CN112128222A - 金属元件表面上的接触层和具有这种接触层的铰链 - Google Patents

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C.达约特
C.马塔
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Abstract

本发明涉及一种接触层(8)，其通过离心步骤在第一金属元件(7)的内表面(7B)上通过沉积方法形成。本发明还涉及一种铰接部件(1)，其包括具有设置该第一接触层(8)的表面(7B)的第一金属元件(7)，以及具有第二表面(3B)的第二金属元件(3)，所述第一元件(7)和第二元件(3)通过所述第一表面(7B)和第二表面(3B)相对运动。

Description

金属元件表面上的接触层和具有这种接触层的铰链
技术领域
本发明涉及一种施加到金属元件表面的接触层，该金属元件相对于另一金属元件相对运动。
本发明涉及一种接触层或接触层的组合，所述接触层或接触层的组合应用于球形接头型的铰链。本发明对航空领域的应用特别有益，其中需要使用合金，例如钛合金、镍合金或某些类型的钢，因为它们的机械温度、疲劳、重量减轻的特性以及它们有限的寿命。
背景技术
在航空工业中，已知的实践是使用金属球形接头来使两个构件(例如链节和结构部件)相对于彼此平移固定，同时允许这些构件相对旋转运动。
例如，在EP 1 431 597中描述的这种球形接头通常包括金属内环和金属外环。内环的内表面适于安装在轴上，而其外表面基本上是球形的，并且能够与外环的相应内表面配合。内环和外环因此在旋转中具有三个相对自由度，同时在平移中彼此服从。内环可以由两个连接的元件组成，每个元件的横截面为C形。
为了获得轻质金属球形接头，有利的做法是以金属或低密度金属合金形成内环和外环，特别是钛和钛合金。为了保证令人满意的机械强度，还可能需要生产镍合金或某些钢种的环。然而，上述金属和金属合金的摩擦特性不能防止关节在动态载荷下随着所述内环和外环之间或内环和轴之间的相对运动而磨损。
为了减轻这个问题，已知的做法是使用涂层来保护球形接头的接触表面，如在FR2 907 468和EP 2 048 389中所述。高硬度的薄涂层可以通过气相沉积(VPD)施加到第一接触表面上。与前面描述的VPD层相比，铜合金的厚涂层显示出较低的硬度和牺牲磨损性能，可以应用于第二接触表面。
然而，通过热喷涂获得的涂层具有较小的厚度，在终加工后为150到250μm，粘附性降低，意味着有结垢的风险，并且内聚力有限，导致显著的磨损率，限制了铰链的寿命和负载能力。
此外，通过热喷涂方法在小直径的内表面上施加涂层而不影响涂层质量通常是不可能的。由于这种限制，外部球接头环通常通过VPD方法涂覆，而内部环的球形表面通常通过热喷涂方法涂覆。从机械角度来看，这种配置不是最佳的。事实上，表现出牺牲磨损行为的涂层应该被施加到运动长度较小的表面上，从而使得尽管有磨损，也能够保持接触的一致性。
最后，热喷涂方法的局限性也决定了青铜合金管状轴承的使用，该轴承插入内环和轴之间，以防止这两个表面之间的磨损。
发明内容
本发明旨在弥补上述这些缺点。
更具体地，本发明旨在提供一种接触层，该接触层施加在抵靠另一金属元件相对运动的金属元件的表面上，例如用于诸如球形接头的铰链系统的应用，为增加的负载能力提供稳定的性能和改进的寿命。
本发明涉及一种接触层，其施加到第一金属元件的内表面上，该第一金属元件的内表面旨在相对于第二金属元件的表面相对运动，所述接触层通过包括以下连续步骤的方法形成:
(a)将金属元件引入并固定在圆筒形模具中，要容纳所述层的内表面远离模具内部；
(b)将要形成所述层的材料引入模具中；
(c)按逐渐增加的速度旋转所述模具，表面的浸渍在离心力的作用下进行；
(d)使所述层硬化，并使所述元件冷却；
(e)从模具中取出元件。
根据本发明，通过离心铸造在元件内表面沉积接触层。该方法对环的基底金属材料没有影响，无论是在表面上还是在内层上。
该方法的另一个优点是能够施加限定厚度的层，与通过其他已知方法施加的层相比，该层可以特别厚。因此，可以直接在接触层上加工一部分，例如凹槽，该加工部分的壁仍然被接触层覆盖。不再需要首先进行机械加工，然后施加接触层，通过已知方法得到的厚度在机械加工的部分内很难控制。
