CN1081291C - 陶瓷滑动部件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种滑动部件，即使使用了被排气部件污染的润滑油，该部件也可防止配对金属滑动部件的有害磨损和局部磨损。一种陶瓷滑动部件按下述方法制成，用做滑动面部件的氮化硅基材料连接到具有比滑动面部件高的热膨胀系数的金属基体上。滑动面部件的滑动面上的隆起部分是这样构造的：即相对于隆起部分中心线轴向对称的任意两个点处的隆起量(da，db)间的差值与两点平均隆起量的比值百分比大于等于10%并小于等于50%。

Description

陶瓷滑动部件
本发明涉及用在汽车发动机中气门装置系统部件上的滑动部件，涉及诸如凸轮推杆和摇臂的滑动部件，还涉及装在发动机中液压回路内和驱动部件间的滑动部件，尤其涉及这样的滑动部件，即当滑动部件用在是有金属基体和装在金属基体上的一个陶瓷滑动部件的挺杆上和用在使用发动机驱动系统的液压回路的活塞上时，这些滑动部件是十分有效的。
诸如汽车发动机部件的机械滑动部件常常在其一个配对滑动部件上具有凸状隆起部分以防止由于调配不当而产生的不均匀磨损或不均匀接触。例如，在日本专利公布号63-225728中披露了一种技术，其中具有比金属基体更小的热膨胀系数的抗磨部件被加热并连接到基体上以构成隆起形状(由于热膨胀系统差异产生的)的滑动面。该专利提供了一种利用低成本滑动部件来防止滑动运动中由于调配不当引起的不均匀接触的方法，该方法是通过给出一种隆起形状而不是借助于研磨加工等来实现的。该专利还披露：抗磨部件使用陶瓷材料，如氮化硅、碳化硅以及氮化铝——氧化铝——氧化硅陶瓷材料。
近年来，全球环境形势使得对汽车排气实行控制变得更加紧迫，尤其在柴油发动机中，正在进行研究以减少氧化氮(NOx)和颗粒物质(p/m)。目前研究的一种方法是把EGR(废气再循环)机构装在发动机排气系统上以减少NOx。但是，这种方法会产生一些问题，如废气成分的再循环将使机油衰变并且会集留污染油的颗粒物质，从而导致发动机滑动部件的非正常磨损。
为此，提出了一种缓变隆起部分，但仍然不能完全解决问题。在使用具有高抗磨性氮化硅陶瓷材料作为滑动面部件的情况下，如果隆起部轮廓相对于中心线变形，好么滑动运动过程中的接触面和接触面压力也会改变，由于陶瓷材料的硬度高于配对滑动部件的金属材料硬度，因此这种改变将使配对滑动部件产生不均匀磨损和疲劳磨损，如剥蚀和微振磨损等。
这里所指的中心线是滑动部件工作过程中绕之转动的旋转轴。
本发明的目的是提供一种陶瓷滑动部件，这种滑动部件具有不会产生不均匀磨损或疲劳磨损的隆起部几何构形或轮廓。
本发明中解决上述问题的结构是一种按照权利要求所述的滑动部件。在滑动部件中，作为滑动面部件的氮化硅基材料和热膨胀系数比滑动面部件大的金属基体接在一起，并且滑动面为隆起形状，相对于隆起轮廓中心线轴向对称的两点间的隆起量差值为10％或更大些，而两点上隆起量的平均值的差值为50％或更小，这一点将在图1的柴油顶阀发动机的挺杆示例中加以说明。
图1表示了挺杆的基本结构，其中由氮化硅基材料制成的滑动面部件1通过由在滑动面部件上偏心滑动的配对凸轮2所施加的旋转力而环绕滑动面部件的隆起轮廓中心线转动，从而防止了由于调配不当产生的不均匀磨损或不均匀接触。此外，图2为表示滑动面的局部放大示意图。本发明要求：图2中，相对于隆起轮廓中心线轴向对称的两个任意点A和B上的隆起量da和db间的差值绝对值与隆起量的平均值(da+db)/2的比值满足下面公式(1)：
Figure C9619042800051
在本申请文件中，“隆起轮廓精度”和“隆起精度”是指由上述公式(1)得出的“轴向对称精度”。这里，当公式(1)中的上述值大于50％时，由于旋转过程中凸轮面、接触面积和接触面压力条件的变化，在凸轮面上便产生非均匀磨损、剥蚀和微振磨损。但是，要使上述值小于10％，便需要提高连接精度(在普通钎接中，可以通过使钎接焊料厚度均匀来提高精度)以及采取特定加工方法(如，通过采用带有隆起轮廓精度的仿形金刚石砂轮进行数控切削加工方法)来保证所需的轴向对称精度(以偏差形式表示)。然而，这必将增加制造成本，经济上不合算，而且这样高的制造成本并没有给配对金属滑动部件的抗磨性带来显著改善，因此使性能价格比降低。
由于滑动部件要求有充分的润滑，因此需要对滑动部分提供某种润滑油，在某些情况下，在连接面附近须构造油孔4(如图3所示)。金属基体上构造油孔使该处的刚性产生局部变化，从而引起隆起部变形。因此，油孔应该这样构造：即油孔直径d和油孔数量n(n≥1)满足下列条件：1.d2xn/D＝0.07～1.4，其中D为金属基体直径；2.d2xn/L＝0.05～1.05，其中L为金属基体总长度；
3.d2xn/w＝1.3～26，其中w为金属基体上构造油孔处的最小厚度；
4.d2xn/t＝1～20，其中t为连接的滑动部件厚度；以及5.d2xn/A＝0.2～4.2，其中A为金属基体的连接面至油孔中心距离。
当上述值小于允许范围的下限时，油孔直径太小，使得粘性润滑油很难流过，滑动部分得不到润滑，从而引起金属基体和滑动部件的磨损或咬合。此外，小直径油孔加工困难，使制造成本增大。当上述值超过允许范围上限时，油孔直径太大，使得金属基体刚性局部改变并引起隆起部变形，从而降低了尺寸精度而引起配对滑动金属部件的部分或非均匀磨损。应当根据情况按照本发明的限定范围来选取油孔直径和数量。如果希望增大油孔尺寸，可以使上述值接近上限或减少油孔数量来实现。但是应注意到，即使在允许范围内，通过减小油孔直径来增加油孔数量的方法也是不可取的，其原因在于孔的加工工序量的增加会增大制造成本。
