CN1081290C - 滑动部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了通过对钢制部分进行表面淬火处理形成凸起部分的滑动部件及其制造方法。凸起的形状及量可由表面淬火后进行热处理或机加工而控制。滑动部件可只由钢制成，或者通过把通过表面淬火形成凸起的滑动面的元件的至少一部分连接或装到钢制的滑动部件主体上，而该部分材料是陶瓷，这样一种方法形成。

Description

滑动部件及其制造方法
本发明涉及滑动部件，它有多个滑动面，要求耐磨性，这种部件如挺杆、摇臂、和其它工程部件、轴承等，以及涉及这类滑动部件的制造方法。
为了防止由于对准度较差而有不均匀的接触，机械滑动部件的多对滑动平面中的一对不是平面，而是凸出的拱形，使中心部分稍高于外边缘部分(高出几到几十μm)。
这种凸出的拱形可用各种方法形成，例如机加工(抛光)，日本专利申请公开No.63-289306公开了一种方法，它把金属装在陶瓷上，使固紧力形起陶瓷的弹性变形；日本专利申请公开No.63-225728公开的方法是把形成滑动面的陶瓷加热及连接到作为主体的金属上，并利用它们的热膨胀系数差，还有“汽车工艺”39卷，10期(1985年)公开的方法是先把一个煅烧体事先成型为拱形，并烧结该煅烧体，用该烧结成的面作为滑动面。
但是，由于拱形是三维形状，由机加工形成这一形状要使生产的成本增加很多。
按照把金属装到陶瓷上，或使用陶瓷和金属间热膨胀差的方法，一旦结构、加热温度等确定后，拱形的凸起量受限制。
另一方面，事先把煅烧体成形为拱形，然后烧结并利用烧结面作为滑动面的方法不能消除成形为拱形的面由于烧结时收缩引起变形以及尺寸精度变差的问题。
本发明的目的是针对现有技术的上述问题，提供一种具有改进的效用的滑动部件及这种滑动部件的制造方法。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供的滑动部件如下：
1.一种滑动部件，其中至少一个部分的滑动面通过对钢制部分进行部分表面淬火处理成形为一拱形；
2.一种滑动部件，其拱起量通过对钢制部份表面淬火处理后进行热处理或机加工而改变的；
3.通过上述表面处理成拱形形成滑动面的元件的至少一部分是通过连接或装配设上的。
上述滑动部件的制造方法如下：
1.一种对钢制的滑动部件主体的一部分进行部分表面淬火处理以便把滑动面成形为拱形的方法；
2.一种对钢制部分进行热处理或机加工以便在表面淬火后改变拱起量的方法；
3.一种把形成滑动面的元件连接或装到滑动部件主体上的方法。
最好使用陶瓷作为形成滑动面的元件，它通过连接或装配设置上。
下面说明本发明的操作的模式：
在本发明的滑动部件中，通过对构成滑动部件且是可硬化的钢进行部分表面淬火而在滑动面的至少一部分上形成拱起形。
换言之，是通过在表面淬火时马氏体转变形成的体积膨胀或所谓的淬火变形而产生局部变形，拱起赋于滑动部件中至少一个任选的滑动面上。
进行表面处理的部分是按照要产生拱形的滑动面的位置或拱起量而适当地选定。表面淬火产生的拱形是使用上述原理产生的。因此，把表面淬火加到靠近连接部分或在边界范围的位置是更有效的。顺便提一下，表面淬火的总表面积最好为滑动部件整个表面减去成形为拱形的部分的表面积的差值表面积的30％。
要产生的拱起量可以宽地按照表面淬火的装置和方法(加热、冷却时间等)以及钢的材料种类等来控制。
进行过表面淬火处理的部分是硬化的，并有低的磨损及高的耐久性。同时它起到滑动部分的作用。