根据本发明的方法还允许在正确沉积的接触层和环表面的基底金属材料之间有更好的化学粘附，从而降低接触层分层的风险。
通过离心作用沉积的接触层通过增强晶粒冶金连续性而具有更好的内聚力，从而提高该层的耐磨性。还可以根据期望的应用，用标准化的环来分级形成接触层的材料的组成。
最后，金属元件的内表面覆盖有接触层，该接触层的材料被特别选择用于抵靠另一金属元件的表面的相对运动，该另一表面也可能覆盖有接触层，其类似或不同或不类似。
根据本发明的其他有利但非强制性的特征，这种接触层是铜合金，其铜含量为50到90％(按重量)，并且还可以包括以下特征，其单独或以任何技术上可接受的组合来考虑：
-所述层还包括其它元素，包括含量为5-15％(按重量)的铝，含量为2-8％(按重量)的镍，含量为1-7％(按重量)的铁。
-所述接触层是铜合金，其铜含量为70到90％(按重量)，并且包括其他元素，包括含量为10到20％(按重量)的镍，含量为5到12％(按重量)的锡。
-所述接触层的表面硬度为50到400HB，有利地为150到300HB。
-所述接触层的厚度为20到2000μm，有利地为100到300μm。
根据本发明的其他有利但非强制性的特征，这种接触层是锡合金，其锡含量为75到95％(按重量)，并且还可以包括以下特征，其单独或以任何技术上可接受的组合来考虑：
-所述接触层还包括其它元素，例如含量为5到15％(按重量)的锑，含量为2到10％(按重量)的铜。
-所述接触层的表面硬度为20到40HB。
-所述接触层的厚度为50到300μm。
根据本发明的其他有利但非强制性的特征，所述接触层包括由根据前述任一实施例的铜合金形成的底部第一层，以及施加到所述第一层并由根据前述任一实施例的锡合金形成的顶部第二层，并且还可以包括以下特征，其单独或以任何技术上可接受的组合来考虑：
-所述底部第一层的厚度为100到300μm。
-所述顶部第二层的厚度为2到20μm。
本发明还涉及一种铰接部件，其包括具有内表面的第一金属元件和具有第二表面的第二金属元件，所述内表面设有根据前述实施例之一的第一接触层，所述第一和第二元件通过所述第一和第二表面相对运动。
根据本发明的其他有利但非强制性的特征，所述铰接部分还可以单独或以任何可接受的组合包括以下特征：
-所述第一和第二元件由钛合金形成。
-所述第一和第二元件由镍合金形成。
-所述第一和第二元件由钢形成。
-所述第二元件的第二表面没有附加涂层。
-所述第二元件的第二表面设有硬度大于第一元件的第一表面的第一接触层的第二接触层。
-第二层的干滑动摩擦系数小于0.5，有利地小于0.2。
-第二层的润滑滑动摩擦系数小于0.2，有利地小于0.12。
根据本发明的其他有利但非强制性的特征，第二接触层通过热喷涂方法沉积在第二元件的第二表面上，特别是通过等离子喷涂、高速氧燃料或HVOF、或冷喷涂，并且还可以单独或以任何可接受的组合包括以下特征：
-第二接触层包括碳化钨，其含量为50到90％(按重量)。
-第二接触层还包含钴，其含量为5到25％(按重量)。
-第二接触层包括其它元素，例如铬，其含量为0到10％(按重量)，和/或镍，其含量为0到30％(按重量)。
-第二接触层的表面硬度为500到2000HB，有利地为800到1500HB。
-第二接触层的厚度为10到2000μm，有利地为50到200μm。
根据本发明的其他有利但非强制性的特征，第二接触层通过气相冷凝方法或“物理气相沉积”或PVD沉积，并且还可以单独或以任何可接受的组合包括以下特征：
-第二接触层由金刚石类型、“类金刚石碳”或DLC的碳涂层组成。
-DLC的第二接触层还包括额外的金属。
-所述金属可以是钨、钛、硅或镍。
-所述金属的浓度为3-20％(按重量)。
-DLC的第二接触层的表面硬度为800到5000HB，有利地为1200到2500HB。
-DLC的第二接触层的厚度为1到20μm，并且有利地为2到5μm。
-或者，第二接触层包括氮化铬。
-氮化铬的第二接触层的表面硬度为100到2800HB，有利地为1500到2300HB。
-氮化铬的第二接触层的厚度为1到50μm，有利地5到25μm。
-可选地，所述第二接触层包括包含金属的底部第一层和施加到所述第一层并由DLC组成的顶部第二层。
-底部第一层包括氮化铬。