尽管在轴向对称精度满足本发明所限定的允许范围的情况下，油孔的加工在滑动面部件被连接之前或之后进行均可，但是由于连接之后开孔会局部改变连接过程中已被平衡的所连接基体的刚性，因此油孔最好在连接过程之前进行加工，连接之后开孔的影响比连接之前大。
当构造2个或更多油孔4时，所有油孔最好与滑动面部件1和金属基体3间的连接面5保持相等距离，但是如果不影响隆起部精度，也可以不等距。如果直径偏差不影响隆起部精度，油孔直径也可以互不相等。但从制造角度来看，油孔直径最好相等。
本发明是通过相对于滑动面的直径方向两次或多次对称的构造来实现的。由于隆起部分是通过金属基体与互连滑动部件间的刚度平衡得到的，因此不良的、或扰动对称会引起隆起部的变形。
因此，构造2个或更多油孔时最好保持金属基体的对称性。
油孔直径和油孔数量只须在本发明限定的范围内即可。
当液压回路的活塞和挺杆象图4所示蘑菇形时，金属基体8的滑动部分6的直径(D2)和伞状部分7的直径(D1)间的尺寸比值D2/D1最好设定为0.5或更大些，而滑动部分的直径(D2)和伞状部分的最大厚度(A2)的尺寸比最好设定为6.5或更大些。当D2/D1小于0.5时，金属基体的伞状部分的凸部太大，而变形也变大，因此隆起部分不稳定并且不能保持轴向对称所需的精度。比值D2/D1最好大于0.625，但由于金属基体具有蘑菇状构形，因此其上限最好小于1。当D2/A2小于6.5时，滑动部分的直径太小，从而使得伞状部分的凸部增大(同上一样)，这也是不可取的。伞状部分的最大厚度是指滑动面部件的连接面与伞状部分上与滑动部分具有相同直径处的点之间的距离。
滑动部分应是有合适的长度(L1)以保证其滑动功能。如果滑动部分长度小于伞状部分的最大厚度(A2)的10倍，金属基体的刚性变小而变形增大，这是不可取的。
当连接伞状部件和滑动部分的截面形状随滑动部件的使用条件不同而变化时，该截面形状可以是平面形或锥形(如图5(1)和5(2)所示)。活塞使用伞状部分作为挡块，因此连接部分须为图5(1)所示的平面形，而挺杆不需要含有平面形连接部分，因此连接部分可以为图5(2)所示的锥形。
如果滑动面部件厚度(A1)小于1mm，那么，滑动过程中作用在滑动面上的冲击力会超过滑动面部件的冲击强度，从而导致断裂。
为了避免产生刚度的局部变化并获得稳定的变形，金属基体8最好由单一材料制成，避免诸如焊接或压焊之类的任何连接，原因如下：a.当拼合式金属基体在连接滑动面部件之前互连时，如果金属基体间的连接不均匀，那么把滑动面部件钎接到金属基体上会导致金属基体的局部不均匀热膨胀/收缩，从而引起隆起部的局部变形。金属基体连接过程中产生的变形在钎接过程中被释放，由于变形随位置而不同，因此隆起部产生局部变形。
b.当拼合式金属基体在连接滑动面部件之后互接时，连接金属基体下半部分14b产生的变形变得不均匀，从而使隆起部产生局部变形。
c.当不同材料互连时，尤其是当滑动面部件在金属基体互连后连接时，不同材料间热膨胀系数的差异使得金属基体在钎接过程中产生局部不均匀的热膨胀/收缩，这样又使隆起部产生变形。
如上所述，尽管使用拼合式金属基体会使金属基体的加工更容易，制造成本降低，但却得不到所需要的滑动部件性能。
之所以选择碳化硅基材料作为滑动面部件，是因为以下三个原因：与其它结构的陶瓷材料，如氮化硅、氧化铝(铝土)和碳化锆(氧化锆)相比，(1)氮化硅基材料具有更小的热膨胀系数，在连接过程中可以稳定地构造相对较大的隆起部，(2)氮化硅基材料具有相对较大的强度，可以防止连接过程中或之后产生裂纹(而裂纹在其它情况下会由于隆起部中拉应力存在而产生)并且可以保证显著的抗疲劳性，(3)氮化硅基材料具有相对较高的硬度和良好的抗磨损性能。在这些原因中，强度特性最为重要。按照日本工业标准R1601(JIS R1601)，使用具有980Mpa或更大、或1274Mpa或更大的三态弹性强度的氮化硅基材料可以解决上述问题，因此放宽了设计隆起构形时的限制(主要是隆起量和氮化硅基滑动部件的厚度)。
除了上述开孔的方法之外，还有一种方法可以获得具有足够轴向对称精度的低成本隆起部。如图1所示，这种方法包括：连接由氮化硅基材料制成的滑动面部件1和其热膨胀系数大于滑动面部件的金属基体；利用连接过程中热膨胀系数差异预先在滑动面上构造隆起部基底；把隆起部磨削成所需形状或用研磨加工法对其精加工，使轴向对称精度满足公式(1)。使用以上这些方法时，相对于隆起部中心线的加工量最好为最大隆起量的20％或低于20％(最大隆起量对应于图2中“dmax”)。当超过20％时，加工成本显著增加，经济上不可取。这时，必须使隆起部基底的构形精度接近于初始连接过程中的最后所需精度值。金属基体的材料尽管没有任何限制，但一般使用日本工业标准SG，SCM，CNCM钢等。
此外，实现本发明的功能和特征的其它条件在于：按照日本工业标准所限定的，滑动部件的滑动面的10点平均表面粗糙度为0.4μm或更小。这是由于：当超过0.4时，就有可能使配对滑动凸轮面产生磨损。
如前所述，本发明用作为滑动部件，尤其用作为顶阀系统中的挺杆，可以显著减小陶瓷滑动面和凸轮面的不均匀磨损。当本发明用于带有EGR机构(废气再循环机构)的柴油机中时，尤其能够显著延长部件的使用寿命。
图1为表示使用本发明的汽车柴油发动机气门装置系统中的挺杆和凸轮的示意图；
图2为表示使用本发明的挺杆滑动部件的局部放大示意图；
图3为表示使用本发明的挺杆截面示意图；
图4为表示使用本发明的活塞截面示意图；
图5为表示使用本发明的滑动部件截面示意图；
图6为表示使用本发明的挺杆截面示意图；
图7为表示示例1和示例2中挺杆的滑动部件的局部放大示意图；
图8为表示凸轮的磨损示意图((1)为正视图，而(2)为侧视图)；
图9为表示使用本发明的挺杆截面示意图；
图10为表示使用本发明的活塞截面示意图；
图11为表示活塞工作示意图；
图12为表示使用本发明的挺杆截面示意图；
