專利名稱：用于提高處在循環(huán)負(fù)荷條件下的鋼制構(gòu)件的承壓能力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種權(quán)利要求I所述類型的、提高處在循環(huán)負(fù)荷條件下的鋼制構(gòu)件，尤其是燃油噴射系統(tǒng)的承壓構(gòu)件和/或高機(jī)械負(fù)荷構(gòu)件的承壓能力的方法。
背景技術(shù)：
燃油噴射系統(tǒng)的承壓構(gòu)件和/或高機(jī)械負(fù)荷構(gòu)件的應(yīng)力范圍從單純的脈動(dòng)拉應(yīng) 力直至周期性的拉-壓交變應(yīng)力。構(gòu)件的循環(huán)承壓能力尤其與所選擇的鋼的組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度有關(guān)。無(wú)論是通過(guò)改變化學(xué)組成還是通過(guò)熱處理都可以影響鋼的結(jié)構(gòu)，從而滿足上述的應(yīng)力要求。但是，由于高的合金元素含量以及部分地非常復(fù)雜的熱處理過(guò)程，這些措施會(huì)導(dǎo)致不利的高的材料成本和制造成本。另一個(gè)用于提高循環(huán)承壓能力的方法是，例如通過(guò)強(qiáng)化輥壓或自緊法，將殘余壓應(yīng)力弓I入表面。但是取決于方法，構(gòu)件幾何形狀上有所限制。此外，已知，作為熱處理方法，可以對(duì)鋼進(jìn)行滲氮處理，改變邊緣層的化學(xué)組成。該方法在實(shí)際中應(yīng)用，要求高的邊緣層硬度以提高耐磨強(qiáng)度。常用的方法是氣體滲氮、鹽浴滲氮以及等離子滲氮。在此通常形成的層由構(gòu)件表面上的氮化物連接層和構(gòu)件邊緣區(qū)域中的氮化物擴(kuò)散層構(gòu)成。在此，關(guān)于硬度和磨損強(qiáng)度的最好結(jié)果用所謂的滲氮鋼生成，其除了具有中等的C含量外還含有高含量的氮化物形成劑，如Al、V、Cr。在文獻(xiàn)中記錄的試驗(yàn)表明，通過(guò)滲氮也可以提高抗振強(qiáng)度，但是該突出的特征在于至少為0. 04mm的厚度的、用于改善耐磨性所需的并且具有一定的抗腐蝕性的連接層會(huì)對(duì)循環(huán)承壓能力造成不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種方法，通過(guò)所述方法可以成本低廉的方式提高脈動(dòng)負(fù)荷構(gòu)件的循環(huán)承壓能力。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)所述目的是根據(jù)本發(fā)明通過(guò)具有權(quán)利要求I所述特征的方法實(shí)現(xiàn)的。與用于借助至少為0. 04mm的盡可能厚的連接層來(lái)提高邊緣層硬度的常用氣體滲氮不同，根據(jù)本發(fā)明，采用氣體滲氮從而在與構(gòu)件表面相鄰接的邊緣層內(nèi)針對(duì)性地引入強(qiáng)度梯度和殘余壓應(yīng)力分布。在此，選擇氣體滲氮的工藝參數(shù)，例如滲氮溫度和滲氮持續(xù)時(shí)間、氮濃度等，以確保在構(gòu)件表面上涂覆厚度最大為10 ii m的氮化物連接層。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的連接層減小的氣體滲氮，可以改變鋼的邊緣層，從而可以顯著提高構(gòu)件的循環(huán)承壓能力。作為提高抗振強(qiáng)度的傳統(tǒng)措施的成本低廉的替代方案，使用非合金化和低合金化的材料連同工藝優(yōu)化的氣體滲氮。此外還表明，與未經(jīng)處理的材料狀態(tài)相比，厚度最大為IOym的連接層顯著改善了對(duì)鹽噴霧的耐受性，而不損害循環(huán)承壓能力。根據(jù)本發(fā)明氣體滲氮的構(gòu)件的腐蝕特性與磷酸鹽處理的構(gòu)件相當(dāng)，因此可以在工藝鏈中取消最后的構(gòu)件涂覆。
