專利名稱:滑動部件及其制造方法
技術領域:
本發(fā)明涉及滑動部件,它有多個滑動面,要求耐磨性,這種部件如挺桿、搖臂、和其它工程部件、軸承等,以及涉及這類滑動部件的制造方法。
為了防止由于對準度較差而有不均勻的接觸,機械滑動部件的多對滑動平面中的一對不是平面,而是凸出的拱形,使中心部分稍高于外邊緣部分(高出幾到幾十μm)。
這種凸出的拱形可用各種方法形成,例如機加工(拋光),日本專利申請公開No.63-289306公開了一種方法,它把金屬裝在陶瓷上,使固緊力形起陶瓷的彈性變形;日本專利申請公開No.63-225728公開的方法是把形成滑動面的陶瓷加熱及連接到作為主體的金屬上,并利用它們的熱膨脹系數(shù)差,還有“汽車工藝”39卷,10期(1985年)公開的方法是先把一個煅燒體事先成型為拱形,并燒結該煅燒體,用該燒結成的面作為滑動面。
但是,由于拱形是三維形狀,由機加工形成這一形狀要使生產(chǎn)的成本增加很多。
按照把金屬裝到陶瓷上,或使用陶瓷和金屬間熱膨脹差的方法,一旦結構、加熱溫度等確定后,拱形的凸起量受限制。
另一方面,事先把煅燒體成形為拱形,然后燒結并利用燒結面作為滑動面的方法不能消除成形為拱形的面由于燒結時收縮引起變形以及尺寸精度變差的問題。
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的上述問題,提供一種具有改進的效用的滑動部件及這種滑動部件的制造方法。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的,本發(fā)明提供的滑動部件如下1.一種滑動部件,其中至少一個部分的滑動面通過對鋼制部分進行部分表面淬火處理成形為一拱形;
2.一種滑動部件,其拱起量通過對鋼制部份表面淬火處理后進行熱處理或機加工而改變的;3.通過上述表面處理成拱形形成滑動面的元件的至少一部分是通過連接或裝配設上的。
上述滑動部件的制造方法如下1.一種對鋼制的滑動部件主體的一部分進行部分表面淬火處理以便把滑動面成形為拱形的方法;2.一種對鋼制部分進行熱處理或機加工以便在表面淬火后改變拱起量的方法;3.一種把形成滑動面的元件連接或裝到滑動部件主體上的方法。
最好使用陶瓷作為形成滑動面的元件,它通過連接或裝配設置上。
下面說明本發(fā)明的操作的模式在本發(fā)明的滑動部件中,通過對構成滑動部件且是可硬化的鋼進行部分表面淬火而在滑動面的至少一部分上形成拱起形。
換言之,是通過在表面淬火時馬氏體轉變形成的體積膨脹或所謂的淬火變形而產(chǎn)生局部變形,拱起賦于滑動部件中至少一個任選的滑動面上。
進行表面處理的部分是按照要產(chǎn)生拱形的滑動面的位置或拱起量而適當?shù)剡x定。表面淬火產(chǎn)生的拱形是使用上述原理產(chǎn)生的。因此,把表面淬火加到靠近連接部分或在邊界范圍的位置是更有效的。順便提一下,表面淬火的總表面積最好為滑動部件整個表面減去成形為拱形的部分的表面積的差值表面積的30%。
要產(chǎn)生的拱起量可以寬地按照表面淬火的裝置和方法(加熱、冷卻時間等)以及鋼的材料種類等來控制。
進行過表面淬火處理的部分是硬化的,并有低的磨損及高的耐久性。同時它起到滑動部分的作用。
對進行表面淬火處理的鋼種沒有限制,只要該鋼種經(jīng)表面淬火處理能硬化。但是,從材料的強度、成本及加工性而言,最好用廣泛用作機械結構鋼的碳鋼以及含Ni,Cr,Mo等合金元素的合金鋼。
按照本發(fā)明,通過對進行過表面淬火處理的滑動部件進行熱處理來改變拱起量。這要用消除表面淬火或由于淬火形成的不穩(wěn)定結構如馬氏體的轉變產(chǎn)生的剩余應力。熱處理可對部件的部分或整體進行,這要按照要改變的拱形的位置、量及形狀來選擇。
