TWI275664B - Method of treatment of ferrous alloy components to improve their friction properties, without deformation - Google Patents

Description

1275664 A7 B7 五、發明説明（1 ) '~" 發明範疇 本發明係關於一種處理亞鐵合金組件以改良其摩擦性質 ’主要係其之抗磨抽（s e i z i n g)及黏者性，而不會有失去硬 度或變形之風險的方法。 本發明適用於具高機械性質之鋼或鑄鐵之組件，即其之 回火溫度低於200°C 〇 發明背景 熟悉技藝人士知曉在不存在潤滑劑之下彼此摩擦的兩鋼 組件將會非常快速地磨損。熟悉技藝人士亦知曉潤滑劑之 功能係由藉由促進滑動及熱釋放之薄膜將接觸表面分離所 組成。潤滑劑薄膜可防止產生會促成磨損及材料轉移的微 熔接點。 為有效，潤滑劑薄膜必需具有大於表面不平整之高度的 厚度。薄膜厚度係大大地視物理化學表面性質及微觀的表 面形態而定。然而，直接由機器加工而得之鋼具有當負荷 或速度變大時，潤滑劑薄膜之厚度通常不足以確保連續潤 滑的表面特性。 已發展出目標在於改良潤滑劑之吸收或抗溶接特性或甚 至同時改良兩者之鋼的表面處理。 在機械工程工業中，目前使用兩種類別的處理於改良潤 滑劑的保留：磷酸化及低溫硫化。磷酸化主要係要提高經 潤滑接觸點的抗磨損性，及硫化另由於生成硫化鐵（六方 FeS)而賦予表面抑制熔接之性質，且抗磨損性質接著將優 於利用磷酸化所製得者。 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 1275664

化合物諸如磷酸鐵或硫仆钟 飞瓜化鐵之物理化學性質說明潤滑劑 的改良潤濕，由於此等成份的矣品处土 > 双仂的表面能遠鬲於鋼的表面能。 再者，此等成份具有低的抗剪 刀切性以及優異的調節容量， 而使其可改良適配運轉的條株芬、☆ 幻馀件及文到表面疲勞之接觸點的 耐磨損性。 FR-A-1 406 530中說明你嘯，丄 ;孤水中於溶融鹽中的電解硫化 作用。 低溫硫化作用係使用陽極電解作用在約2〇(rc之溫度下 料㈣u合物中進行’而導致生成六方硫化鐵Fes。此 最後提及之方法說明於申請人之專利fr_a_2〇5〇 754中。 然而，根據先前技囈塗布之組件不再能滿足新的需求， 尤其係關於使用於新—代之直接喷油發動機的機構。 發明概要 本發明之一目的為製得在極端的壓力及速度條件下具有 改良摩擦性質，主要係其之抗磨損及黏著性，而不會失去 硬度或變形的亞鐵合金組件。 此目標以及其他可由閱讀以下說明而明白之目標可由本 發明之方法所實現。 發明詳述 本申請人驚人地發現對於具有硫化鐵之塗層的亞鐵合金 、、且件’石瓜化鐵塗層之表面的殘形維數（fractai dimension)扮 决決疋性的角色’且其在任何情況中具有較化學計量、結 晶結構、或純度甚大的影響。 因此’本申請人發展出一種製得可以非常低之分散以及 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1275664 A7 B7 五、發明説明（3 ) 高循環數支承非常高之磨損負荷之亞鐵合金組件的方法， 其係由在該組件上沈積具有適當厚度及Fe/S比之硫化鐵塗 層所組成，其特徵在於該塗層係選自表面具有至少等於2.6 之殘形維數的塗層。 舉例來說，根據本發明之方法製得之組件在根據標準 ASTM-D-2670於FAVILLE LEVALLY機器上之試驗中可承 受等於至少約3000 daN之磨損負荷，最大公差等於約5〇/〇， 及根據漢斯勒（Hamsler)試驗之循環數等於至少約30〇。 熟悉技藝人士將可容易地決定適當的厚度及Fe/S比。如以 下的實施例所示，太小的厚度儘管殘形維數等於至少2.6， 仍不足以確保抗磨損性，而太大的厚度則無法得到等於至少 2.6之殘形維數。此等參數將需對各個別情況經實驗調整。 塗層最好係選自表面具有在2·65及2_75之間之殘形維數 的塗層。 在本發明之一較佳具體實施例中，塗層係選自具有化學 計量相當於在約0·69及0.85之間之Fe/S比的塗層。/、 干 將亦可有利地選自具有低於約15微米之厚度曰声 低於約6微米再更佳。 曰 殘形維數係利用糙度指示計，例如具有以下特性之益 觸、共焦型之3D糙度指示計測得： ‘、’、 橫向解析度 300毫微米 垂直解析度 30毫微米 -6 - 1275664 A7