图13为表示示例5中金属基体的示意图。
示例1
通常所使用的氮化硅、碳化硅、铝土和氧化锆烧结材料(根据JIS R1601的其三态点强性强度示于表1中)被切割成直径30mm、厚度1.5-3mm的圆盘。圆盘上与凸轮滑动接触的表面被具有7-11μm平均磨粒尺寸的金刚石砂轮加以精磨，其10点平均粗糙度小于或等于0.3μm。如图6所示，所得到的滑动面部件1通过各种夹具和主要由Ag(银)制成的钎焊材料固装在金属基体3上，基体由Scr420(一种日本工业标准用钢)制成，其形状亦如图6所示。通过把滑动面部件1和金属基体3在真空中以790-880℃的温度加热一个小时使其相互连接在一起，从而构成二种分别具有预定最大隆起量15μm和40μm的挺杆，金属基体的总长度为40mm。金属基体在渗碳处理后再进行钎接。钎接后，金属基体的外周边部分9和其内底部上的球形凹部10用激光加以硬化。每个挺杆的一部分用具有7-11μm平均磨粒尺寸的金刚石砂轮再进行角磨以提高轴向对称精度。这种部件用于汽车燃油发动机顶气门装置系统中，在1000转/分转速下，使用旧机油(汽车在城市中跑行100,000公里后的回收油)润滑，其疲劳试验有效时间持续500小时。疲劳试验后，对凸轮面的磨损量(即磨损损耗)进行测量。(结果示于表1中。表1中隆起的轴向对称精度是通过利用公式(1)计算相对于隆起部分中心线的φ25同心圆处的隆起量d而得到的(如图7所示)。
作为磨损的判别标准，表1给出了凸轮尖部三点A，B，C处的高度Ha，Hb，Hc的平均磨损量，这些平均磨损量是通过把试验前后的高度[(ha+hb+hc)/3](其中ha，hb，hc代表各个点处的磨损量)和偏差(即ha，hb和hc的最大、最小值间的差值)相比较而得到的。图8中，(1)是凸轮尖部的正视图，而(2)是侧视图。
                                   表1
                            带有*的项用于比较
标号 滑动部件 3态弹性强度(Mpa)  预定最大隆起量(μm) 隆起构形的轴向对称精度(％) 磨削       凸轮尖部的磨损量(μm)
平均磨损量 磨损量差值
    *1  氮化硅   1000     40     5  已磨削     10     2
      2   ↑     ↑     ↑     12    ↑     10     2
      3   ↑     ↑     ↑     20    ↑     10     2
      4   ↑     ↑     ↑     32  未磨削     13     3
      5   ↑     ↑     ↑     45    ↑     18     5
    *6   ↑     ↑     ↑     58    ↑     33     10
    *7 铝土     637     ↑     裂纹     -      -      -
    *8 碳化硅     549     ↑     裂纹     -      -      -
    *9 氧化锆     1372     ↑     5  已磨削     35     12
    *10   ↑     ↑     ↑     30  未磨削     45     20
    *11   ↑     ↑     ↑     63  未磨削     58     26
    *12 氮化硅   1372     ↑     5  已磨削     6     1
      13   ↑     ↑     ↑     12    ↑     6     1
      14   ↑     ↑     ↑     30  未磨削     10     2
    *15   ↑     ↑     ↑     65  未磨削     30     8
    *16 氮化硅   1000     15     5  已磨削     15     3
      17   ↑     ↑     ↑     12    ↑     15     3
      18   ↑     ↑     ↑     20    ↑     16     4
      19   ↑     ↑     ↑     42  未磨削     20     6
*20 ↑ ↑ ↑ 54 ↑ 35 12
    *21 铝土     637     ↑     5  已磨损     22     5
    *22   ↑     ↑     ↑     34  未磨削     30     10
    *23 碳化硅     549     ↑     5  已磨削     10     3
    *24   ↑     ↑     ↑     44  未磨削     22     6
    *25 氮化硅    1372     ↑     5  已磨削     10     2
      26   ↑     ↑     ↑     12    ↑     10     2
      27   ↑     ↑     ↑     33  未磨削     15     3
    *28   ↑     ↑     ↑     65    ↑     28     8
注意：在上表中，隆起轮廓轴对称精度栏中的“裂纹”是指钎接过程中滑动部件中产生的裂纹。因此在发动机中不对含有裂纹的样品加以评定。
试验结构表明：与其它陶瓷部件相比，使用由氮化硅制成并具有特定隆起精度的滑动部件可以显著减小配对金属滑动部件的磨损量和不均匀磨损或局部磨损。并且还发现：在氮化硅基底的材料中，具有优良强度特征的材料可以进一步减小配对金属滑动部件的磨损量和局部磨损。示例2