对进行表面淬火处理的钢种没有限制，只要该钢种经表面淬火处理能硬化。但是，从材料的强度、成本及加工性而言，最好用广泛用作机械结构钢的碳钢以及含Ni，Cr，Mo等合金元素的合金钢。
按照本发明，通过对进行过表面淬火处理的滑动部件进行热处理来改变拱起量。这要用消除表面淬火或由于淬火形成的不稳定结构如马氏体的转变产生的剩余应力。热处理可对部件的部分或整体进行，这要按照要改变的拱形的位置、量及形状来选择。
通过如对硬化部分回火处理这样的热处理可以按照使用的目的来提供合适的硬度及韧性。由于残余应力可除去，可防止随时间变化拱起量的变化以及硬化部分产生裂纹。
在本发明的滑动部件中，凸起量是通过表面处理后对钢制部分进行热处理而改变的，由于各种残余应力，如相互间淬火变形平衡，滑动部件保持其拱起形状。因此，通过机加工或除去该残余应力层改变刚性可使平衡失去，凸起量也可用这方法改变。
机加工部分可按照要改变的凸起位置及量而合适地选择。该机加工可作为形成本来要高尺寸精度及表面粗糙度的滑动部分的机加工。
具有优良的滑动性能的元件可作为特别需要滑动性能部分连接或装到滑动部件上。在这种情形下，可通过淬火后热处理或机加工把连接或装配发生的残余应力消除。因此，可以在较宽的范围改变凸起量。
装到滑动元件主体上构成滑动面的元件最好是具有好的滑动性能及高的热阻的陶瓷材料。
最好是具有高强度的陶瓷材料，例如氧化铝(Al2O3)，氧化锆(ZrO2)，氮化硅(Si3N4)等。这些陶瓷材料按JIS标准的四点抗弯度必须至少为50kg/mm2，冲击性为温差(抗热冲击性温差)是至少400℃。特别优选的是Si3N4陶瓷料，它有优良的性能。
另外最好用按JIS标准的四点抗弯强度的试块室温强度值至少100kg/mm2及抗热冲击的温度为至少800℃的氮化硅型陶瓷。
当在靠近表面淬火处理部分的部分，陶瓷和钢连接起来，热处理条件可调整为例如把连接部分温度降到低于连接时的温度以便保持连接状态和连接强度，但是有这种情形连接部分的温度升到接近于连接温度由于如形状的限制。因此，为了避免热冲击后由于冷却(油冷等)使强度恶化，陶瓷必须具有抗热冲击性保持温差至少为400℃，更希望至少800℃。
当具有强度为至少100kg/mm2，最好至少130kg/mm2的氮化硅型陶瓷选用作为这种高强度陶瓷时，即使表面淬火处理施加在靠近连接部分的部分，陶瓷也可维持在里面产生的应力，并可容易地防止裂纹产生。
下面说明按照本发明的滑动元件的制造方法。
表面淬火处理是使用已知的高频，火焰，激光束，电子束等淬火方法。
当在淬火部分必须保证韧性时，可用事先进行渗碳处理的钢主体。
在表面淬火处理后的热处理是在100-700℃的温度范围内的一温度进行的。如果温度低于100℃，很难产生凸起量的改变，如果温度高于700℃，会发展奥氏体结构，并使淬火产生的结构断裂。温度范围更优选地为150-600℃。
在表面淬火后对钢制部分进行机加工可用已知的机加工方法，如切削。特别当使用淬火过的滑动部分时，一密耳的氧化皮的表面层必须除去并消除由于淬火引起的变形以便进行高精度机加工。当适当地调整表面粗糙度到较低的水平，可用抛光。
当把形成滑动面的元件装到滑动部件主体上时，可用连接或装配。可以用已知的连接方法，如热焊接，例如铜焊、扩散焊、熔焊、压力焊等。
热焊接的温度最好至少为800℃，以便消除表面淬火处理时出现的温度影响。
换言之，表面淬火处理的位置最好选定为使得不超过热焊接时的温度，在表面淬火处理时使用较小热扩散的电子束焊或激光焊，淬火可在接近连接的部分处进行，可以增加进行表面淬火的面积。