垂直位移 1毫米 :著：使：糙度指示計測得之數據輪入特殊的計算演算 /中/、取仲測定殘形維數所需的數學量。 數使用高解析度的糖度指示計，以確保殘形維 數的丰相I。亦應制無接觸賴度指㈣，以確 面形態絕不會在糙度分佈的測量過程中改變。 ，、又 :化鐵塗層係利用熟悉技藝人士已知之 鐵合金組件上，例如經由根撼直 王於亞 豳样中之雷魅访 406 530於熔融 孤槽^之電解硫化作用，或於鹽水中之硫化作用，或如由 本申請人以實驗展示之於鹽槽中的硫化作用。 本發明亦關於根據說明方法所選擇的組件。 以下之實施例提供本發明的非限制性說明。 實施例1 以下列條件處理經進行膠結、驟冷及表面處理之鋼16 NC6之直徑6,35亳米及高度4〇毫米的圓柱形試樣（圓柱體广 406 530於熔融鹽中之雷解硫化4^^ -處理溫度：19〇。〇 -浸泡時間：1 5分鐘 鹽水之組合物（重量百分比）：SCN-= 62.75%

Na+ = 7.1 % K+= 30.15% 電流密度：2_8至3·2安培/平方分米（dm2) i# 2 : 水中之疏化作用

-處理溫度：100至135°C

本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇χ297公釐) 1275664 A7 ___ _B7 _ 五、發明説明（5 ) -浸泡時間：3至1 0小時 -鹽水之組合物（重量百分比）： 〇ΙΓ=8.50% S2〇82'= 12.10% S2O32" = 8.86% 〇Γ= 1.52%

Na+ = 19.02% 槽中之硫化作用

-處理溫度：18〇至280°C -浸泡時間：1·5至3小時 -鹽水之組合物（重量百分比）： ojj-尸21〇〇/〇 S2〇82=24.20% S2〇32'= 17.75% HS04'= 33.75% NH4 = 6.25%

Na+= 15.95% 於處理之後，試樣具有硫化鐵之塗層。然後將試樣塗油 ，並於 FAVILLE LEVALLY機器上（根據 ASTM-D-2670)測試 ’使經處理的圓柱體於經進行膠結及驟冷但未經額外處理 之鋼1 6NC6的兩顎夾之間旋轉。試驗係由提高施加至圓柱 體之負荷直至發生磨損為止所組成。然後測定磨損負—主 試驗經重複5次，以計算平均磨損負荷以及測量分散、。何， 在測試之前將各圓柱體定性，以測定處理後之冷屑 的殘形維數。殘形維數係使用具有以下特性之無接^表2