在示例1的表1中所示的样品中，把标号2，4，13，14，17，19，21，23，26和27以转速6000转/分进行持续时间100小时的疲劳试验，所使用的发动机与示例1相同。按示例1中相同方式计算磨损量，其结果也示于表2中。关于滑动部件中产生的裂纹，在100小时试验过程中每10小时进行一次检测与观察是否有裂纹产生。至裂纹产生的时间示于表中，此外，对于产生裂纹的样品，表中还给出了裂纹发生前的磨损量。
                    表2
             带有*的项用于比较
标号 裂纹     凸轮尖部磨损量(μm)
 平均磨损量 磨损量差值
    2  90小时后裂化     25     8
    4  60小时后裂化     28     10
    13     未有     18     6
    14     未有     22     8
    17     未有     30     9
    19     未有     35     10
   *21   初始裂纹     - -     - -
   *23   初始裂纹     - -     - -
    26     未有     25     8
    27     未有     29     9
注意：在上表中，裂纹栏中的”初始裂纹”表明：在第一个10小时结束时样品中已经产生了裂纹。因此在计算磨损时不包括这些样品在内。
从上述试验结果可见：当除氮化硅基材料之外的陶瓷材料用作为滑动部件时，在发动机高转速范围内产生初始裂纹，因此不能投入实用。在氮化硅基材料中，具有优良强度特性的材料即使在发动机的高转速范围内也不会产生裂纹并且还可以减小配对金属滑动部件的磨损量和局部磨损。示例3
用厚度0.05mm的Ag-Cu-Ti钎接材料把示例1中的商用氮化硅1在真空中以870℃温度钎接在图9中的金属基体3上，以构成一挺杆。金属基体3的主要尺寸示于表3中。标号为29-48的内底面上球形凹部直径为14mm，而标号49-57中的相应直径为9mm。所用材料为SCM435(日本工业标准G4105)。
连接开口与周面的油孔开在距金属基体的结合面距离为A的位置处(表3中的位置A指金属基体的结合面和油孔中心线间的距离)，油孔的直径和数量是可变的。
氮化硅滑动面部件1的直径为0.5mm，小于金属基体的直径，对所使用的凸轮滑动面进行加工，使其10点平均粗糙度小于或等于0.3μm。
钎接后，金属基体的滑动部分(即外周边部分和内底面上球形凹部)被加以表面淬火硬化。更具体说，外周边部分9进行高频淬火硬化；而内底面的球形凹部10进行电子束淬火。
隆起部的测量方式与示例1中相同。不过对于外周直径为φ31，φ25和φ17mm所使用的测量隆起部的同心圆直径分别为φ25.8，φ208和φ14.2mm。标号29-49的隆起量为21-33μm，而标号为49-57的隆起量为18-38μm。结果示于表3中。
                                                                                表3
标号        油孔                      金属基体     滑动部件 隆起轮廓轴向对称精度(％)   标注  d*n/D   d2*n/L  d2*n/w   d2*n/t  d2*n/A
  孔径(mm)d   孔数n    直径(mm)D    内径(mm)din  最小厚度(mm)W 总长度(mm)L 油孔位置(mm)A 厚度(mm)t   弹性强度(Mpa)
 +29   7.5    1     31     27    2   50.9  12.9   2.1   1000     63   1.81   1.105   28.1    26.8   4.36
  30    6    1     31     27    2   50.9  12.9   2.1     ↑     44   1.16   0.707   18.0    17.1   2.79
 +31   1.2    1     31     27    2   50.9  12.9   2.1     ↑     6 磨损产生   0.05   0.028   0.7     0.7   0.11
  32   4.5    2     31     27    2   50.9  12.9   2.1     ↑     31   1.31   0.796   20.3    19.3   3.14
  33   4.5    2     31     27    2   50.9  12.9   2.1   1372     30   1.31   0.796   20.3    19.3   3.14
 +34   4.5    3     31     27    2   50.9  12.9   2.1   1000     61   1.96   1.194   30.4    28.9   4.71
 +35   4.5    3     31     27    2   50.9  12.9   2.1   1372     62   1.96   1.194   30.4    28.9   4.71
  36   0.5    12     31     27    2   50.9  12.9   2.1   1000     11 磨损产生   0.10   0.059    1.5    1.43   0.23
