CN110004400A - 用于改善部件的耐磨性能的方法以及部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于改善部件的耐磨性能的方法以及部件，该方法包括以下步骤：(a)通过热喷涂在部件的全部或部分表面上沉积包含钼的层；(b)将部件的呈现包含钼的层的表面在高于室温的温度下与水溶液接触。本发明还涉及根据这种方法处理的部件。

Description

用于改善部件的耐磨性能的方法以及部件

技术领域

本发明属于表面处理领域。

更具体地，本发明的目的是提供以耐久的方式处理部件以改变其耐磨性能并且特别是耐机械磨损性能的方法。

本发明也涉及如此处理的机械部件。

背景技术

许多技术领域使用复杂的机构，其中部件相对于彼此的运动造成可能影响这些部件的可靠性和耐久性的磨损问题。

因此，在航空领域中，在发动机与塔架部件之间处于高温操作的铰链连接部由包括球形接头、轴和环的部件提供。

该球形接头系统通常包括凹入的部件和由轴承载的球形部件。将配合至凹入部中的球形部经历沿所有方向的旋转运动，使得球形部的表面与凹入部的表面处于对彼此的持久摩擦中。

在球形接头系统和其他类似系统的情况下，区分了两种类型的摩擦磨损。这些类型的第一种称为“微动磨损”，涉及通常为几微米的量级的非常低振幅的摩擦。微动磨损发生在相同种类或不同种类的两个表面之间，所述两个表面彼此接触并经受微振动类型的、具有足够低振幅的振荡运动，使得仅产生接触的部分滑动。第二种类型的摩擦磨损对应于运动的幅度可以达到几十毫米的滑动磨损。

摩擦磨损从在接触并且趋于紧密结合在一起的摩擦表面上出现的细微粗糙开始发展。当局部施加的载荷较高并且在两个摩擦表面的材料具有相似成分的情况下，摩擦导致表面磨损和表面退化，这甚至可能导致轴或球形接头的卡死。此外，当铰链连接部的环境具有高温，特别是在300℃与650℃之间时，这促进了粘着磨损的出现，该粘着磨损是导致卡死的最终原因。

在现有技术中已知各种用于改善摩擦表面的耐磨性的方法。

例如，存在用于改善钛合金的摩擦表面的耐久性和用于降低磨损指数的表面处理。该处理可以包括沉积氮化钛的涂层，或者基于氮的扩散的其他热化学处理，从而允许在钛合金部件的表面上形成几微米厚的TiN和Ti₂N类型的混合化合物。然而，这些处理限于钛合金表面并且不是非常适合用于球形接头类型的系统。而且，这些处理不能显著地减少滑动磨损和卡死的现象。

以空中客车运营有限公司的名义提交并于2017年4月21日公布的专利申请FR3042563提出了在由镍、镍合金或钴铬合金制成的两个部件之间的摩擦适应界面。该界面涉及两个适应层，每个适应层沉积在两个部件中的一个部件上。这些适应层中的第一层是钴、铬、钼和硅的合金的微孔层，但是由在第二部件的表面上碳扩散的热化学处理获得的第二适应层与第一适应层相互作用使得在第一适应层上形成氧化层。尽管这种适应界面可以在300℃与650℃之间的操作温度下显著地减少由摩擦引起的粘着磨损，但是这种适应界面仅适用于由镍、镍合金或钴铬合金制成的部件，并且需要对接触的两个部件中的每一个部件进行两次单独的处理。

我们还可以提及使用有机树脂来改善耐磨性，该有机树脂通常在固化之前以液体形式施加并且因此是润滑膜的形式，其必须显示出特别是在摩擦系数的水平上的某些特性。该有机树脂必须厚度小、稳定且坚固。事实上，在所有相关领域中，并且特别是在航空领域中，用于减少运动部件之间的磨损的有机树脂膜必须具有非常小的厚度，以使不干扰装置的操作原理。有机树脂膜的存在不得导致例如由于过高的蒸气压、释气的现象或液体的流动而引起的机构或环境的污染。此外，在与不可能保养运动部件的期间相匹配的时间，有机树脂必须具有高稳定性以确保保持摩擦性能并借助于降解副产物的形成来限制污染的现象的发展。有机树脂相对于侵蚀性环境也必须具有非常高的耐久性。