1275664五、發明説明（6 A7 B7

焦型之3 D糖度指示計測得： 橫向解析度 300亳微米 垂直解析度 30毫微米 垂直位移 ！亳米 接著將利用糙度指示計測得之數據輸入特殊的計瞀广管 法中，其取得測定殘形維數所需的數學量。"^廣 根據本發明，選擇表面具有等於至少2·6之殘形維數的塗 層。 所得結果呈現於下表〗，並於相同的試驗條件中比較。為 作比較，未經處理之試樣在試驗開始時即磨損。 Α1 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐) 1275664 A7 B7 五、發明説明（7 ) 圓柱體之 處理 塗層表面之 殘形維數(D) Fe/S 比 (±0.2) 層厚度 (土 1 μηι) 平均磨損 負荷_) 分散 (%) 條件1，15分鐘， 在2.8 A/dm2下 2.18 0.80 5 1600 20 條件1，15分鐘， 在3.2 A/dm2下 2.23 0.81 5 1500 20 條件2，在100°C 下10小時 2.30 0.80 5 1600 20 條件2，在110°C 下7小時 2.45 0.79 5 1700 20 條件2，在120°C 下5小時 2.55 0.81 5 1700 20 條件2，在130°C 下3小時 2.60根據 本發明 0.80 5 4800 5 條件2，在135°C 下3小時 2.65根據 本發明 0.78 5 5200 5 條件3，在200°C 下2小時 2.71根據 本發明 0.81 5 5000 5 條件3，在250°C 下1小時45分 2.79根據 本發明 0.81 5 5200 5 條件3，在280°C 下1小時30分 2.83根據 本發明 0.79 5 5100 5 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1275664 A7 ------------B7_ 五、發明説明（8 ) 根據本發明之組件（圓柱體）在根據標準ASTM-D-2670於 PAVILLE LEVALLY機器上之試驗中展現等於至少約3〇〇〇 daN之磨損負荷。 亦觀察到根據本發明之經塗布硫化鐵之圓柱體具有較直 至目珂為止利用具小殘形維數之硫化鐵所得之最佳結果高 約3倍的磨損負荷。 此外，當硫化鐵具有大於2.6之殘形維數時，結果的分散 為4倍小。 實施例2 根據標準〇1>^ 5 1350(第1至5部分）於所謂的"四球試驗 上進行試驗，以補充磨損試驗，及確認硫化 ° 及厚度的影響。 Μ之Fe/S比 將直徑60毫米及厚度1〇毫米之經進行膠結及·、 HRC 60之鋼i5CrMo4的碟狀物在說明於實施例^驟冷而得 及3及說明於下的額外條件中進行處理。 之條件1、2 於鹽水中之硫化作用 -處理溫度：100至130°c -浸泡時間：3小時10分鐘 -鹽水之組合物（重量百分比）·· 〇H_= 1〇 S2〇82'= 9.8〇/〇 S2032、5.74% C1、0.55% Na+= 19.12% 於處理之後，成份具有硫化鐵塗層。 -11- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1275664 A7 B7 五、發明説明（9 ) 於純礦物油之槽中在60°C下進行試驗。將由5個試驗而得 的平均磨損負荷及分散呈現於下表。使用與實施例1所說明 的相同裝置測量塗層表面的殘形維數。結果示於表II。

