SE526481C2 - Ythärdat rostfritt stål med förbättrad nötningsbeständighet och låg statisk friktion - Google Patents

Description

20 25 30 526 481 vara sådan att detaljen utsätts för kallbearbetning till en deformationsgrad tillräcklig för att åstadkomma en martensithalt av åtminstone 50%, företrädesvis åtminstone 70%. lstället för en härdningsbehandling som påverkar stålet helt igenom och homogent, ges komponenten av rostfritt stål i många applikationer en härdad yta, ofta refererat till som "sätthärdning". Principen för sätthärdning är att omvandla ett relativt tunt lager av material vid ytan av delen genom anrikning av kol eller andra ingredienser, för att göra ytan hårdare än substratet, där substratet utgör bulkmaterialet av stålet vilket behålls opåverkat av ytmodifieringen.

Rostfria stål är ofta sätthärdade genom uppkolning. Det är en process i vilken kolatomer diffunderar i lösning in i ytan av komponenten. Kända sätthärdningsprocesser utförs vid höga temperaturer medan uppkolningsprocesser utförda vid temperaturer runt 540 °C eller något högre (för rostfria stållegeringar) kan gynna bildning av karbider i den härdade ytan.

Stålverktyg, slitdelar och delar i stort med höga krav på styrka och/eller seghet och nötningsbeständighet beläggs ofta för att öka deras livslängd och för att förbättra arbetsbetingelserna. Kända processer så som CVD eller PVD används för att belägga olika delar. De använda lagren är hårda lager som vanligtvis bildas av nitrider, karbider eller karbonitrider av titan eller hafnium eller zirkon eller deras legeringar. Mångfalden av användningsområden för i första hand belagda verktyg är nämnda i följande publikationer: Proceedings of the 13"' Plansee-Seminar", Plansee, May 1993; och “Proceedings of the 20"' International Conference on Metallurgical Coatings", San Diego, April 1993. Dessutom åstadkommer dessa hårda beläggningar också en reduktion av statisk friktion hos formningsverktyg. l många mekaniska applikationer är inte bara hårdhet utan även den statiska friktionen av stålytan, vilket indikerats ovan, ett känt problem. Även 10 15 20 25 30 526 481 om smörjning görs kan den statiska friktionen orsaka avsevärd friktionsförlust, speciellt i fall där en växelverkande rörelse förekommer. Exempel på sådana applikationer är stötdämpare för fordon, hydrauliska system inom process industrin och inre delar av förbränningsmotorer, så som ventillyftare. Vid högfrekventa rörelseändringar kan den statiska friktionen orsaka en lokal temperaturhöjning på tätande metallytor hos stötdämpare vilket leder till försämrad prestanda och risk för läckage av hydraulisk olja.

För att minska den statiska friktionen beläggs vanligtvis utsatta ytor med någon form av lager med bättre egenskaper än det underliggande stålsubstratet. Förutom att ge en minskad friktion är en önskad egenskap hos sagda lager att skydda mot mekanisk nötning. Därför ska det pålagda lagret vara så hårt som möjligt. l hydraulisk styrningskontrollutrustning inom processindustri kan en hög statisk friktion orsaka ett rörelsemotstånd vilket försämrar precisionen hos den hydrauliska komponenten.

Förbränningsmotorer utgör en annan applikation där man eftersträvar att minska den statiska friktionen. Till exempel är en kritisk komponent ventillyftare för inlopps- och utloppsventiler. Ytan på vilken ventillyftaren verkar är utsatt för en mycket hög lokal last vilken kan resultera i betydande nötningsproblem.

Ett konventionellt sätt att minska den statiska friktionen och att öka hårdheten är att bereda en mycket jämn yta och därefter att applicera hård krombeläggning på denna yta. Den därmed uppnådda hårdhetsnivån för låglegerat smidesstål uppgår till omkring 1000 Hv. För att stödja lagret görs ofta en ythärdning innan den hårda krombeläggningen. Denna process är relativt komplicerad och involverar flera positioneringar av arbetsmaterialet till följd av de dimensionsförändringar det genomgår under härdningen.