 +37     1    2     31     27    2   50.9  12.9   2.1     ↑     8 磨损产生   0.06   0.039    1.0    0.95   0.16
  38     2    4     31     27    2   50.9  12.9   2.1     ↑     19   0.52   0.314    8.0     7.6   1.24
  39     2    6     31     27    2   50.9  12.9   2.1     ↑     35   0.77   0.472   12.0    11.4   1.86
  40     1    6     31     27    2   50.9  12.9   2.1     ↑     12   0.19   0.118    3.0     2.9   0.47
  41     3    2     31     27    2   50.9  12.9   2.1     ↑     22   0.58   0.354    9.0     8.6   1.40
                                                                                表3(续)
标号      油孔                       金属基体     滑动部件 隆起轮廓轴向对称精度(％)   标注  d*n/D   d2*n/L   d2*/w  d2*/t  d2*n/A
  孔径(mm)d  孔数n  直径(mm)D   内径(mm)din   最小厚度(mm)W    总长度(mm)L   油孔位置(mm)A  厚度(mm)t   弹性强度(Mpa)
 +42   5.5    2    31    27     2     50.9   12.9    2.1     ↑     59   1.95   1.189   30.3   28.8   4.69
 +43     7    2    31    27     2     50.9   12.9    2.1     ↑     73   3.16   1.925   49.0   46.7   7.69
 +44   4.5    2    25    21     2     50.9   12.9    2.1     ↑     62   1.62   0.796   20.3   19.3   3.14
 +45   4.5    2    31    27     2     35   12.9    2.1     ↑     58   1.31   1.157   20.3   19.3   3.14
 +46   4.5    2    31    28    1.5     50.9   12.9    2.1     ↑     55   1.31   0.796   27.0   19.3   3.14
 +47   4.5    2    31    27     2     50.9   12.9    1.8     ↑     73   1.31   0.796   20.3   22.5   3.14
 +48   4.5    2    31    27     2     50.9     9    2.1     ↑     69   1.31   0.796   20.3   19.3   4.50
  49   3.5    2    25    22    1.5     42.2    7.2    1.8     ↑     29   0.98   0.581   16.3   13.6   3.40
  50     3    2    25    22    1.5     42.2    7.2    1.8     ↑     18   0.72   0.427   12.0   10.0   2.50
  51     2    4    25    22    1.5     42.2    7.2    1.8     ↑     15   0.64   0.379   10.7   8.9   2.22
  52   1.5    6    25    22    1.5     42.2    7.2    1.8     ↑     10   0.54   0.320   9.0   7.5   1.88
 +53   3.5    2    17    14    1.5     42.2    7.2    1.8     ↑     64   1.44   0.581   16.3   13.6   3.40
 +54   3.5    2    25    22    1.5     23    7.2    1.8     ↑     60   0.98   1.065   16.3   13.6   3.40
 +55   3.5    2    25   23.5   0.75     42.2    7.2    1.8     ↑     57   0.98   0.581   32.7   13.6   3.40
 +56   3.5    2    25    22    1.5     42.2    7.2    1.2     ↑     78   0.98   0.581   16.3   20.4   3.40
 +57   3.5    2    25    22    1.5     42.2     5    1.8     ↑     65   0.98   0.581   16.3   13.6   4.90