另一方面，在火焰硬化及感应硬化的情形下，热扩散部分较大。因此，难于使靠近连接部分硬化。例如，在感应硬化的情形下，硬化范围最好与连接部分隔开几毫米，虽然它可根据加热时间及频率。
当连接的元件是陶瓷时，可进行铜焊。当陶瓷直接与金属连接，铜焊料是含钛的银焊料，如Ag-Cu-Ti型，Ag-Ti型等。当元件是在陶瓷的连接面渗镀金属的，最好用Ag-Cu型焊料。
铜焊气氛最好是非氧化性气氛(真空、Ar、N2、H2或它们的混合物)。装配可以用已知的方法如压装配、收缩装配等。
下面参照附图详细说明本发明，附图中：
图1是一起阀器的纵剖面图；
图2是挺杆的纵剖面图；
图3是挺杆的纵剖面图；
图4是一挺杆主体的纵剖面图；
图5是一挺杆的纵剖面图；
图6是一挺杆的纵剖面图；
图7是一起阀器的纵剖面图。
下面说明实施本发明的最佳模式。实例1：
图1示出了作为本发明的滑动元件的一实例制造的起阀器。
机械结构用的铬钼合金钢SCM440(JIS G4105)用于起阀器1。
总的尺寸为外径φ25mm，内径φ22mm，总高度25mm，内部高部20mm。
起阀器1经850℃油冷加550℃空冷的回火，随后机加工得到作为滑动面的面10，其平直度为3μm，表面粗糙度不大于1.6μm(JIS 10点平均粗糙度)。
外圆周面11用300kHz的高频加热，就外圆周面的开口部分测量的整个长度而言，加热范围为6，12，18，25mm，由此得到具有不同的加热范围的试样。这些起阀器试样整体立即用水冷却和淬硬。
根据20个试样的平均值，在淬火后，面10的形状使它们的中心部分与外边缘部分相比鼓起成球形，鼓起量如表1所示。顺便提一下，这里所指的“外边缘部分”意味着直径为21mm的部分。
                    表1
  淬火范围 表面淬火面积百分比    凸起量
    mm     ％     μm
    6     12     0
    12     25     0
    18     37     6
    25     51     10
淬火范围为25mm的试样的内底面13类似地被高频硬化，在这种情形下，加热时间改变为2、4、6、8秒。在内底面硬化前后的拱形凸起量(鼓起量)的改变，根据5个试样的平均值分别为5，3，-1和-3μm。
另外，加热时间为2秒的试样在200℃油槽中回火，各试样的外圆周用无心磨床精加工到φ24.8mm，作为5个试样的平均值，回火后凸起量增加为2μm，抗加工后为2μm。实例2：
图2示出了作为本发明滑动元件一实例制造的挺杆。
机械结构用的镍铬合金钢SNC836(JIS G4102)用于挺杆的主体2。该滑动元件的尺寸为直径φ30mm，空心部分内径φ25mm，总高度40mm。直径为φ30mm和厚度为1.5mm的商业可购到的碳化硅陶瓷和硬质合金用于本发明的形成滑动面10的滑动元件3，作为滑动面的面10机加工成平直度为5μm，表面粗糙度不大于1.6μm(10点平均粗糙度)。
通过把滑动元件3与挺杆主体2夹在一起加上50μm厚度的Ag-Cu-Ti型焊剂在真空下加热到860℃保持30分钟而把两者连接起来。外圆周面11被6KV加速的高压电子束加热，随后淬火。中心部分相对于外圆周边缘部分(φ25mm)的球形凸起量分别增加9μm和4μm，作为由于在面10的形状中在SiC和硬质合金的表面淬火处理的20个试样的平均值，总的凸起量为29μm和22μm。实例3：
具有和实例2的挺杆同样形状的挺杆以下面的方法制造。
用于机械结构的铬合金钢SG440(JIS G4104)用于挺杆的主体2，而由Si3N4制的滑动元件3以下面的方法制造。
