CN105659010A - 表面具有莱氏体金相组织的滑环 - Google Patents

表面具有莱氏体金相组织的滑环 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种滑环，包括由灰口铸铁构成的主体(2)，功能表面(4)的至少一部分区域(6)在表面具有莱氏体金相组织。本发明还涉及一种生产滑环的方法，包括制造由灰口铸铁构成的主体(2)，通过用高能辐射照射加热滑环的功能表面(4)，其中，实施照射使得被照射的表面的至少一部分重熔，选择照射的参数使得功能表面的至少部分区域(6)在冷却后具有莱氏体金相组织。

Description

表面具有莱氏体金相组织的滑环
技术领域
本发明涉及具有莱氏体金相组织的功能表面的滑环，以及制造该滑环的方法。
背景技术
由于要求耐磨性，金属滑动密封环通常由尽可能硬和耐磨的材料制成。这包括，例如，具有高铬含量的莱氏体冷硬铸铁或铸钢。这些材料通常具有高硬度(50-64洛氏硬度)以及对磨损有非常好的耐磨性。然而，这里的一个缺点是该材料的铸造和后续的机械加工只有以巨大的努力和高成本才可能。此外，这些材料是非常脆的，从而导致在冲击载荷下断裂。另外，热传导率通常较低。
在铸铁的生产中，可分为灰口和白口铸铁。当液态铸铁在热力学平衡中凝固，这称为稳定的凝固。然后金相组织(microstructure)主要包括铁和游离石墨，被指定为灰口铸铁。然而，当系统在亚稳定平衡中凝固，生成了铁和碳化铁(白口铸铁)的所谓的莱氏体金相组织。
因此，尽可能寻求生产具有耐磨表面的滑环的方法，不管如何，这具有成本效益和简化生产。
发明内容
根据本发明，灰口铸铁的滑环被处理使得功能表面的金相组织与剩余的金相组织不同。为此，滑环的表面用高能辐射处理，使得表面的至少一部分区域重熔，并在部件冷却时莱氏体金相组织形成在表面上，在其上全部的碳基本上转化为碳化铁。莱氏体金相组织比原来的灰口铸铁显出更大的硬度和耐磨性。优选具有马氏体金相组织(硬化金相组织)和游离石墨的过渡区域在基体材料的方向上与莱氏体金相组织邻接。高能辐射可以是，例如，激光束或电子束或电弧焊的电弧、等离子焊或钨惰性气体焊。
在示例实施例中，具有莱氏体金相组织的部分区域和具有硬化金相组织的其他部分区域的图案可以产生在功能表面上。因此，具有游离石墨的区域与无游离石墨的区域交替，其中，石墨可以改善润滑特性。硬化金相组织可以包括马氏体和/或贝氏体金相组织。
取决于实施例，莱氏体金相组织可以出现在功能表面上，达到1.5mm的深度。此处的功能表面可以是，例如，滑环的滑动表面和/或弹性体接触面，或其他另一部件的接触面。在示例实施例中，此外，功能表面的表面可以具有凹陷和/或孔结构。
此外，提出了一种用于生产滑环的方法，包括由灰口铸铁制造滑环；通过用高能辐射照射加热功能表面；实施照射使得被照射的表面的至少一部分重熔；选择照射的参数使得功能表面的至少一部分在冷却后具有莱氏体金相组织。
优选地，实施重熔使得具有马氏体金相组织的过渡区域产生在莱氏体金相组织和灰口铸铁之间。重熔区域的冷却可以仅通过例如自淬火来实现。
在示例实施例中，照射可以包括下述方法之一：用激光束或电子束、电弧焊、等离子焊、钨惰性气体焊等照射。
取决于实施例，在由灰口铸铁制造滑环过程中，至少一选自钒、铬、钨、钼和硅中的碳化物形成元素添加到铸铁材料中。
可选地，实施照射使得表面的局部的重熔的部分区域和非重熔的部分区域形成不同金相组织的预设图案。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1示出了根据本发明的具有不同金相组织区域的滑环的截面图；
图2示出了作为概述的不同图案，其可以出现在根据本发明的滑环的重熔区域。
具体实施方式
在图1中示出了一示例滑环的截面，根据本发明其具有功能表面。在该例子中，功能表面是滑环的滑动表面4，其在运行时紧靠并在相对面上滑动。在另一示例中，根据本发明，额外的或可替代的功能表面也可以存在，例如弹性体和滑环之间的接触表面。滑环的基体材料2可以是，例如，灰口铸铁，例如具有层状石墨(EN-GJL)、蠕状石墨(EN-GJV)或球状石墨(EN-GJS)的铸铁。
在功能表面4上，重熔区域6可以在截面中看到，例如，其可以垂直该表面延伸大约1.5毫米的深度。在该区域，基体材料2是由高能辐射重熔，例如激光束。在接近表面的区域的该区域6的重熔和随后通过在加热边缘区域和邻接材料体积之间的快速温度均衡的自淬火，导致在该区域6中的莱氏体金相组织的形成。在这里，因此，随后的铁和铁碳化物的亚稳态金相组织出现，其基本上分别不含游离碳或石墨。