本发明具有提出一种易于实施并且可以改善任何系统的耐磨性能而无论两个部件的材料且无论工作温度如何的方法的目的，在所述系统中两个部件相对于彼此的运动产生磨损的问题。

发明内容

为了该目的，本发明提出了一种用于改善部件的耐磨性能的方法，该方法包括以下步骤：

a)通过在部件的全部或部分的表面上热喷涂来沉积包含钼的层；

b)使部件的具有包含钼的层的表面在高于室温的温度下与水溶液接触。

根据本发明的方法单独或组合地具有以下可选的特征的至少一者。

待处理的部件的表面由选自钛合金、镍合金和奥氏体不锈钢的材料制成。

待处理的部件是选自球形接头系统的部件、活塞杆、环、齿轮、凸轮轴、阀、喷射泵、轴承壳、轴承和轴的部件。

在根据本发明的方法的步骤(a)中，使用的热喷涂是等离子喷涂。

在根据本发明的方法的步骤(a)中，通过热喷涂沉积的层主要地包含钼。

在根据本发明的方法的步骤(b)中，水溶液仅包含水。

在根据本发明的方法的步骤(b)中，水溶液包含至少一种除溶剂外的其他元素。

在根据本发明的方法的步骤(b)中，以静态模式或以动态模式进行接触。

在根据本发明的方法的步骤(b)中，接触具有在1小时与54小时之间并且特别是在5小时与48小时之间的持续时间。

在步骤(a)之前，根据本发明的方法具有表面喷砂的步骤或加工步骤。

本发明也涉及一种部件，在该部件的全部或部分的表面上沉积有包含钼的层，该部件然后根据如上限定的方法在高于室温的温度下进行水合。

附图说明

图1示出了摩擦系数随施加于部件的循环数的变化，其中该部件为根据本发明的方法的、即其表面涂覆有包含钼的层然后在大于或等于40℃的温度下进行水合的部件。

图2示出了用于比较的摩擦系数随施加于部件的循环数的变化，其中该部件的表面涂覆有包含钼的层但是没有在大于或等于40℃的温度下进行水合。

图3示出了用于比较的摩擦系数随施加于部件的循环数的变化，其中该部件的表面涂覆有包含钼的层然后涂覆有有机树脂层。

具体实施方式

本发明提出了一种两步的处理的方法，仅其第一步需要适合于热喷涂特别是等离子喷涂的设备。因为第二步处于中等温度即高于室温进行水合，所以第二步非常易于进行。

包含钼的层的沉积处理与水合的积极组合可以显著改善机械部件的耐磨性能。因为水合保持了包含钼的层的孔隙率，所以对应于该水合的第二处理保持了由包含钼的层提供的耐磨性方面的改善。其他已知的处理比如有机树脂的沉积将具有相反的效果：其消除了由包含钼的层提供的改善。

此外，包含钼的层的沉积处理与水合的积极组合不改变被处理的部件的耐腐蚀性或者甚至改善被处理的部件的耐腐蚀性。

最后，两步的处理方法能够使用在所有机械部件上，而没有其组成的材料和使用这些机械部件的温度的任何限制。

因此，本发明涉及一种用于改善部件的耐磨性的方法，包括以下步骤：

a)通过在部件的全部或部分表面上热喷涂来沉积包含钼的层；以及

b)使部件的具有包含钼的层的表面在高于室温的温度下与水溶液接触。

“耐磨性能的改善”是指根据本发明的方法的部件即表面的至少一个区域具有包含钼的层并且在高于室温的温度下进行了水合的部件，相对于相同但是未经处理的部件已经改善了耐磨性能。