I US-A-5830531 beskrivs en metod för beläggning av verktyg med en hårdnande och friktionsreducerande ytlagerkomposition. Först beläggs verktyget i en vakuumprocess, så som en PVD-process, med en första hård 10 15 20 25 30 526 481 beläggning liggandes direkt på verktygsmaterialet, och sen med ett, ovanpå denna, yttre friktionsreducerande lager över den hårda beläggningen.

Kornstorleken hos de hårda och friktionsreducerande lagren har en linjär medelvidd av mindre än 1 um, varvid utmärkt hårdhet och långa livslängder för verktyget uppnås. Däremot, för att uppnå den önskade hårdheten måste stålet först utsättas för ett härdningsförfarande innan beläggningen. Behovet av två behandlingar gör framställningen dyrare. l US-A-5707748 beskrivs en metod som är mycket lik metoden beskriven i US-A-5830531. Innehållet i dessa två US-patent tas, i och med denna referens, i deras helhet med iföreliggande beskrivning. l WO-A-99/55929 beskrivs en metod för att öka motståndet mot nötning hos ett verktyg eller maskinkomponent. Enligt detta patentdokument är ett skiktsystem framställt vilket är speciellt designat för verktyg eller maskinkomponenter vilka verkar under förutsättningar av otillräcklig smörjning eller torrkörning. Ett behandlat arbetsstycke består av en baskropp eller substrat av stål och ett hårt materiallagersystem bredvid substratet, pålagt ett metallager och slutligen ett glidlagersystem, varvid det sistnämnda företrädesvis är gjort av karbid, speciellt wolframkarbid eller kromkarbid och dispergerat kol. Även om bra hårdhetsvärden och låg statisk friktion uppnås är ”komposit”-systemet av flera lager komplicerat, tidskrävande och dyrt att tillverka.

Vidare beskrivs i WO-A-01/79585 ett DLC-lager (Diamant-Liknande Kol) för framställning av ett skiktsystem för skydd mot nötning och förbättrade friktionsegenskaper eller liknande. Nämnda system består av ett adhesivt lager som placeras på ett substrat, ett övergångslager som placeras på det adhesiva lagret och ett yttre lager vilket är gjort av diamant-liknande kol. Det adhesiva lagret består av åtminstone ett element från gruppen bestående av 4:e, 5:e och 6:e subgruppen och kisel. Övergångslagret består av diamant- liknande kol. Skiktsystemet har en hårdhet av åtminstone 15 GPa, 10 15 20 25 30 526 481 företrädesvis av åtminstone 20 GPa, och en adhesiv styrka av åtminstone 3 HF enligt VDI 3824 blad 4. Återigen, denna bakgrundsteknik kräver flera skikt, varvid den blir tidskrävande och komplicerad.

Plasma nitriering är en alternativ sätthärdningsprocess, vilken utförs i en glimurladdning i en kvävgas-innehållande blandning vid ett tryck av 100 till 1000 Pa (1 till 10 mbar), och det är en av de använda metoderna för att behandla ytor hos rostfria stål, vilket leder till ett diffusionslager av kväve som har en hög hårdhet och utmärkt nötningsbeständighet. Nitrieringhärdning är inducerad av utskiljningen av nitrider i ytskiktet. Plasmanitrering är den senast utvecklade ythärdningsprocessen och den har redan beskrivits i bakgrundstekniken. Denna process ersätter traditionella nitreringsprocesser så som gasnitrering och uppkolningsnitrering (korttids gasnitrering, badnitrering och tenifer behandling), eftersom identiska termokemiska förhållanden kan uppnås i denna process. Plasmanitrering åstadkommer högre hårdhet och nötningsbeständighet, och orsakar mindre formförändring.

Dessutom är plasmanitrering mycket konstnadseffektivt. Detta beror på att efterföljande bearbetning, färdigbearbetning och borttagning av rester ofta inte krävs. På samma sätt behövs kanske inga ytterligare skyddande vidtaganden, så som polering, fosfatering, etc.

Plasma nitrering utförs i en vakuumugn. Behandlingstemperaturer inom intervallet 400 till 580 °C används beroende på kraven för processen ifråga.