在根據(jù)本發(fā)明借助最小的連接層提高抗振強(qiáng)度的氣體滲氮中，采用下述金屬物理基礎(chǔ)原理來(lái)針對(duì)性地調(diào)節(jié)邊緣區(qū)域中的特性梯度i、通過(guò)在邊緣區(qū)域內(nèi)引入氮而調(diào)節(jié)邊緣區(qū)域內(nèi)的殘余壓應(yīng)力分布；ii、通過(guò)擴(kuò)散氮形成氮化物而在邊緣區(qū)域中逐漸提高強(qiáng)度；iii、提高對(duì)大氣腐蝕或?qū)λ越橘|(zhì)(燃油、冷凝物)中腐蝕的耐受性。在表面上調(diào)節(jié)殘余壓應(yīng)力(i)是由于在邊緣區(qū)域內(nèi)引入氮。數(shù)值上為負(fù)的殘余應(yīng)力與數(shù)值上為正的負(fù)載張應(yīng)力疊加，從而使所導(dǎo)致的局部出現(xiàn)的工作負(fù)載小于未經(jīng)滲氮的材料狀態(tài)。由于該局部降低的工作張應(yīng)力，延遲或者甚至避免了在表面上產(chǎn)生裂紋或裂紋擴(kuò)大。因此，對(duì)于特殊的構(gòu)件幾何形狀，可以針對(duì)性地以簡(jiǎn)單且成本低廉的方式提高高負(fù)荷構(gòu)件的抗振強(qiáng)度。由此可以使例如循環(huán)承受壓力和/或拉力的內(nèi)燃機(jī)組件，如氣缸頭、 噴射器、蓄壓器、閥體等能夠抵抗在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的脈動(dòng)負(fù)荷。在此，無(wú)需于后期減小或清除被引入到構(gòu)件內(nèi)部的連接層，因?yàn)槠湓诟鶕?jù)本發(fā)明的工藝優(yōu)化的氣體滲氮時(shí)已經(jīng)減小至最低。在邊緣區(qū)域內(nèi)引入氮與局部提高強(qiáng)度(ii)和硬度具有同等意義。在此，根據(jù)合金組成，表面上的硬度值可以高達(dá)1000HV。根據(jù)FKM (機(jī)械制造研究監(jiān)察會(huì))準(zhǔn)則，原則上拉-壓-交變強(qiáng)度0(^與靜態(tài)強(qiáng)度Rm具有如下關(guān)系0 W, ZD = 0. 45Rm對(duì)于均質(zhì)的材料狀態(tài)，交變負(fù)荷條件下承壓能力的提高大致相當(dāng)于在靜止應(yīng)力條件下強(qiáng)度提高量的一半。在針對(duì)性地通過(guò)滲氮處理進(jìn)行優(yōu)化的邊緣區(qū)域內(nèi)提高循環(huán)承壓能力可以根據(jù)FKM準(zhǔn)則以如下方式量化O w, ZD = Kv 0. 45Rm其中Kv = I. 15至I. 25，對(duì)于平滑的/有微小缺口的構(gòu)件Kv = I. 30 至 2. 0，對(duì)于缺口構(gòu)件。因此，在邊緣區(qū)域內(nèi)可以通過(guò)連接層減小的氣體滲氮針對(duì)性地調(diào)節(jié)非常高的抗振強(qiáng)度特性值。根據(jù)構(gòu)件幾何形狀和基礎(chǔ)材料，可以將在交變負(fù)荷條件下的承壓能力提高25至100%。因此，根據(jù)在運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)荷的絕對(duì)值，可以使用基礎(chǔ)強(qiáng)度低于通常用于高壓應(yīng)力構(gòu)件的高強(qiáng)度鋼的材料。通過(guò)降低基體硬度額外地減少機(jī)械加工成本。與其他提高抗振強(qiáng)度的方法相比，根據(jù)本發(fā)明的氣體滲氮的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，在升高的工作溫度但是低于滲氮溫度的條件下，無(wú)論是邊緣區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)度提高還是殘余應(yīng)力都是穩(wěn)定的。與鈍化層的改善類似，腐蝕性能(iii)的改善是由于形成主要由鐵的氮化物組成的連接層。這些e -氮化物和Y / -氮化物對(duì)于腐蝕過(guò)程是穩(wěn)定相，其與未經(jīng)保護(hù)的、金屬裸露的表面相比，在水性和含氯的介質(zhì)中明顯地減緩了腐蝕反應(yīng)。連接層的厚度確定抑制腐蝕的程度。通過(guò)在氣體滲氮過(guò)程中的工藝流程調(diào)節(jié)連接層的厚度，其在耐腐蝕性的改善與抗振強(qiáng)度的提高之間確保最佳。采用根據(jù)本發(fā)明的方法處理的鋼尤其是屬于以下的組