在商业可购得的Si3N4粉中按重量加入作为助烧结剂的5％的Y2O3粉和2％的Al2O3粉，它们混合在酒精中，在球磨机中球磨混合96小时。在干燥后，得到的粉末混合物先预成型，再经冷等静压压缩成形(CIP)。随后，在2大气压的氮气气氛中在1710℃下烧结4小时，随后在1000大气压的氮气气氛，在1660℃下热等静压压缩成形(HIP)1小时。
得到的烧结体有11％α百分比，结晶晶粒的线性密度为每50μm长度有155个晶粒。α的百分比由峰密度比，也就α[(102)+(210)]/{α[(102)+(210)]+β[(101)+(210)]}测定，其中(102)+(210)和(101)+(210)分别是x射线衍射图中(α-氮化硅和α′-硅铝纶(Sialon))和(β-氮化硅和β′-硅铝纶)的峰密度。烧结体的机械特性示于表2。
              表2
    抗弯强度     机械性能
    抗热冲击性     145kg/mm2
    温差     860℃
从得到的烧结体上切下直径为30mm及厚度为1mm的毛坯，作为滑动面的面10机加工到平直度为5μm和表面粗糙度不大于1.6μm(10点平均粗糙度)。把毛坯和挺杆主体2夹在一起，加厚度为50μm的Ag-Ti型焊料，在真空下，1000℃，保持30分钟把毛坯焊到挺杆主体上。
这样焊好的挺杆的外圆周面11的表面用实例1的同样方法用400Hz的高频加热，从开口部分加热到A部分(离开口部分25mm)，随后整个挺杆立即用水冷却。随后，半球形面12也用高频加热(加热时间：5秒)及用水冷却进行淬火。
在表面淬火处理后，当只有面11淬火，作为20个试样的平均值，中心部分相对于滑动面的外边缘部分(φ25mm)的球形凸起量(凸起变化量)增加8μm，总的凸起量为32μm，当面12也淬火时，凸起量另外增加12μm。实例4：
在实例3中，外圆周面11的淬火范围，就离开口部分的距离言，其变化为5，15，25和30mm。结果，由于外圆周面淬火形成的凸起变化量列于表3。
                        表3
 淬火范围 表面淬火面积百分比  凸起变化量
    mm     ％     μm
    5     7     0
    15     21     0
    25     35     8
    30     42     11
实例5：
在实例3中，由加热3，7和9秒来完成对半球面12的淬火。结果，作为20个试样的平均值，外圆周面淬火后，凸起的变化量分别为16，5和-2μm。实例6：
经过感应硬化的实例3的挺杆，在200℃的油槽中热处理(回火)。结果，作为20个试样的平均值，外圆周面11硬化后，凸起的变化量为5μm。实例7：
图3示出作为本发明的滑动元件一个实例制造的挺杆。
用于机械结构的镍铬合金钢SCH435(JIS G4105)用作挺杆的主体2。滑动元件的尺寸为直径φ31mm，空心部分内径φ27mm，总高度55mm。按实例3制的氮化硅加工成直径φ30mm，厚度1.3mm制得滑动元件3。作为滑动面的面10抛光成平直度为3μm和表面粗糙度不大于0.8μm(10点平均粗糙度)。
把滑动元件3与挺杆主体2夹在一起，加上厚度为50μm的Ag-Cu-Ti型焊料，在真空下880℃保持40分钟把它们连在一起。
如此焊好的挺杆的外圆周面11的表面用实例3同样的方法，用高频加热，从开口部分加热到A部分，随后，整个挺杆立即用水冷却。接着，半球形面12也用高频硬化，随后用水冷却。在150℃油槽中的回火后，挺杆主体用无心磨床机加工到φ30.5mm。结果，作为20个试样的平均值，回火后凸起的变化量为6μm。顺便提一下，凸起量是测中心部分和外圆周部分(φ25mm)的水平差。实例8：