通過如對硬化部分回火處理這樣的熱處理可以按照使用的目的來提供合適的硬度及韌性。由于殘余應力可除去,可防止隨時間變化拱起量的變化以及硬化部分產(chǎn)生裂紋。
在本發(fā)明的滑動部件中,凸起量是通過表面處理后對鋼制部分進行熱處理而改變的,由于各種殘余應力,如相互間淬火變形平衡,滑動部件保持其拱起形狀。因此,通過機加工或除去該殘余應力層改變剛性可使平衡失去,凸起量也可用這方法改變。
機加工部分可按照要改變的凸起位置及量而合適地選擇。該機加工可作為形成本來要高尺寸精度及表面粗糙度的滑動部分的機加工。
具有優(yōu)良的滑動性能的元件可作為特別需要滑動性能部分連接或裝到滑動部件上。在這種情形下,可通過淬火后熱處理或機加工把連接或裝配發(fā)生的殘余應力消除。因此,可以在較寬的范圍改變凸起量。
裝到滑動元件主體上構成滑動面的元件最好是具有好的滑動性能及高的熱阻的陶瓷材料。
最好是具有高強度的陶瓷材料,例如氧化鋁(Al2O3),氧化鋯(ZrO2),氮化硅(Si3N4)等。這些陶瓷材料按JIS標準的四點抗彎度必須至少為50kg/mm2,沖擊性為溫差(抗熱沖擊性溫差)是至少400℃。特別優(yōu)選的是Si3N4陶瓷料,它有優(yōu)良的性能。
另外最好用按JIS標準的四點抗彎強度的試塊室溫強度值至少100kg/mm2及抗熱沖擊的溫度為至少800℃的氮化硅型陶瓷。
當在靠近表面淬火處理部分的部分,陶瓷和鋼連接起來,熱處理條件可調整為例如把連接部分溫度降到低于連接時的溫度以便保持連接狀態(tài)和連接強度,但是有這種情形連接部分的溫度升到接近于連接溫度由于如形狀的限制。因此,為了避免熱沖擊后由于冷卻(油冷等)使強度惡化,陶瓷必須具有抗熱沖擊性保持溫差至少為400℃,更希望至少800℃。
當具有強度為至少100kg/mm2,最好至少130kg/mm2的氮化硅型陶瓷選用作為這種高強度陶瓷時,即使表面淬火處理施加在靠近連接部分的部分,陶瓷也可維持在里面產(chǎn)生的應力,并可容易地防止裂紋產(chǎn)生。
下面說明按照本發(fā)明的滑動元件的制造方法。
表面淬火處理是使用已知的高頻,火焰,激光束,電子束等淬火方法。
當在淬火部分必須保證韌性時,可用事先進行滲碳處理的鋼主體。
在表面淬火處理后的熱處理是在100-700℃的溫度范圍內的一溫度進行的。如果溫度低于100℃,很難產(chǎn)生凸起量的改變,如果溫度高于700℃,會發(fā)展奧氏體結構,并使淬火產(chǎn)生的結構斷裂。溫度范圍更優(yōu)選地為150-600℃。
在表面淬火后對鋼制部分進行機加工可用已知的機加工方法,如切削。特別當使用淬火過的滑動部分時,一密耳的氧化皮的表面層必須除去并消除由于淬火引起的變形以便進行高精度機加工。當適當?shù)卣{整表面粗糙度到較低的水平,可用拋光。
當把形成滑動面的元件裝到滑動部件主體上時,可用連接或裝配??梢杂靡阎倪B接方法,如熱焊接,例如銅焊、擴散焊、熔焊、壓力焊等。
熱焊接的溫度最好至少為800℃,以便消除表面淬火處理時出現(xiàn)的溫度影響。
換言之,表面淬火處理的位置最好選定為使得不超過熱焊接時的溫度,在表面淬火處理時使用較小熱擴散的電子束焊或激光焊,淬火可在接近連接的部分處進行,可以增加進行表面淬火的面積。
另一方面,在火焰硬化及感應硬化的情形下,熱擴散部分較大。因此,難于使靠近連接部分硬化。例如,在感應硬化的情形下,硬化范圍最好與連接部分隔開幾毫米,雖然它可根據(jù)加熱時間及頻率。
當連接的元件是陶瓷時,可進行銅焊。當陶瓷直接與金屬連接,銅焊料是含鈦的銀焊料,如Ag-Cu-Ti型,Ag-Ti型等。當元件是在陶瓷的連接面滲鍍金屬的,最好用Ag-Cu型焊料。