                    +：比较用试样
表中标号为30，31，32，33，36和37的试样装入汽车的顶阀式柴油发动机中，在1500转/分转速下，使用旧机油(汽车在城市中跑行200,000公里后的发动机中回收油)润滑，其疲劳试验有效时间为200小时。标号为31，36和37的试样的金属基体的外周边所产生的磨损超过50μm。对于标号为30，32和33的试样，磨损等于或小于5μm。凸轮尖部的磨损—如示例1中给出的平均磨损量和差值对于30，12号试样分别为14μm和3μm，对于32，10号试样分别为12μm和3μm，对于33号试样为2μm。
在36号试样中，油孔直径非常小，因此润滑油通过油孔很困难，从而使金属基体上与气缸体的接触部分产生磨损。但是，基于本发明的36号挺杆试样的凸轮尖部磨损的平均量和差值分别为10μm和2μm，因此与其它试样相比，36号挺杆试样性能十分优异。30号和37号试样中的油孔直径虽然大于36号试样中的油孔直径，但油孔数量却少一些，因此供入金属基体中的润滑油量不足，从而产生与前述试样中相类似的磨损。示例4
用厚度为0.07mm的Ag-Ti钎接材料把示例3中的商用氮化硅在真空中以950℃温度钎接在图10中的金属基体8上，以构成一活塞。金属基体8的主要尺寸示于表4中。使用材料为SCr440(日本工业标准4101)。
氮化硅直径等于金属基体的伞状部分直径。对凸轮滑动面进入加工，使其10点平均粗糙度小于或等于0.3μm。
钎接后，金属基体的外周滑动部分通过射频加热法进行表面淬火硬化。
隆起部分的测量方式与示例1中相同。对于伞部直径为30，27和12mm所使用的测量隆起部分的同心圆直径分别为25，22.5和10mm。对于伞部直径为30，27和12mm的相应隆起量分别为79-95μm，62-83μm和15-28μm。结果示于表4中。
                                                                    表4
  标号                   金属基体         滑动部件  隆起的轴向对称精度(％)   标注    D2/D1   D2/A2    L1/A2
        滑动部分        伞状部分
    直径(mm)D2    长度(mm)L1    直径(mm)D1  最大长度(mm)A2   厚度t(mm)A1   弹性强度(Mpa)
    +58     12     26     30     2.4     1.7     1000     65     0.400     5.00     10.83
    +59     14     26     30     2.4     1.7     ↑     58     0.467     5.83     10.83
    +60     14     26     30     2.4     1.7     1372     55     0.467     5.83     10.83
    61     16     26     30     2.4     1.7     1000     40     0.533     6.67     10.83
    62     16     26     30     2.4     1.7     1372     39     0.533     6.67     10.83
    63     18     26     30     2.4     1.7     1000     33     0.600     7.50     10.83
    64     20     26     30     2.4     1.7     ↑     20     0.667     8.33     10.83
    +65     12     26     27     2.4     1.7     ↑     57     0.444     5.00     10.83
    +66     14     26     27     2.4     1.7     ↑     52     0.519     5.83     10.83
    67     16     26     27     2.4     1.7     ↑     35     0.593     6.67     10.83
    68     18     26     27     2.4     1.7     ↑     29     0.667     7.50     10.83
    69     20     26     27     2.4     1.7     ↑     18     0.741     8.33     10.83
    70     18     26     30     2.4     0.6     ↑     10   裂纹     0.600     7.50     10.83
    71     18     26     30     2.4     0.8     ↑     13   裂纹     0.600     7.50     10.83
    72     18     26     30     2.4     1     ↑     18     0.600     7.50     10.83
    73     18     26     30     2.4     1.2     ↑     25     0.600     7.50     10.83