替代激光束，该表面也可以分别由其他高能量辐射或热效应进行处理。例如，以类似的方式，可以用电子束。其他可能的在表面上生成莱氏体金相组织的方法是电弧焊的方法，如钨惰性气体焊(TIG)和等离子焊。专业人员可以理解的是，其他等效的方法也可以使用，其可以在短时间内在表面局部地形成重熔。
如果，在一示例实施例中，激光束被用作能量源，例如可以使用3到8毫米之间的波束宽度。用1到4.5千瓦输出的非脉冲激光束，然后例如表面以0.5到2米每分钟的进给速度进行处理,以使相应的区域熔化并由自淬火再次冷却，如以上所述。类似的，但当然，其他参数、其他输出、脉冲激光辐射和/或其他方法也是可能的，从而在表面上导致所描述的重熔并产生莱氏体金相组织。
朝横截面的部件的中心的方向与重熔区域6邻接的有一个过渡区域8，其类似的以不同的方式相对于剩余材料2示出-通过虚线。过渡区域8没有重熔，但仅示出一硬化金相组织，其受热的影响而改变，例如主要是具有石墨的马氏体金相组织。邻接硬化区域或过渡区域8的是基体金相组织2，即，原来的灰口铸铁。取决于重熔的工艺和基体材料，还可能出现图1所示的这三个区域6、8、2之外的，例如具有马氏体和贝氏体的不同区域。
特别是，用激光束或其他强烈聚焦照射的处理使得重熔只有表面上明确界定的区域成为可能。因此，整个功能表面可以表面地重熔为莱氏体金相组织6，例如滑环的整个滑动表面。然而，类似的，也可以只有这些表面的一部分可以重熔，例如以规则图案或更大区域。非重熔区域可以仍然保持未经处理或仅硬化，而无重熔。以这种方式，例如，区域可以处理成部分纯莱氏体金相组织，没有游离碳存在，邻接只具有硬化金相组织，但仍然具有石墨形式的游离碳存在的区域。具有石墨的区域可以带来改善的热传导率；此外，运行特性可以由此改善。重熔区域的表面质量可以位于，例如表面粗糙度Rz小于20微米。
在另一实施例中，游离石墨的残留量也可以出现在莱氏体金相组织区域。
此外，碳化物形成元素也已经加入到基体材料中的灰口铸铁中。这样的碳化物形成元素，例如，铬、钒、硅、钼或钨。然后，在重熔过程中，进一步的，碳会另外产生碳化铁，例如三碳化二铬、碳化硅、碳化钒或碳化钨，其以进一步主动的方式影响表面的硬度特性。例如，按重量计钼高达17％，按重量计优选0.5-5％，按重量计硅高达4.5％,按重量计钨高达5％，按重量计优选0.3-1.5％,按重量计钒高达2％，和/或按重量计铬高达30％，可以包含在基体材料中。一个或多个不同的碳化物形成元素可以按任一期望的适宜的组合包含在材料中。同样地，自润滑物质可以提供在基体材料中，例如石墨、六方碳化硼、二硫化钼或其他适宜物质。这里，单独的物质或组合也可以因此而被引入。
额外地或可选择地，包含在基体材料中的碳化物形成元素，适合的碳化物和/或其他粒子，例如命名为(或类似)自润滑物质，可以另外通过在重熔过程中直接分散引入到熔体中。
图2示出了例如通过激光束的方式在功能表面4(滑动表面)的区域的表面产生的不同图案。因此，点、三角形或菱形图案可能出现。同样地，较宽或较薄的线性图案可以产生，其中，线可以在圆周方向上对齐或横向和/或倾斜朝向圆周方向。可以布置蜿蜒线或交叉线。这里，图2中的图案示例的黑色区域可以，在一个示例实施例中，表示具有莱氏体金相组织6的重熔区域，而其余的白色区域示出了非重熔的，只具有石墨的硬化区域。然而，类似的，金相组织分布也可以颠倒，白色区域可以通过激光重熔为莱氏体金相组织。通过聚焦的激光束或类似方法，非常准确的局部照射和加热是可能的。当然，不同的图案也可以与其他期望的图案合并，例如取决于各功能表面的实际期望的载荷。此外，以这种方式，图案也可以具有不同高度的区域，因此例如硬化的金相组织进一步最低限度的突出或低于莱氏体金相组织。表面的摩擦特性取决于图案，其存在并由此有针对性地进行调整。
在功能表面的区域中的定向重熔使它成为可能，此外，离开运行表面或滑动表面和腹板之间的尖锐边缘，以使分别在硬化或重熔之后该边缘没有进一步的处理是必要的。这也适合其他的环或环形区域；在较软的灰口铸铁上，必要的处理步骤可以在重熔之前进行，因为已经处理的区域可以免于重熔，如果这是期望的。
通过表面的定义的处理过程，再次例如通过激光束，裂缝、通道或孔也可以以定向的方式引入到功能表面。这样的结构然后可以在运行中作为油保持空间，并且可以额外提高润滑特性。孔结构可以形成微压力腔。类似的，其他润滑剂可以引入到这种表面结构。