銅焊氣氛最好是非氧化性氣氛(真空、Ar、N2、H2或它們的混合物)。裝配可以用已知的方法如壓裝配、收縮裝配等。
下面參照附圖詳細說明本發(fā)明,附圖中
圖1是一起閥器的縱剖面圖;圖2是挺桿的縱剖面圖;圖3是挺桿的縱剖面圖;圖4是一挺桿主體的縱剖面圖;圖5是一挺桿的縱剖面圖;圖6是一挺桿的縱剖面圖;圖7是一起閥器的縱剖面圖。
下面說明實施本發(fā)明的最佳模式。實例1圖1示出了作為本發(fā)明的滑動元件的一實例制造的起閥器。
機械結構用的鉻鉬合金鋼SCM440(JIS G4105)用于起閥器1。
總的尺寸為外徑φ25mm,內徑φ22mm,總高度25mm,內部高部20mm。
起閥器1經(jīng)850℃油冷加550℃空冷的回火,隨后機加工得到作為滑動面的面10,其平直度為3μm,表面粗糙度不大于1.6μm(JIS 10點平均粗糙度)。
外圓周面11用300kHz的高頻加熱,就外圓周面的開口部分測量的整個長度而言,加熱范圍為6,12,18,25mm,由此得到具有不同的加熱范圍的試樣。這些起閥器試樣整體立即用水冷卻和淬硬。
根據(jù)20個試樣的平均值,在淬火后,面10的形狀使它們的中心部分與外邊緣部分相比鼓起成球形,鼓起量如表1所示。順便提一下,這里所指的“外邊緣部分”意味著直徑為21mm的部分。表1
淬火范圍為25mm的試樣的內底面13類似地被高頻硬化,在這種情形下,加熱時間改變?yōu)?、4、6、8秒。在內底面硬化前后的拱形凸起量(鼓起量)的改變,根據(jù)5個試樣的平均值分別為5,3,-1和-3μm。
另外,加熱時間為2秒的試樣在200℃油槽中回火,各試樣的外圓周用無心磨床精加工到φ24.8mm,作為5個試樣的平均值,回火后凸起量增加為2μm,抗加工后為2μm。實例2圖2示出了作為本發(fā)明滑動元件一實例制造的挺桿。
機械結構用的鎳鉻合金鋼SNC836(JIS G4102)用于挺桿的主體2。該滑動元件的尺寸為直徑φ30mm,空心部分內徑φ25mm,總高度40mm。直徑為φ30mm和厚度為1.5mm的商業(yè)可購到的碳化硅陶瓷和硬質合用于本發(fā)明的形成滑動面10的滑動元件3,作為滑動面的面10機加工成平直度為5μm,表面粗糙度不大于1.6μm(10點平均粗糙度)。
通過把滑動元件3與挺桿主體2夾在一起加上50μm厚度的Ag-Cu-Ti型焊劑在真空下加熱到860℃保持30分鐘而把兩者連接起來。外圓周面11被6KV加速的高壓電子束加熱,隨后淬火。中心部分相對于外圓周邊緣部分(φ25mm)的球形凸起量分別增加9μm和4μm,作為由于在面10的形狀中在SiC和硬質合金的表面淬火處理的20個試樣的平均值,和總的凸起量為29μm和22μm。實例3具有和實例2的挺桿同樣形狀的挺桿以下面的方法制造。
用于機械結構的鉻合金鋼SG440(JIS G4104)用于挺桿的主體2,而由Si3N4制的滑動元件3以下面的方法制造。
在商業(yè)可購得的Si3N4粉中按重量加入作為助燒結劑的5%的Y2O3粉和2%的Al2O3粉,它們混合在酒精中,在球磨機中球磨混合96小時。在干燥后,得到的粉末混合物先預成型,再經(jīng)冷等靜壓壓縮成形(CIP)。隨后,在2大氣壓的氮氣氣氛中在1710℃下燒結4小時,隨后在1000大氣壓的氮氣氣氛,在1660℃下熱等靜壓壓縮成形(HIP)1小時。
得到的燒結體有11%α百分比,結晶晶粒的線性密度為每50μm長度有155個晶粒。α的百分比由峰密度比,也就α[(102)+(210)]/{α[(102)+(210)]+β[(101)+(210)]}測定,其中(102)+(210)和(101)+(210)分別是x射線衍射圖中(α-氮化硅和α′-硅鋁綸(Sialon))和(β-氮化硅和β′-硅鋁綸)的峰密度。燒結體的機械特性示于表2。表2