“室温”是指22℃±5℃的温度。因此，“高于室温”是指高于27℃的温度。

“未经处理的部件”是指既未涂覆有包含钼的层也未在高于室温的温度下进行水合的部件。这种改善可以通过本领域技术人员熟悉的技术来证明或者量化，比如测量摩擦系数的值。

通常，摩擦系数的值是在相对于彼此滑动、滚动或旋转的两个部件之间存在润滑剂的情况下测量的。通常用在航空领域中的任何润滑剂都可以用于此目的。作为这种润滑剂的具体示例，我们可以提及锂基润滑剂，并且特别是下述润滑剂：其包括(i)基于烃类和酯类并且通过锂复合物增稠的合成油、(ii)氧化和腐蚀抑制剂以及(iii)承载添加剂。这种润滑剂的一个示例是由Shell生产的产品。

摩擦系数的值是用下述类型的基本试样测量的：所述基本试样具有在存在特别是如上所述的润滑剂的情况下在轨道上滑动的销。

在相同的操作条件下，根据本发明的方法处理的部件的摩擦系数相对于未处理部件获得的摩擦系数减小了。

此外，应当指出的是，在相同的操作条件下，根据本发明的方法处理的部件的摩擦系数相对于仅进行根据本发明的方法的步骤(a)的部件即至少一个表面区域具有包含钼的层但未进行水合的部件获得的摩擦系数而言减小了。因此，在如在下面的实验部分中限定的操作条件下，根据本发明的方法处理的部件的摩擦系数相对于仅进行了根据本发明的方法的步骤(a)的部件即至少一个表面区域具有包含钼的层但未进行水合的部件获得的摩擦系数而言减小了至少5％并且特别是减小了至少10％。

本发明适用于任何部件，当所述任何部件的表面与第二部件接触时，其可能通过上述摩擦经受两种类型的磨损中的至少一种，即微动磨损或滑动磨损。

从本发明的意义上说，“表面”应理解为物体或固体的外部部分，该外部部分沿所有方向限制该物体或实体。对于同一个物体(或实体)，可以在概念上定义不同的表面。本发明适用于任何类型的表面，而无论其几何形状如何。后者可以是简单的，比如完全平坦的表面，或者较复杂的，比如凹表面或凸表面，而无论组成表面的材料和其所依赖的其余部件。

在本发明的情况下，待处理的部件即要改善其耐磨性能的部件的表面，可以是无机表面、有机表面比如树脂的表面或者复合材料表面比如具有有机基体的复合材料、具有陶瓷基体的复合材料或者具有金属基体的复合材料的表面。

特别地，当待处理的部件的表面为无机表面时，后者可以是导电材料、半导体材料和/或绝缘材料的表面。

在本发明使用的导电材料中，我们可以提及金属、贵金属、氧化金属、过渡金属、金属合金以及特别是非限制性示例的镍、锌、金、铂、钛、钢的混合物及其合金。更具体地，待处理部件的表面由选自例如被称为TA6V的合金的钛合金的材料制成，该合金是包含钛、6wt％的铝和4wt％的钒、例如的镍合金和奥氏体不锈钢的钛合金。

在本发明的情况下，待处理的部件可以是选自比如球或球接头的球形接头系统部件、活塞杆、比如密封环的环、齿轮、凸轮轴、阀、喷射泵、轴承壳、轴承和轴。

在本发明的情况下，待处理的部件可以是有任何尺寸和形状的。根据本发明的方法的特定特征是其在小型部件和大型部件上均能够使用。

根据本发明的方法的第一步(步骤(a))包括通过热喷涂在待处理的部件上沉积包含钼的层。

任何热喷涂技术都可以用于本发明的上下文中。其特别选自包括火炬喷涂、电弧喷涂、超声波火焰喷涂和等离子喷涂的组。

在根据本发明的方法的步骤(a)中使用的热喷涂是等离子喷涂。

等离子喷涂，也被称为“等离子喷镀”，是一种热涂覆方法，该热涂覆方法包括将微粒材料引入至等离子流中，其中微粒在其碰撞在待涂覆的表面上之前熔化并加速。因此，等离子喷涂使得可以通过将高能高温热源与相对惰性的喷射介质(等离子气体)和高速微粒相结合来获得高质量的涂覆。