    74     18     26     30     2.4     1.4     ↑     27     0.600     7.50     10.83
    75     18     26     30     2.4     1.6     ↑     30     0.600     7.50     10.83
    76     18     26     30     2.4     2     ↑     41     0.600     7.50     10.83
    77     10     20     12     1.5     0.5     ↑     15   裂纹     0.833     6.67     13.33
    78     10     20     12     1.5     0.7     ↑     17   裂纹     0.833     6.67     13.33
    79     10     20     12     1.5     0.9     ↑     21   裂纹     0.833     6.67     13.33
    80     10     20     12     1.5     1.1     ↑     26     0.833     6.67     13.33
    81     10     20     12     1.5     1.3     ↑     28     0.833     6.67     13.33
    82     10     20     12     1.5     1.5     ↑     31     0.833     6.67     13.33
    +83     16     20     30     2.4     1.7     ↑     57     0.533     6.67     8.33
    +84     16     15     30     2.4     1.7     ↑     71     0.533     6.67     6.25
    +85     10     12     12     1.5     1.5     ↑     60     0.833     6.67     8.00
    +86     10     8     12     1.5     1.5     ↑     81     0.833     6.67     5.33
                 +：比较用试样
表中标号为70-82的试样装入带有压缩机式制动器的商用联机六缸顶阀式染油发动机(排气量为11000cc；所用机油为在城市中跑行500,000公里后的汽车发动机中的回收油)中，在2200转/分转速下做疲劳试验。图11表示装在发动机中的活塞。试验结果表明：由厚度小于1mm的陶瓷制成的70，71和77-79号试样在试验后立即在氮化硅中产生裂纹，而标号为72-76和80-82的试样在试验后在氮化硅中无裂纹产生，并且其凸轮尖部的磨损—如示例1中给出的平均磨损量和差值分别为8μm和2μm。示例5
图12表示制造出的挺杆。
把市场上可买到的、与示例3中相同的氮化硅材料1加工成厚度为2mm、直径为29.5mm的圆盘即可制成滑动面部件1，对凸轮滑动面进行精加工，使其10点平均粗糙度等于或小于0.3μm。金属基体14的构成方式有三种：
(1)上半部分14a和下半部分14b被加工成图13(1)中所示形状，然后连接在一起，最后装上滑动面部件1。
(2)上半部分14a和下半部分14b被加工成图13(1)中所示形状，然后装上滑动面部件1，最后把上半部分和下半部分连接在一起。
(3)加工成图13(2)中所示形状的整体金属基体。
对于(1)和(2)，上半部分14a和下半部分14b可由不同材料制成，也可由相同材料制成。可以有多种材料组合。金属基体14直径为φ30mm，开孔半径为26mm，总长度为39mm。详细尺寸见表5。
金属基体的连接方式见表5。
                                              表5
    标号   金属基体构成                 材料 金属基体连接 金属基体连接方法   隆起的轴向对称精度(％)
    上半部     下半部
    +87     拼合     SCr440     SCr440   钎接陶瓷前     电子束焊接     61
    +88     拼合     SNC836     SCM836   钎接陶瓷前     激光焊接     57
    +89     拼合     SNC836     SCM836   钎接陶瓷后     激光焊接     54
    +90     拼合     SNCM630     SNCM630   钎接陶瓷前   摩擦压力焊接     52
    +91     拼合     SCM435     S48C   钎接陶瓷后     激光焊接     65
    +92     拼合     SNCM630     SCM418(碳化)   钎接陶瓷后     电子束焊接     55
    +93     拼合     SCr440     SCr445   钎接陶瓷前     激光焊接     58
    +94     拼合     SCr440     SCr445   钎接陶瓷后     激光焊接     60