Typiska behandlingstemperaturer ligger i intervallet 420 till 500 °C.

Behandlingstider varierar mellan 10 minuter och 70 timmar beroende på komponenten som ska behandlas och den önskade strukturen och tjockleken av det formade lagret(en). De mest använda processgaserna är ammoniak, kväve, metan och väte. Syre och koldioxid används i det korrosionsskyddande steget av post-oxidation. Utöver de typer av processgaser som används är tryck, temperatur och tid huvudparametrarna av behandlingsprocessen.

Genom att varierar dessa parametrar kan plasmanitreringsprocessen 10 15 20 25 30 526 481 finjusteras till att uppnå de exakta önskade egenskaperna i vilken behandlad komponent som helst.

Vilket järnbaserat material som helst kan utsättas för plasmanitrering.

Processen kräver inte användning av speciella typer av nitreringsstål.

Dessutom kan de uppnådda resultatet av plasmanitrering reproduceras med exakt noggrannhet. Detta är speciellt viktigt vid framställning av serieprodukter. Däremot reducerar inte plasmanitrering den statiska friktionen betydligt.

Med avseende på den ovanstående relaterade teknik är det ett primärt syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma en låg statisk friktion och nötningsbeständig yta av rostfritt stål.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en låg statisk friktion på en mycket hård och nötningsbeständig yta av rostfritt stål på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt, med så få processteg som möjligt.

Ytterligare ett syfte med föreliggande uppfinning är att producera komponenter med avancerad geometri av rostfritt stål med en låg statisk friktion på en mycket hård och nötningsbeständig yta.

Dessa och andra syften har på ett överraskande sätt uppnåtts genom att bereda användning av ett specifikt rostfritt stål och ett specifikt rostfritt stål i sig enligt de självständiga patentkraven. Föredragna utföringsformer av uppfinningen definieras i de osjålvständiga patentkraven.

Föreliggande uppfinning avser metoder för applicering av en beläggning med låg statisk friktion på en specifik klass av rostfria stål.

Dessutom, resulterar denna beläggning med låg statisk friktion också i en mycket hård och nötningsbeständig yta. Beläggningen appliceras enligt den väl kända PVD-tekniken ("Physica| Vapour Deposition”) i enlighet med den 10 15 20 25 30 526 481 ovan refererade bakgrundstekniken. Stålet har visat sig ha den överraskande egenskapen att uppnå en betydande inre hårdhetsökning när beläggningen appliceras, varvid det nödvändiga hårda och bärande ytlagret skapas för att bära den håra och lågfriktions toppbeläggningen. Eftersom PVD-förfarandet utförs vid relativt låg temperatur bibehålls dimensionerna hos arbetsmaterialet utan några formförändringar. Användningen av PVD-tekniken på några specifika rostfria stållegeringar ger ett antal fördelar vid produktionen av, till exempel, cylindriska rör och kolvstänger för stötdämpare, kolvar för hydrauliska styrningsanordningar och ventillyftare för förbränningsmotorer.

För att illustrera, men inte i begränsande syfte, kommer nu en utföringsform av uppfinningen att beskrivas mer i detalj.

Innan några ytmodifieringar gjorts valdes en passande grupp av stål ut för föreliggande uppfinning. Den har de följande kompositionsintervallen (i vikts-%): Kol max 0,1 Kväve max 0,1 Koppar 0,5 - 4 Krom 10 - 14 Molybden 0,5 - 6 Nickel 7 - 11 Kobolt 0 - 9 Tantal max 0,1 Niob max 0,1 Vanadin max 0,1 Wolfram max 0,1 Aluminium 0,05 - 0,6 Titan 0,4 - 1,4 Kisel max 0,7 Mangan max 1,0 10 15 20 25 30 526 481 Järn resten jämte normalt förekommande ståItillverkningstillsatser samt föroreningar.

Detta rostfria stål innehåller kvasikristallina partiklar i en martensitisk mikrostruktur som en resultat av utskiljningshärdning, som beskrivits i de ovanstående nämnda referenserna till bakgrundsteknik US-A-5 632 826, WO- A-93/07303, WO-A-01/14601 och WO-A-01/36699.