Claims (15)

1.一种滑环，包括灰口铸铁基体(2)，其特征在于，
功能表面(4)的至少一部分区域(6)在表面具有莱氏体金相组织。
2.根据权利要求1所述的滑环，其特征在于，具有硬化金相组织的过渡区域(8)朝部件的中心的方向与莱氏体金相组织(6)邻接。
3.根据权利要求1或2所述的滑环，其特征在于，在功能表面(4)形成不同金相组织的图案，使得表面的部分区域具有莱氏体金相组织(6)，表面的剩余区域具有硬化金相组织。
4.根据前述权利要求之一所述的滑环，其特征在于，硬化金相组织(8)包括马氏体金相组织和/或贝氏体金相组织。
5.根据前述权利要求之一所述的滑环，其特征在于，莱氏体金相组织(6)出现在功能表面，深度约为1.5mm。
6.根据前述权利要求之一所述的滑环，其特征在于，功能表面(4)为滑动表面或弹性体接触面。
7.根据前述权利要求之一所述的滑环，其特征在于，功能表面(4)的表面具有凹陷和/或孔结构。
8.根据前述权利要求之一所述的滑环，其特征在于，在莱氏体金相组织颗粒中至少引入一自润滑物质。
9.一种生产滑环的方法，包括：
制造灰口铸铁滑环(2)；
通过用高能辐射照射加热滑环的功能表面(4)；
其特征在于，
实施照射使得被照射表面的至少一部分区域重熔；
选择照射的参数使得功能表面的至少部分区域(6)在冷却后具有莱氏体金相组织。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，实施重熔使得具有马氏体金相组织的过渡区域(8)形成在莱氏体金相组织(6)和灰口铸铁(2)之间。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，冷却仅通过自淬火实现。
12.根据权利要求9至11任一项所述的方法，其特征在于，照射包括下述方法之一：激光束、电子束、电弧焊、等离子焊、钨惰性气体焊。
13.根据权利要求9至12任一项所述的方法，其特征在于，在由灰口铸铁制造滑环过程中，至少一选自钒、铬、钨、钼和硅中的碳化物形成元素添加到铸铁材料中。
14.根据权利要求9至13任一项所述的方法，其特征在于，实施照射使得表面的重熔的部分区域和非重熔的部分区域形成预设的图案。
15.根据权利要求9至14任一项所述的方法，其特征在于，至少一碳化物和/或自润滑物质的粒子在重熔过程中分散到熔化物中。
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