-非合金化和低合金化的滲碳鋼-非合金化和低合金化的調(diào)質(zhì)鋼-時(shí)效硬化鋼和AFP鋼-滲氮鋼 -耐熱工具鋼-高速鋼。為了達(dá)到所期望的抗振強(qiáng)度提高以及對(duì)于大氣和水腐蝕的耐受性，優(yōu)選在高于約420°C，尤其是在480°C與620°C之間的溫度下進(jìn)行熱處理，歷時(shí)取決于所期望的目標(biāo)強(qiáng)度的滲氮持續(xù)時(shí)間。滲氮持續(xù)時(shí)間可以為最多96小時(shí)，優(yōu)選在2與12小時(shí)之間。為了最佳地提高循環(huán)負(fù)荷能力以及構(gòu)件的耐磨性，將厚度至少為約0. 1_、優(yōu)選至少為約0. 3mm的氮化物擴(kuò)散層引入構(gòu)件的表面中。另一方面，本發(fā)明還涉及利用根據(jù)本發(fā)明的方法制備的構(gòu)件，該構(gòu)件具有權(quán)利要求5所述的特征。本發(fā)明的主題的其他優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)選的實(shí)施方案摘自說(shuō)明書、附圖和權(quán)利要求書。下面借助在附圖中清楚顯示的實(shí)施例更詳細(xì)地闡述本發(fā)明。


圖I所示為利用根據(jù)本發(fā)明的方法制備的示例構(gòu)件；及圖2所示為在圖I中所示的示例構(gòu)件的硬度和殘余應(yīng)力與距構(gòu)件表面的距離的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式在圖I中示意性示出的構(gòu)件I由鋼制成，尤其是燃油噴射系統(tǒng)的承壓構(gòu)件和/或高機(jī)械負(fù)荷構(gòu)件。為了提高處在循環(huán)負(fù)荷條件下的構(gòu)件I的承壓能力，針對(duì)性地將殘余壓應(yīng)力分布引入構(gòu)件表面中，該殘余壓應(yīng)力分布抵消在循環(huán)負(fù)荷條件下作用于構(gòu)件表面上的負(fù)荷分配。通過(guò)在約420°C與約620°C之間的滲氮溫度下對(duì)構(gòu)件進(jìn)行氣體滲氮處理，歷時(shí)依據(jù)所期望的目標(biāo)強(qiáng)度的滲氮持續(xù)時(shí)間，借助構(gòu)件I的氣體滲氮針對(duì)性地將殘余壓應(yīng)力引入構(gòu)件表面中。滲氮持續(xù)時(shí)間可以為最多96小時(shí)，優(yōu)選在2與12小時(shí)之間。通過(guò)氣體滲氮，不僅將氮化物擴(kuò)散層2引入構(gòu)件表面或構(gòu)件邊緣區(qū)域中，該氮化物擴(kuò)散層產(chǎn)生所期望的強(qiáng)度提高和要求的殘余壓應(yīng)力，而且還在構(gòu)件表面上涂覆氮化物連接層3。在擴(kuò)散層2中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力是由于在邊緣區(qū)域內(nèi)引入(滲入)氮。連接層3主要由沉積在構(gòu)件表面上的鐵的氮化物組成。選擇滲氮工藝參數(shù)，如滲氮溫度和滲氮持續(xù)時(shí)間、氮濃度等，從而使氮化物連接層的厚度d最大為IOy m。與此相反，氮化物擴(kuò)散層2的厚度D明顯更大，并在所示的實(shí)施例中約為0. 3mm。如圖2所示，通過(guò)氣體滲氮引入構(gòu)件I中的殘余壓應(yīng)力ES在直接的構(gòu)件表面上約為lOOOMPa，并且隨著距構(gòu)件表面的距離X的增加以指數(shù)方式下降，直至其在本實(shí)施例中在約為0. 3mm的構(gòu)件深度處轉(zhuǎn)變成殘余拉應(yīng)力。此外，在示例構(gòu)件I中，在構(gòu)件表面上發(fā)現(xiàn)局部提高了循環(huán)強(qiáng)度特性，在此顯示為直接在表面上高至1000HV的數(shù)值的硬度H的提高。該局部提高的硬度隨著距離X的增加而下降，并且在本實(shí)施例中在距表面的距離為約0. 3mm處達(dá)到基礎(chǔ)材料的硬 度。