根据本发明的方法的步骤(a)可以在环境空气下进行(其之后被称为APS方法，用于“空气等离子喷涂”)或者在包含中性气体的腔室中进行。在后者的情况下，使用的方法取决于腔室中存在的特定条件，并且该方法可以被指定为用于“低压等离子喷涂”的LPPS方法、用于“惰性等离子喷涂”的IPS方法或者用于“大气和温度控制的等离子喷涂”的ATC PS方法。

已知可以用在根据本发明的步骤(a)的等离子喷射中的各种类型的等离子气体，并且这些等离子气体特别地选自氧气、丙烷、氦气、氩气、氢气、氙气、氖气、氪气及其混合物。“混合物”既是指二元混合物比如氩气和氢气的混合物、氧气和丙烷的混合物或氩气和氦气的混合物，也是指三元混合物比如氦气、氩气和氢气的混合物。

通常，该部件固定并且居中在通过马达旋转的转盘上以使其表面待被涂覆。作为变型，待涂覆的部件可以通过马达平移移动。定位在部件的外围处的冷却器确保部件的温度保持恒定并且接近于室温，以避免部件的变形或其机械特性的退化。

在根据本发明的方法的步骤(a)的第一实施方式中，该层主要地包含钼。“主要地”是指钼的重量相对于层的总重量的比例大于或等于70％。钼的重量相对于层的总重量可以大于或等于80％，通常大于或等于90％，特别地大于或等于95％，特别地大于或等于96％，更特别地大于或等于97％，甚至更特别地大于或等于98％，或者甚至大于或等于99％。任选存在的其他元素是添加和/或杂质的元素，其通过重量表示的总量相对于包含钼的层的重量小于或等于30％。其他元素的重量的总量相对于层的总重量小于或等于20％，通常小于或等于10％，特别是小于或等于5％，特别地小于或等于4％，更特别地小于或等于3％，甚至更特别地小于或等于2％，或者甚至小于或等于1％。

在根据本发明的方法的步骤(a)的第二实施方式中，该层是钼合金并且特别是钼和铜的合金的层。

在根据本发明的方法的步骤(a)之后，待处理的部件的全部或部分表面涂覆有包含钼的层，所述层是多孔的，具有微米级的孔径。

通常，该层的厚度在100μm与2mm之间，特别地在110μm与1mm之间，特别地在120μm与700μm之间。为了实现包含钼的层的所述厚度，也就是说，在根据本发明的方法的步骤(a)之后并且在根据本发明的方法的步骤(b)之前，可能需要对该层进行减小其厚度的处理，比如碾磨、研磨或者机械加工。

根据本发明的方法的第二步(步骤(b))包括使部件的涂覆有包含钼的层的表面进行水合。该水合在水溶液的存在下并在高于室温的温度下进行。

在根据本发明的方法的步骤(b)中使用的溶液包含水作为溶剂，因此证明了水溶液的命名是合理的。“水”是指自来水、去离子水、蒸馏水或超纯水(18.2MΩ)。在根据本发明的方法的步骤(b)中使用的溶液可以是中性、酸性或碱性水溶液。如果需要，本领域技术人员将能够确定最合适的pH并因此修改水溶液的pH。