图4示出作为本发明的滑动元件的实例制造的一挺杆主体2。用于机械结构的镍铬合金钢作为主体的材料，滑动元件的尺寸为直径φ25.5mm，空心部分内径φ22mm，总高度45mm。按实例制造的氮化硅机加工成直径为φ24.5mm，厚度1.2mm的滑动件，作为滑动面的面10抛光成平直度为3μm，表面粗糙度不大于0.8μm(10点平均粗糙度)。
把滑动件3与网杆主体2夹在一起，加上厚度为50μm的Ag-Ti型焊料，在真空1100℃下保持20分钟，把它们焊在一起。
如此焊好的挺杆的外圆周面11的表面用实例3同样的方法用高频加热，从开口部分加热到部分A，随后立即把整个挺杆用水冷却，随后，半球形面12也用调频淬火和用水冷却。在挺杆在150℃的油槽中回火后，挺杆的钢部分用无心磨床机加工成φ25.0mm。然后，如图5所示，将连接部分附近的部分机加工及抛光为φ24.75mm。结果，作为20个试样的平均值，在靠近连接部分的部分加工过的试样比没有加工的试样凸起增加5μm。
顺便提一下，凸起量是测中心部分和外边缘部分(φ25mm)的水平差。实例9：
图6示出作为本发明滑动元件一个实例制造的挺杆。该滑动件尺雨为伞部直径为φ30mm，颈部直径为17mm，总高度45mm。按实例3制成的氮化硅加工成直径为Q30mm，厚度为1.2mm的滑动件。面10的平直度及表面粗糙度与实例3的一样。
用于机械结构的镍-铬-钼合金钢SNCM616(JISG4103)，且经过渗碳处理(渗碳深度：0.5mm)，用于挺杆主体2。但是，在与滑动件3结合的面上的碳化层通过机加工去掉。挺杆主体2与滑动件3夹在一起，加入厚度70μm的Ag-Cu-Ti型焊料，在真空下，860℃保持10分钟，把两者连接起来。另一方面，商业可购得的硬质合金以与氮化硅的加工方法一样的方法加工，并用在1050℃下扩散焊，与挺杆主体2连接起来。
如此焊接的挺杆的颈部的外周边14用高频加热，随后整个挺杆立即用水冷却。结果，作为20个试样的平均值，由于淬火在氮化硅及硬质合金的凸起量分别增加10μm和7μm。实例10
图7示出作为本发明的滑动元件一个实例制造的起阀器。用于机械结构的镍-铬-钼合金钢SNCM 439(JIS G4103)用于起阀器主体4。滑动元件尺寸为直径φ30mm及总高度40mm。
滑动面10按照本发明形成。商业可购得的氮化硅陶瓷、硬质合金和按实例3制造的氮化硅，各自直径为φ27.5mm，厚度6mm，用作滑动件5，并且各设有50μm的压入边。作为滑动面的面10按实例2同样的方法加工。
外圆周面11被7KV高压电子束加热进行淬火。滑动面10的形状，作为20个试样的平均值，在商业可购得的氮化硅、硬质合金及按实例3制的氮化硅的中心部分比外缘部分(φ23mm)的球形鼓起量分别为7，5，8μm，和总的凸起量分别为14，10，15μm。
工业应用：
本发明通过对滑动元件钢制的部分进行已知的表面淬火处理产生一凸起的形状，在表面淬火后对钢制部分热处理或机加工改变该凸起形状，由一元件，最好由具有优良的抗弯强度及高的抗热冲击性的氮化硅型陶瓷形成凸起形的至少一个滑动面，把该元件连接或装入滑动元件。因此本发明提供了下面的效果。
1.由于通过对钢制部分表面淬火处理及在表面淬火后热处理或机加工该部分形成凸起部分，因此可控制赋于凸起形状的部分及凸起量。
2.在机加工前连接或装到要求滑动性能的部分的元件的形状是一平面，因此不需要三维的预加工。因此可以经济地提供滑动元件。
3.由于陶瓷作为滑动元件连接或装到要求滑动性能的部分，因此可经济地提供滑动元件。