權(quán)利要求
1.借助殘余壓應(yīng)力提高處在循環(huán)負(fù)荷條件下的鋼制構(gòu)件(I)，尤其是燃油噴射系統(tǒng)的承壓構(gòu)件和/或高機(jī)械負(fù)荷構(gòu)件的承壓能力的方法，該殘余壓應(yīng)力被針對(duì)性地引入構(gòu)件表面中并且抵消在循環(huán)負(fù)荷條件下作用在構(gòu)件表面上的負(fù)荷分配，其特征在于，借助氣體滲氮處理構(gòu)件(I)將殘余壓應(yīng)力分布引入構(gòu)件表面中，并且在氣體滲氮處理過(guò)程中在構(gòu)件表面上涂覆厚度(d)最大為10 μ m的氮化物連接層(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其特征在于，在氣體滲氮處理過(guò)程中將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的氮化物擴(kuò)散層(2)引入構(gòu)件表面中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，將厚度(D)至少為約O.1mm、優(yōu)選至少為約O.3mm的氮化物擴(kuò)散層(2)引入構(gòu)件表面中。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，在氣體滲氮處理過(guò)程中滲氮溫度高于約420°C，優(yōu)選在約480°C與約620°C之間。
5.鋼制構(gòu)件(I)，尤其是燃油噴射系統(tǒng)的承壓構(gòu)件和/或高機(jī)械負(fù)荷構(gòu)件，其中將殘余壓應(yīng)力針對(duì)性地引入構(gòu)件表面中，該殘余壓應(yīng)力抵消在循環(huán)負(fù)荷條件下作用在構(gòu)件表面上的負(fù)荷分配，其特征在于，將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的氮化物擴(kuò)散層(2)引入構(gòu)件表面中，并在構(gòu)件表面上涂覆厚度(d)最大為10 μ m的氮化物連接層(3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的構(gòu)件，其特征在于，氮化物擴(kuò)散層(2)的厚度(D)至少為O.Imm,優(yōu)選至少為約O. 3mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及借助殘余壓應(yīng)力提高處在循環(huán)負(fù)荷條件下的鋼制構(gòu)件(1)，尤其是燃油噴射系統(tǒng)的承壓構(gòu)件和/或高機(jī)械負(fù)荷構(gòu)件的承壓能力的方法，該殘余壓應(yīng)力被針對(duì)性地引入構(gòu)件表面中并且抵消在循環(huán)負(fù)荷條件下作用在構(gòu)件表面上的負(fù)荷分配，其特征在于，借助氣體滲氮處理構(gòu)件(1)將殘余壓應(yīng)力分布引入構(gòu)件表面中，并且在氣體滲氮處理過(guò)程中在構(gòu)件表面上涂覆厚度(d)最大為10μm的氮化物連接層(3)。
文檔編號(hào)C23C8/26GK102666906SQ201080047678
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者A·貝希特, H·朗納, K-O·恩勒特, R·屈布勒, T·奧滕 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司