通常，步骤(b)中使用的水溶液仅包含水。作为变型，该水溶液可以包含除溶剂外的至少一种其他元素。能够改善涂覆的部件的某些性能或者能够加速或促进根据本发明的方法的任何成分都可以存在于在步骤(b)中使用的水溶液中。作为另一种成分的示例，我们可以提及腐蚀抑制剂添加剂和氧化抑制剂添加剂。作为另一种成分的更具体的示例，我们可以提及选自由氟化化合物、锡酸盐基化合物、钼酸盐基化合物、硅酸盐基化合物、铈(III)基化合物、磷酸盐基化合物、(重)铬酸盐基化合物、钴基化合物、羧酸盐基化合物、亚硫酸盐基化合物及其混合物组成的组中的一项。

在第一实施方式中，步骤(b)包括在高于室温的温度T下准备如上限定的水溶液然后使该溶液与部件的具有包含钼的层的表面接触以及将整体保持在温度T。

在第二实施方式中，步骤(b)包括处于室温准备如上限定的水溶液然后使该溶液与部件的具有包含钼的层的表面接触以及使整体温度T大于或等于室温。

当使用合适的计量装置(例如温度计或热电偶)进行的水溶液的温度的测量给出的值在测量不确定性内接近于所需温度通常达15分钟时，假定已到达了被称为“处理温度”的温度T。

在本发明的情况下，处理温度高于30℃，特别是高于40℃，通常在40℃与98℃之间，特别地在60℃与97℃之间以及，更特别地，在80℃与95℃之间。

在根据本发明的方法中，可以使部件的具有包含钼的层的表面通过任何允许部件的具有包含钼的层的表面的均匀水合的方式与水溶液接触。因此，步骤(b)中的接触可以以静态模式或以动态模式进行。

在也被称为“批处理模式”的“静态模式”中，部件的具有包含钼的层的表面并且通常是该部件浸入并保持在水溶液中，后者被任意地搅动。水溶液经受的任意搅动可以是机械搅动、磁搅动或通过超声的搅动。为了该目的，可以使用混合器、搅拌器、磁棒、超声波清洗器或均质器。

在也被称为“列模式”的“动态模式”中，水溶液在部件的具有包含钼的层的表面上流动。

在部件的具有包含钼的层的表面与水溶液之间的接触进行小于96小时、特别是小于72小时以及特别地小于60小时的时间。有利地，该接触具有在1小时与54小时之间并且特别是在5小时与48小时之间的持续时间。

在根据本发明的方法的情况下并且更具体地在接触步骤期间，当接触步骤以静态模式进行时，为了补偿由处理温度引起的蒸发，可能需要用水持久地补充水溶液的体积。可以有利地使用任何特别是通过蒸汽的冷凝(回流安装)可以保持基本上恒定体积的水溶液的装置。

此外，在根据本发明的方法的情况下并且更具体地在接触步骤期间，必须使水溶液的温度保持在如上限定的处理温度。为了该目的，在加热元件和温度调节装置的存在下进行接触，该温度调节装置能够将所述加热元件保持在设定温度，该设定温度选择成使得达到并保持所述设定温度时，水溶液的温度保持在处理温度。

在根据本发明的方法结束时，即当在部件的具有包含钼的层的表面与水溶液之间的接触的时间已经过去时，可以对表面进行漂洗。该漂洗步骤显著地使得可能除去除如上定义的溶剂之外可能存在于水溶液中的其他元素。该漂洗通常使用与水溶液的溶剂相同的溶剂进行。一旦已经漂洗了部件的具有包含钼的层的表面，就将其留在干净的环境中干燥，以防止处理过的部件的表面的任何固体或液体污染。

如果以静态模式进行接触，部件的具有包含钼的层的表面以及因此该部件从水溶液中离开然后通过将其浸入在洗涤溶液中或通过使洗涤溶液从该表面上流过来洗涤。如果以静态模式进行接触，则用洗涤溶液替换从部件的具有包含钼的层的表面上流过的水溶液。