Claims (20)

1.一种滑动部件，其特征在于滑动部件包括一个钢制的部分和至少一个陶瓷制成的滑动表面，所述的至少一个滑动面通过对钢制部分进行部分表面淬火处理成形为一凸起形，
已经进行了表面淬火的表面积至少为从所述部件的整个表面积减去成形为凸起形状部分的表面积得到的面积的30％。
2.按照权利要求1的滑动部件，其特征在于“凸起量”是通过表面淬火处理而增加的。
3.按照权利要求1的滑动部件，其特征在于所述的凸起量通过表面淬火处理后的热处理而减小。
4.按照权利要求1的滑动部件，其特征在于所述的凸起量是通过表面淬火处理后进行热处理而增加的。
5.按照权利要求1的滑动部件，其特征在于所述的凸起量是在表面淬火处理后对钢制部分的一部分或全部机加工而增加的。
6.按照权利要求1的滑动部件，其特征在于至少一个由表面淬火处理形成凸起形的滑动面的元件是通过连接设置上的。
7.按照权利要求6的滑动部件，其特征在于至少一个由表面淬火处理形成凸起形的滑动面的元件是氮化硅型陶瓷制成的，其室温强度及代表抗热冲击性的温差分别为至少100kg/mm2和至少800℃。
8.按照权利要求1的滑动部件，其特征在于至少一个由表面淬火处理形成凸起形的滑动面的元件是通过装配而设置上的。
9.按照权利要求8的滑动部件，其特征在于至少一个由表面淬火处理形成凸起形的滑动面的元件是氮化硅型陶瓷制成的，其室温强度及代表抗热冲击性的温差分别为至少100kg/mm2和至少800℃。
10.一种滑动部件的制造方法，其特征在于至少一个陶瓷制成的滑动面通过对钢制部分进行部分表面淬火处理成形为一凸起形，经受表面淬火处理的表面积至少为从滑动件的滑动表面的整个表面积减去成形为凸起形状部分的表面积得到的面积的30％。
11.按照权利要求10的滑动部件，其特征在于所述的凸起量是通过在一定的部分进行表面淬火处理而增加的。
12.按照权利要求10的滑动部件，其特征在于所述的凸起量是通过在一定的部分进行表面淬火处理后的热处理而减少的。
13.按照权利要求10的滑动部件，其特征在于所述的凸起量是通过在表面淬火处理后进行热处理而增加的。
14.按照权利要求13的滑动部件，其特征在于所述的热处理的温度是100-700℃。
15.按照权利要求10的滑动部件的制造方法，其特征在于所述的凸起量是通过在表面淬火处理后对钢制部分的一部分或全部机加工而增加的。
16.按照权利要求15的滑动部件的制造方法，其特征在于所述的机加工方法是抛光。
17.按照权利要求10的滑动部件的制造方法，其特征在于至少一个由表面淬火处理形成凸起形的滑动面的元件是通过连接设置上的。
18.按照权利要求17的滑动部件的制造方法，其特征在于至少一个由表面淬火处理形成凸起形的滑动面的元件是氮化硅型陶瓷制成的，其室温强度及代表抗热冲击性的温差分别为至少100kg/mm2和至少800℃。
19.按照权利要求10的滑动部件的制造方法，其特征在于至少一个由表面淬火处理形成凸起形的滑动面的元件是通过装配而设置上的。
20.按照权利要求19的滑动部件的制造方法，其特征在于至少一个由表面淬火处理形成凸起形的滑动面的元件是氮化硅型陶瓷制成的，其室温强度及代表抗热冲击性的温差分别为至少100kg/mm2和至少800℃。
CN96190381A 1995-06-19 1996-06-17 滑动部件及其制造方法 Expired - Fee Related CN1081290C (zh)

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