För att åstadkomma en ytbehandling enligt föreliggande uppfinning valdes ett specifikt utskiljningshärdat stål (kallat “1RK91”) med följande sammansättning (i vikts-%): C + N max 0,05 Cr 12,00 Mn 0,30 Ni 9,00 Mo 4,00 Ti 0,90 Al 0,30 Si 0,15 Cu 2,00 Fe Resten På detta stål appliceras en beläggning med låg statisk friktion, sagda beläggning bestående av huvudsakligen titannitrid eller diamant-liknande kol - DLC- som appliceras med PVD-teknik. Detta inkluderar att metallbiten exponeras för temperaturer mellan 450 och 500 °C under ett par timmar. Inom samma temperaturregion, och efter bestämda intervall, sker en härdning av stålet varvid en hårdhet i storleksordningen 650 Hv uppnås. På detta sätt uppnås ett utmärkt stöd för beläggningen under samma arbetssteg. Tack vare den relativt låga behandlingstemperaturen behåller arbetsstycket sin form 10 15 20 526 481 mycket bra, vilket resulterar in en betydligt förenklad framställningsprocess.

På samma gång åstadkommas, trots ett tunnare skikt, tjockleken av vilken är i storleksordningen 6 pm, en överlägsen nötningsbeständighet i jämförelse med konventionella 25 um tjocka hårda kromlager på en härdad yta. Därmed är den stora fördelen med föreliggande uppfinning att appliceringen av den låg statisk friktions- och nötningsbeständiga beläggningen och den nödvändiga ythärdningen är frambringad i ett och samma förfarande.

En annan betydande fördel av föreliggande uppfinning är då arbetsstycket är i rörform för framställning av rörformade artiklar. Tack vare en utmärkt kallbearbetbarhet hos det rostfria stålet enligt uppfinningen, framställs enkelt rörforrniga produkter. Kostsamma långhålsbormingsförfaranden vilka annars krävs för vanligt förekommande stavformade produkter elimineras därmed.

Det ska påpekas att när extremt hårda och nötningsbeständiga ytor krävs, till exempel i vissa motorkomponenter, skulle det vara en möjlig modifiering av föreliggande uppfinning att inkludera ett plasmanitrerat lager enligt den ovanstående relaterade tekniken, vilken också beskrivs iden svenska patentansökan 0202107-9, mellan substratet och PVD-beläggningen enligt föreliggande uppfinning. Det skulle inte förorsaka några problem att utsätta det rostfria stålet för temperaturer inom intervallet 450 till 500 °C eftersom det enkelt kommer att motstå dessa temperaturer utan att visa tendenser till att mjukna.

Claims (5)

10 15 20 25 526 481 10 PATENTKRAV

1. Process för att framställa ett rostfritt stål med en låg statisk friktion på en mycket hård och nötningsbeständig yta kännetecknat av att en PVD-teknik används för applicering av en beläggning med låg statisk friktion, på nämnda rostfria stål, i ett och samma förfarande som en ythärdning av det rostfria stålet, l där nämnda stål har följande sammansättning (i vikts-%) : Kol max 0,1 Kväve max 0,1 Koppar 0,5 - 4 Krom 10 - 14 Molybden 0,5 - 6 Nickel 7 - 1 1 Kobolt 0 - 9 Tantal max 0,1 Niob max 0,1 Vanadin max 0,1 Wolfram max 0,1 Aluminium 0,05 - 0,6 Titan 0,4 - 1 ,4 Kisel max 0,7 Mangan max 1,0 Järn resten jämte normalt förekommande ståltillverkningstillsatser samt föroreningar.

2. Process enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda beläggning huvudsakligen består av diamant-liknande kol- DLC. 10 526 481 i I

3. Process enligt krav 1 eller 2 kännetecknat av att beläggningen huvudsakligen består av diamant-liknande kol - DLC med tillsats av wolframkarbid.

4. Process enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda beläggning huvudsakligen består av titannitrid.

5. Process enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda rostfria stål utsätts för en temperatur mellan 450 °C och 500 °C varvid nämnda ythärdning åstadkommas.