根据本发明的方法，任选地在进行步骤(a)之前，可以具有用于准备部件和促进钼基层在待处理部件的表面上的粘附的步骤，特别是借助于通过机械固定和/或通过增加待涂覆表面的粗糙性来增加钼基层的粘附。所述步骤可以包括对表面的喷砂步骤即用研磨料喷涂的步骤或者加工步骤。

本发明也涉及一种部件，该部件根据如上限定的方法在部件的全部或部分的表面上沉积有包含钼的层，然后在高于室温的温度下进行水合。

对该方法的所有前述说明在细节上作必要的修正后适应于根据本发明的部件。

为了说明和非限制性的目的，在阅读以下给出的示例时，本发明的其他特征和优点将变得更加清楚。

I.根据本发明的处理

I.1.沉积包含钼的层的步骤

以板状形式由TA6V制成的部件，当其通过碾磨、研磨或加工完成时，通过等离子喷涂涂覆有具有150±20μm的厚度的包含钼的层。

I.2.水合步骤

当部件涂覆有包含钼的层时，以板状形式的由TA6V制成的部件在80℃至95℃的温度下放置在自来水中24小时。

II.摩擦系数的测量

在8Hz的频率和530MPa的接触压力作为测试条件的情况下，通过在由Shell生产的型润滑剂的存在下在铜合金销与由TA6V制成的轨道之间滑动来研究磨损行为。摩擦系数的值在摩擦计上测量。

当该表面进行了如上述I点中限定的处理的方法时，摩擦系数为0.18(图1)。

应当指出的是，仅进行如上述I.1点中限定的根据本发明的方法的第一步的TA6V的表面具有0.20的摩擦系数(图2)。

为了比较，根据如在点I.1中限定的方案覆盖有包含钼的层的TA6V的表面具有0.35的摩擦系数(图3)，所述层随后被有机树脂层覆盖。

此外，对进行如上述点I中限定的处理的方法的TA6V的表面获得的摩擦系数在达300000次循环后仍然稳定，然而，在覆盖距离的相同条件下，从60000次循环开始，涂覆有包含钼的层和有机树脂层的TA6V的表面的摩擦系数是不稳定的但总是处于高值，即大于或等于0.35。

如已经解释的，相比于阻塞包含钼的层的孔的有机树脂，水合不改变该层的多孔结构。存在于钼层中的孔在测试的条件下和因此在根据本发明的方法处理的金属部件的使用的条件下起润滑剂贮存器的作用。

Claims (11)

1.一种用于改善部件的耐磨性能的方法，所述方法包括以下步骤：

a)通过在所述部件的全部或部分的表面上热喷涂来沉积包含钼的层；

b)使所述部件的具有包含钼的层的所述表面在高于室温的温度下与水溶液接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述部件的所述表面由选自钛合金、镍合金和奥氏体不锈钢的材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述部件是选自以下部件中的部件：球形接头系统、活塞杆、环、齿轮、凸轮轴、阀、喷射泵、轴承壳、轴承和轴。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，在所述步骤(a)期间，使用的所述热喷涂是等离子喷涂。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，在所述步骤(a)期间，通过热喷涂沉积的所述层主要地包含钼。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，在所述步骤(b)期间，所述水溶液仅包含水。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，在所述步骤(b)期间，所述水溶液包含至少一种除溶剂外的其他元素。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，在所述步骤(b)期间，以静态模式或以动态模式进行接触。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，在所述步骤(b)期间，所述接触的持续时间在1小时与54小时之间，特别是在5小时48小时之间。

10.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，在所述步骤(a)之前，所述方法具有对所述表面喷砂的步骤或加工步骤。

11.一种部件，所述部件根据权利要求1至10中的任一项所述的方法在所述部件的全部或部分的表面上沉积包含钼的层，然后在高于室温的温度下进行水合，其中钼相对于所述层的总重量的重量比例大于或等于70％。