-底部第一层由包含铬、钛或硅的金属连接层组成，厚度为0.02到5μm，有利地为0.1到1μm。
根据本发明的另一个有利但非强制性的方面，根据前述任一实施例的所述铰接部分由球形接头组成，并且可以单独或以任何技术上可接受的组合包括以下特征：
-第一元件由外环组成，其内表面设有根据前述实施例中的任一个的第一接触层。
-第二元件由内环组成，其外表面设有根据前述实施例中的任一个的第二接触层。
-内表面和外表面是球形的。
-内环设有中心孔。
-中心孔设有根据前述任一实施例的接触层。
-中心孔设有轴承。
-轴承是青铜制成的。
-轴承设置有内圆柱表面，该内圆柱表面设置有根据前述任一实施例的接触层。
附图说明
通过阅读下面纯粹作为非限制性示例给出的描述，将更好地理解本发明。
参考附图给出描述，其中:
图1是根据本发明实施例的安装在轴上的球形接头的横截面；和
图2是图1中的细节III的放大示意图。
具体实施方式
图1显示了球形接头类型的铰接部件，整体标记为1。
球形接头1包括内环3和外环7。这些环均由钛合金构成，例如TA6V型。或者，这些环由镍合金或钢制成。
外环7包括基本上圆筒形的外表面7A。外环7还包括球形内表面7B，更具体地为部分球形的形式，其通过侧壁7C连接到外表面7A。
内环3包括大致圆筒形的内表面3A，该内表面3A被设计成抵靠相应圆柱形轴9的外周设置。内环3还包括外表面3B，该外表面具有球形轮廓，更具体地是部分球形的形式，其对应于外环7的内表面7B。内环3和外环7因此相对于彼此具有三个旋转自由度。内环3的内表面3A和外表面3B表面通过侧壁3C相互连接。在图1的位置，内环3的侧壁3C在轴向截面上在外环7的侧壁7C的任一侧突出，其中，圆筒形表面7A与轴9同轴。根据未示出的实施例，内环3还可以具有装配在其内表面3A和轴9的外周之间的圆筒形套筒。例如，这个套筒可以由青铜制成。
球形接头1还包括第一接触层8和第二接触层4，其分别沉积在外环7和内环3的球面7B和3B上。沉积在表面7B上的第一接触层8形成外环7的一部分，并形成外环7的接触表面，用于在配合区Z中与内环3配合。同样，沉积在表面3B上的第二接触层4形成内环3的一部分，并形成内环3的接触表面，用于在配合区Z中与外环7配合
接触层4和8各自具有具体的特性，以适于提高内环3和外环7之间的界面处的摩擦系数。更具体地，添加到内环3的外表面3B上的第二接触层4的硬度大于外环7的内表面7B上的第一接触层8的硬度。
特别有利的是，添加到内环3的外表面3B上的第二接触层4具有小于0.5、优选小于0.2的干滑动摩擦系数，以及小于0.2、优选小于0.12的润滑滑动摩擦系数。
根据未示出的第一实施例，内环3的外表面3B上的第二接触层4通过热喷涂方法(特别是通过等离子喷涂、高速氧燃料(或HVOF))或冷喷涂沉积在第二元件的第二表面上。
第二接触层4包括碳化钨，其含量为50到90％(按重量)。第二接触层还可以包括含量为5到25％(按重量)的钴，以及可能的其它元素，例如含量为0到10％(按重量)的铬，和/或含量为0到30％(按重量)的镍。
根据该第一实施例，第二接触层4的表面硬度为500到2000HB，优选为800到1500HB，并且厚度为10到2000μm，优选为50到200μm。
根据第二实施例，第二接触层4通过气相冷凝方法或“物理气相沉积”PVD沉积。
根据未示出的第二实施例的第一变型，第二接触层4由金刚石类型或“类金刚石碳”DLC的碳涂层组成。DLC的第二接触层4可以进一步包括额外的金属，例如钨、钛、硅或镍，其浓度为3到20％(按重量)。
根据该变型，DLC的第二接触层4的表面硬度为800到5000HB，优选为1200到2500HB，并且厚度为1到20μm，优选为2到5μm。
根据未示出的该第二实施例的第二变型，第二接触层4包括氮化铬。第二接触层4的表面硬度为100到2800HB，优选为1500到2300HB，并且厚度为1到50μm之间，优选为5到25μm。
根据图2所示的该第二实施例的第三变型，所述第二接触层4包括包含金属的底部第一层6和施加到所述第一层6并由DLC组成的顶部第二层41。例如，底部第一层6可以包括氮化铬，或者底部第一层6由包括铬、钛或硅树脂的金属连接层组成，其厚度为0.02到5μm之间，有利地为0.1到1μm之间
根据未示出的第三实施例，内环3的外表面3B没有设置接触层，环的基底材料与外环7的内表面7B的接触层8直接接触。