表II -12 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1275664 A7 B7 五、發明説明（10 ) 處理 塗層表面之 殘形維數(D) Fe/S 比 (±0.2) 層厚度 (±1 μιη) 平均磨損 負荷(daN) 分散 (%) 條件1，15分鐘， 在2.8 A/dm2下 2.23 0.81 5 300 20 條件1，15分鐘， 在3.2 A/dm2下 2-65根據 本發明 0.69 5 1700 5 條件2，在100°C 下10小時 2.65根據 本發明 0.78 5 1700 5 條件2，在110°C 下7小時 2.65根據 本發明 0.85 5 1700 5 條件2，在120°C 下5小時 2.65 0.78 0.5 40 20 條件2，在130°C 下3小時 2.65根據 本發明 0.78 1.5 1700 5 條件2，在135°C 下3小時 2.65根據 本發明 0.78 10 1700 5 條件2，在130°C .下3小時 2.65根據 本發明 0.80 15 1700 5 條件2，在135°C 下3小時 2.55 0.78 20 320 15 -13 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1275664 五、發明說明（11 栖^康本發明，塗層#選_ 數的塗層。』係、自表面具有等於至少2·6之殘形維 之範圍^如另外將組件選擇成具有Fe/S比在〇·69至0.85 用於在i 5之塗層，則磨損負荷及分散將不受影響。同理適 厚产 5微米之間之塗層厚度。另一方面，0.5微米之 且；蓉/確保抗磨損性，且對2〇微米之厚度，無法得到 一有4於至少2·6之殘形維數的硫化鐵。 ::述選擇具有用於承受與不穩定潤滑作用接觸之艱 雞條件之殘形硫化鐵塗層之組件之關聯的特性，進行模 ▼使兩相同直徑之圓柱體在5米/秒之速度及12〇〇 Mpai 下罪著彼此/骨動。在1小時的適配運轉期中在8〇°C下 對接觸點供給油6〇〇1^8(16以1)，然後停止潤滑。一旦摩 I係數達到0.085之臨界值（在邊界潤滑條件下的摩擦）時 則重新開始潤滑，然後當其達到〇 〇4左右之穩定值時再次 停止接著重複操作，並記錄在不可逆磨損之前的循環 數。 在先前說明之條件1、2及3下處理及選擇圓柱體。使用 說明於實施例1之裝置測量各圓柱體之塗層表面的殘形 數。 所得結果呈現於表III。 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 裝 訂 1275664 A7 B7 五、發明説明（12 )

表III 處理 塗層表面之 殘形維數(D) Fe/S 比 (±0.2) 層厚度 (士 1 μπι) 進行的 循環數 分散 (%) 條件1，15分鐘 ，在2.8 A/dm2下 2.18 0.80 5 300 20 條件1，15分鐘 ，在3.2 A/dm2下 2.23 0.81 5 1700 20 條件2，在100°C 下10小時 2.30 0.80 5 1700 20 條件2，在110°C 下7小時 2.45 0.79 5 1700 20 條件2，在120°C 下5小時 2.55 0.81 5 40 20 條件2，在130°C 下3小時 2.60根據 本發明 0.80 5 1700 5 條件2，在135°C 下3小時 2.65根據 本發明 0.78 5 1700 5 條件2，在130°C 下3小時 2.71根據 本發明 0.81 5 1700 5 條件2，在135°C 下3小時 2.79根據 本發明 0.81 5 320 5 條件2，在135°C 下3小時 2.83根據 本發明 0.79 5 320 5 根據本發明，塗層係選自表面具有等於至少2.6之殘形維 數的塗層。 -15 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

Claims (1)

1275664 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 •種製付可以非常低之分散以及高循環數支承非常高 之磨損負荷之亞鐵合金組件之方法，其係由在該組件上 沈積具有適當厚度及Fe/S比之硫化鐵塗層所組成，其特 徵在於該塗層係選自其表面具有至少等於2·6之殘形維 數（fractal dimension)，及具有化學計量相當於在約〇 69 及0.85之間之Fe/S比的塗層。 2·根據申凊專利範圍第1項之方法，其特徵在於該塗層係 選自表面具有在2.65及2.75之間之殘形維數的塗層。 3. 根據申請專利範圍第丨及2項任一項之方法，其特徵在於 該塗層係選自具有低於約15微米之厚度之塗層。 4. 根據申請專利範圍第3項之方法，其特徵在^該塗層係 選自厚度低於約6微米之塗層。 5· —種亞鐵合金組件，其上沈積具有適當厚度及比之 硫化鐵之塗層，其特徵在於該塗層的表面具有等於至少 2.6之殘形維數（fractal dimension)，且該塗層具有相當於 在約0 · 69及0 · 8 5之間之F e/S比的化學計量。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)