    +95     拼合     SCr420(碳化)     S55C   钎接陶瓷前     激光焊接     69
    +96     拼合     SNCM630  S45C(淬火材料)   钎接陶瓷后     电子束焊接     59
    +97     拼合   SNCM616(碳化) SNCM616(碳化)   钎接陶瓷前     电子束焊接     66
    98     整体     SCr440        -        -         -     20
    99     整体     SNCM630        -        -         -     13
    100     整体     S48C        -        -         -     33
    101     整体     SNCM616(碳化)        -        -         -     33
                 +：比较用试样
用厚度为0.06mm的Ag-Cu-Ti钎接材料在真空中以850℃温度把氮化硅盘和金属基本14a上半部分钎接在一起。
对于87-89，91，93-95，98和100的试样，当它们被加工成挺杆形状时，滑动部分(9，10)被高频硬化，然后，这些试样装入商用汽车的顶阀式柴油发动机中，在3000转/分的发动机转速下，使用从城市中跑行100,000公里后的发动机中取出的机油润滑，疲劳试验的有效持续时间为200小时。
对于90，97，99和101号试样，由于在钎接过程中钢在冷却时已被硬化，因此不须进行高频淬火硬化。
对于92和96号试样，上半部分14a的所用钢材与90号试样中相同，并且在钎接过程中被淬硬，然后，与已经被淬硬的下半部分14b接在一起。
每一试样的隆起部分的测量方式与示例3中相同。用于隆起部分测量的同心圆直径为φ25mm。隆起部分的精度示于表5中，隆起量为15-32μm。
疲劳试验结果表明：对于包括由两部分构成金属基体的试样87-97，示例1中所述的凸轮尖部平均磨损量均超过50μm，因此很难投入实用。对于包括整体结构金属基体并由单一材料制成的试样78-101，相应磨损量为9-18μm，小于前述试样的一半。
这一结果表明，本发明的由单一材料制成而具有整体金属基体的挺杆表现出优良的疲劳性能。
表中词“碳化”表明上、下组合部分被渗碳处理然后加以硬化。表中“硬化材料”意指上下组合部分被油淬硬化。
如上所述，本发明使用氮化硅材料的滑动面部件，并且该滑动面部件含有满足一定轴向对称精度要求的隆起轮廓。这样，即使使用了被排气部件污染的油，也能防止配对金属滑动部件的有害磨损和局部磨损。

Claims (12)

1.一种陶瓷滑动部件包括：由氮化硅材料制成并含有一滑动面的滑动面部件；具有比滑动面部件高的热膨胀系数的金属基体，金属基体和滑动面部件连接在一起；以及
构造在滑动面部件的滑动面上的隆起部分；
其特征在于：相对于隆起部分中心轴向对称的两个任意点间的隆起量差值与两点平均隆起量的比值百分值大于等于10％并小于等于50％。
2.按照权利要求1所述的一种陶瓷滑动部件，其特征在于：值d2xn/D介于0.07和1.4之间，即d2nx/D＝0.07～1.4，其中d为金属基体上所开的油孔直径，油孔用来循环润滑油并使基体内外相连，n为油孔数量，D为金属基体直径。
3.按照权利要求1所述的一种陶瓷滑动部件，其特征在于：值d2xn/L介于0.05和1.05之间，即d2xn/L＝0.05～1.05，其中d为金属基体上所开的油孔直径，油孔用来循环润滑油并使基体内外相连，n为油孔数量，L为金属基体总长度。
4.按照权利要求1所述的一种陶瓷滑动部件，其特征在于：值d2xn/W介于1.3和26之间，即d2xn/W＝1.3～26，其中d为金属基体上所开油孔直径，油孔用来循环润滑油并使基体内外相连，n为油孔数量，W为金属基体上构造油孔处的最小厚度。
5.按照权利要求1所述的一种陶瓷滑动部件，其特征在于：值d2xn/t介于1和20之间，即d2xn/t＝1～20，其中d为金属基体上所开油孔直径，油孔用来循环润滑油并使基体内外相连，n为油孔数量，t为与金属基体相连的滑动部件厚度。
6.按照权利要求1所述的一种陶瓷滑动部件，其特征在于：值d2xn/A介于0.2和4.2之间，即d2xn/A＝0.2～4.2，其中d为金属基体上所开油孔直径，油孔用来循环润滑油并使基体内外相连，n为油孔数量，A为金属基体连接面至油孔中心的距离。
7.按照权利要求1，2，3，4，5，6中任一个所述的一种陶瓷滑动部件，其特征在于：金属基体结构(刚性)相对于滑动面的直径方向两次或更多次对称。
8.按照权利要求7的一种陶瓷滑动部件，其特征在于：金属基体上构造有两个或更多的油孔，用来循环润滑油并使基体内外连通。
9.按照权利要求1所述的一种陶瓷滑动部件，其特征在于：金属基体含有一个与气缸体滑动接触的滑动部分和一个构造在滑动部分一端上的伞状部分，伞状部分与滑动面部件相连，金属基体的滑动部分直径(D2)和伞状部分直径(D1)间的比值D2/D1设定为0.5或更大些，而滑动部分直径(D2)和伞状部分最大厚度(A2)间的比值D2/A2设定为6.5或更大些。
10.按照权利要求9所述的一种陶瓷滑动部件，其特征在于：滑动部分(L1)长度是伞状部分最大厚度(A2)的10倍或更大。
11.按照权利要求9所述的一种陶瓷滑动部件，其特征在于：滑动面部件厚度(A1)为1mm或更大些。
12.按照权利要求1所述的一种陶瓷滑动部件，其特征在于：整个金属基体由单一、无连接材料制成。
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