根据本发明，第一接触层8根据包括以下步骤的方法沉积在外环7的内表面7B上:
(a)将外部金属环7引入并固定在圆筒形模具中，要接收所述层8的内表面7B远离模具内部；
(b)将要形成层8的材料引入模具中；
(c)按逐渐增加的速度旋转模具，表面7B的浸渍在离心力的作用下进行；
(d)使层8硬化，并使外环7冷却；以及
(e)从模具中取出外环7。
根据本发明的第一实施例，这种接触层是铜合金，其铜含量为50到90％(按重量)。
所述层8可以进一步包括其他元素，包括含量为5到15％(按重量)的铝，含量为2到8％(按重量)的镍，含量为1到7％(按重量)的铁。或者，所述接触层8是铜合金，其铜含量为70到90％(按重量)，并且包括其他元素，包括含量为10到20％(按重量)的镍和含量为5到12％(按重量)的锡。或者，所述接触层8是铜合金，其铜含量为70到90％(按重量)，并且包括其他元素，包括含量为30到40％(按重量)的镍和含量为2到8％(按重量)铟。根据又一替代方案，所述接触层是铜合金，其铜含量为70到90％(按重量)，并且包括其他元素，包括含量为5到15％(按重量)的铝、含量基本上等于1％(按重量)的铁，以及石墨。
根据该第一实施例，所述接触层8的表面硬度为50到400HB，优选为150到300HB，其厚度为20到2000μm，优选为100到300μm。
根据第二实施例，这种接触层8是锡合金，其锡含量为75到95％(按重量)。所述接触层8还可以包括其他元素，例如含量为5到15％(按重量)的锑，以及含量为2到10％(按重量)的铜。
根据该第二实施例，所述接触层的表面硬度为20到40HB，厚度为50到300μm。
根据未示出的第三实施例，所述接触层8包括由根据前述任一实施例的铜合金形成的底部第一层，以及施加到所述第一层并由根据前述任一实施例的锡合金形成的顶部第二层。所述底部第一层的厚度为100到300μm，而所述顶部第二层的厚度为2到20μm。
此外，不同实施例的技术特征可以全部结合，也可以仅它们中的一些结合。因此，球形接头可以在成本、性能和实施的简单性方面进行调整。
作为示例性实施例，已经针对球形接头类型的铰接部分描述了本发明。本发明可以应用于任何类型的铰接部件，并且更一般地，可应用于包括具有第一表面的第一金属元件和具有第二表面的第二金属元件的任何装置，这两个元件相对接触运动。

Claims (4)

1.一种接触层(8)，其位于第一金属元件(7)的内表面(7B)上，该内表面(7B)旨在抵靠第二金属元件(3)的表面(3B)相对运动，
其特征在于，所述接触层(8)包括:
-底部第一层，其由铜合金制成，其铜含量按重量为50-90％，并根据以下过程通过以下连续步骤形成：
(a)将金属元件(7)引入并固定在圆筒形模具中，要接收铜合金层(8)的表面(7B)远离模具内部；
(b)将要形成铜合金层(8)的材料引入模具中；
(c)按逐渐增加的速度旋转模具，表面(7B)的浸渍在离心力的作用下进行；
(d)使铜合金层(8)硬化，并使元件(7)冷却；
(e)从模具中取出元件(7)；以及
-顶部第二层，其由锡合金制成，所述第二层被施加到所述第一层上，并根据以下过程通过以下连续步骤形成:
(f)将金属元件(7)引入并固定在圆筒形模具中，要接收锡合金层(8)的表面(7B)远离模具内部；
(g)将要形成锡合金层(8)的材料引入模具中；
(h)按逐渐增加的速度旋转模具，表面(7B)的浸渍在离心力的作用下进行；
(i)使锡合金层(8)硬化，并使元件(7)冷却；
(j)从模具中取出元件(7)。
2.一种铰接部件(1)，包括具有内表面(7B)的第一金属元件(7)和具有第二表面(3B)的第二金属元件(3)，所述内表面(7B)设有根据权利要求1所述的第一接触层(8)，所述第一元件(7)和第二元件(3)通过所述第一表面(7B)和第二表面(3B)相对运动。
3.根据权利要求2所述的铰接部件，其中，所述第一元件(7)和第二元件(3)由钛合金、镍合金或钢形成。
4.根据权利要求2或3所述的铰接部件，其中，所述第二元件(3)的第二表面(3B)设有第二接触层(4)，其硬度比所述第一元件(7)的第一表面(7B)的第一接触层(8)的硬度大。
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