实施例中，高性能轴承钢是M50NIL钢。在再一个实施例中，高性能轴承钢是传统轴承钢的任何一种，如ISO683-17:1999(E)9-10页上所示。可采用满足轴承部件的钢清洁度和硬度要求的任何其它钢，例如不锈钢工具钢。在进一步实施例中，所用材料是适合于马氏体硬化的N合金不锈钢或具有良好钢清洁度的XD15NW。此外，可采用适合于表面富集和马氏体硬化的不锈钢。然而，本发明不限于这些钢。采用这些类型钢的益处例如是由该材料组成的部分将非常耐磨和耐腐蚀。因此，高质量轴承钢优选设置在轴承部件的高应力区域上，例如，在环的滚道或滚子的滚动表面周围。例如，也可设置在轴承部件的凸缘或任何其它部分或区域，或者凸缘、滚道和滚动表面的组合。在机械部件是辊套的实施例中，第二材料优选设置在外表面或辊套处，在其上容纳板材钢料。在辊套的进一步实施例中，第二材料是在连铸中适合于恶劣环境的高性能钢。
在一个实施例中，第一材料是铸铁、铸钢、热轧钢或冷轧钢的任何一个。
在一个实施例中，金属板材单元已经通过焊接固定到第一材料。这将导致金属板到第一材料的可靠固定，并且也导致用于第二材料的密封的密闭空间，这对扩散焊接工艺是必要的，尤其是该工艺为高温等静压时。
附图说明
现在将参考附图更加详细地描述本发明的示范性实施例，其中：
图1示出了根据本发明实施例的机械部件的截面图。
图2示出了根据本发明的工艺的实施例的流程图。
附图示出了本发明的示意的示范性实施例，并且因此没有按比例绘制。应理解所示和所描述的实施例是示范性的且本发明不限于这些实施例。还应注意，为了更好地描述和图示本发明，图中的某些细节可能被夸大。
具体实施方式
图1示出了机械部件的截面图，在该图示中机械部件是轴承部件1。轴承部件1包括通过扩散焊接接合的第一金属材料11和第二金属材料12。扩散焊接导致第一材料11和第二材料12彼此扩散，导致两个材料11和12之间的牢固连接。关于扩散焊接工艺，金属板材单元2已经固定到第一材料11，在该实施例中，固定到轴承部件1的核心或本体。轴承部件1在该实施例中是轴承的内环，其中第二材料12至少部分地旨在为内环上的滚道，滚动元件将在其上滚动。此外，轴承部件包括其中可配合轴(未示出)的通孔3。金属板材单元2旨在为第二材料12在扩散焊接工艺期间产生密闭空间，扩散焊接工艺可通过高温等静压进行。高温等静压要求产生密闭空间，尤其是在第二材料12在接合前为粉末形式时。金属板材单元2在该实施例中通过两个凸缘13和14固定到第一材料11。两个凸缘13和14也产生凹槽15用于第二材料12。这对于为第二材料和高温等静压工艺产生密闭空间是有利的设计。此外，该设计允许第二材料12仅呈现在需要它的位置，即在滚动接触表面(滚道)处。第二材料12可为高性能轴承钢，例如M50或M50Nil。钢12可为任何的耐磨损钢、耐腐蚀钢或任何适当的金属材料，取决于机械部件在其应用上的要求。第二材料12的碳活性Ca2和金属板材单元2的碳活性Cam在接合温度上满足关系式Ca2≤Cam。这导致没有或基本上没有碳从第二材料12扩散到金属板材单元2。如上所述，如果在扩散焊接工艺期间碳从第二材料12扩散到金属板材单元2，例如通过高温等静压，则对第二材料12是不利的。由于诸如滚动轴承部件的耐磨损等，在对第二材料12有很高要求时尤其是这样。此外，如果金属板中的碳活性在接合温度下高于第二材料，则碳扩散在第二材料12中。这将导致表面碳富集，可能导致第二材料12的外表面增加硬度和耐磨性。诸如氮的其它元素也可在扩散焊接工艺期间从金属板材单元2扩散在第二材料12中，取决于最终机械部件1所需的特性。
图2是示出根据本发明实施例的工艺流程图的图示。在步骤A中，第一材料11和第二材料12设置为彼此接触。在步骤B中，金属板材单元2固定到第一材料11上以围绕第二材料12且因此金属板材单元2至少部分地与第二材料12接触。金属板材单元2还包括碳。在步骤C中，第一材料11和第二材料12通过扩散焊接，例如高温等静压接合。此外，第二材料12的碳活性Ca2和金属板材单元2的碳活性Cam在接合温度下满足关系式Ca2≤Cam。

Claims (11)

1.一种通过接合第一金属材料(11)和第二金属材料(12)获得机械部件(1)的工艺，该工艺包括：
(A)将第一材料(11)和第二材料(12)设置为彼此接触，
(B)将金属板材单元(2)固定到该第一材料(11)上以至少部分地围绕该第二材料(12)且使该金属板材单元(2)至少部分地与该第二材料(12)接触，其中该金属板材单元(2)包括碳，
(C)通过扩散焊接接合该第一材料(11)和该第二材料(12)，并且
其中该第二材料(12)的碳活性Ca2和该金属板材单元(2)的碳活性Cam在接合温度下满足关系式Ca2≤Cam。
2.根据权利要求1所述的工艺，
其中该金属板材单元(2)围绕该第二材料(12)且产生用于该第二材料(12)的密闭空间。
3.根据前述权利要求任何一项所述的工艺，
其中该第二材料(12)在其接合前是金属粉末的形式。
4.根据前述权利要求任何一项所述的工艺，
其中该第二材料(12)的该碳活性Ca2和该金属板材单元(2)的该碳活性Cam在接合温度下满足关系式Ca2＜Cam。
5.根据前述权利要求任何一项所述的工艺，
其中该金属板材单元(2)还包括氮。
6.根据前述权利要求任何一项所述的工艺，
其中该第二材料(12)是高性能轴承钢。
7.根据权利要求6所述的工艺，
其中该高性能轴承钢是以下任何一种：
M50、
M50NIL、
XD15NW、
如ISO683-17:1999(E)9-10页所示的轴承钢、
不锈钢工具钢、
适合于马氏体硬化的不锈钢、
适合于马氏体硬化的N合金不锈钢、或
适合于表面富集和马氏体硬化的不锈钢。
8.根据前述权利要求任何一项所述的工艺，
其中该第一材料(11)是以下任何一种：
铸铁、
铸钢、
热轧钢、或
冷轧钢。
9.根据前述权利要求任何一项所述的工艺，
其中该机械部件(10)是轴承部件。
10.根据权利要求9所述的工艺，
其中该轴承部件(1)是以下任何一种：
轴承的内环、
轴承的外环、或
滚子轴承的滚子。
11.根据前述权利要求任何一项所述的工艺，
其中该扩散焊接通过高温等静压(HIP)进行。
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