從得到的燒結體上切下直徑為30mm及厚度為1mm的毛坯,作為滑動面的面10機加工到平直度為5μm和表面粗糙度不大于1.6μm(10點平均粗糙度)。把毛坯和挺桿主體2夾在一起,加厚度為50μm的Ag-Ti型焊料,在真空下,1000℃,保持30分鐘把毛坯焊到挺桿主體上。
這樣焊好的挺桿的外圓周面11的表面用實例1的同樣方法用400Hz的高頻加熱,從開口部分加熱到A部分(離開口部分25mm),隨后整個挺桿立即用水冷卻。隨后,半球形面12也用高頻加熱(加熱時間5秒)及用水冷卻進行淬火。
在表面淬火處理后,當只有面11淬火,作為20個試樣的平均值,中心部分相對于滑動面的外邊緣部分(φ25mm)的球形凸起量(凸起變化量)增加8μm,和總的凸起量為32μm,當面12也淬火時,凸起量另外增加12μm。實例4在實例3中,外圓周面11的淬火范圍,就離開口部分的距離言,其變化為5,15,25和30mm。結果,由于外圓周面淬火形成的凸起變化量列于表3。表3
實例5在實例3中,由加熱3,7和9秒來完成對半球面12的淬火。結果,作為20個試樣的平均值,外圓周面淬火后,凸起的變化量分別為16,5和-2μm。實例6經(jīng)過感應硬化的實例3的挺桿,在200℃的油槽中熱處理(回火)。結果,作為20個試樣的平均值,外圓周面11硬化后,凸起的變化量為5μm。實例7圖3示出作為本發(fā)明的滑動元件一個實例制造的挺桿。
用于機械結構的鎳鉻合金鋼SCH435(JIS G4105)用作挺桿的主體2?;瑒釉某叽鐬橹睆溅?1mm,空心部分內徑φ27mm,總高度55mm。按實例3制的氮化硅加工成直徑φ30mm,厚度1.3mm制得滑動元件3。作為滑動面的面10拋光成平直度為3μm和表面粗糙度不大于0.8μm(10點平均粗糙度)。
把滑動元件3與挺桿主體2夾在一起,加上厚度為50μm的Ag-Cu-Ti型焊料,在真空下880℃保持40分鐘把它們連在一起。
如此焊好的挺桿的外圓周面11的表面用實例3同樣的方法,用高頻加熱,從開口部分加熱到A部分,隨后,整個挺桿立即用水冷卻。接著,半球形面12也用高頻硬化,隨后用水冷卻。在150℃油槽中的回火后,挺桿主體用無心磨床機加工到φ30.5mm。結果,作為20個試樣的平均值,回火后凸起的變化量為6μm。順便提一下,凸起量是測中心部分和外圓周部分(φ25mm)的水平差。實例8圖4示出作為本發(fā)明的滑動元件的實例制造的一挺桿主體2。用于機械結構的鎳鉻合金鋼作為主體的材料,滑動元件的尺寸為直徑φ25.5mm,空心部分內徑φ22mm,總高度45mm。按實例制造的氮化硅機加工成直徑為φ24.5mm,厚度1.2mm的滑動件,作為滑動面的面10拋光成平直度為3μm,表面粗糙度不大于0.8μm(10點平均粗糙度)。
把滑動件3與網(wǎng)桿主體2夾在一起,加上厚度為50μm的Ag-Ti型焊料,在真空1100℃下保持20分鐘,把它們焊在一起。
如此焊好的挺桿的外圓周面11的表面用實例3同樣的方法用高頻加熱,從開口部分加熱到部分A,隨后立即把整個挺桿用水冷卻,隨后,半球形面12也用調頻淬火和用水冷卻。在挺桿在150℃的油槽中回火后,挺桿的鋼部分用無心磨床機加工成φ25.0mm。然后,如圖5所示,將連接部分附近的部分機加工及拋光為φ24.75mm。結果,作為20個試樣的平均值,在靠近連接部分的部分加工過的試樣比沒有加工的試樣凸起增加5μm。
順便提一下,凸起量是測中心部分和外邊緣部分(φ25mm)的水平差。實例9圖6示出作為本發(fā)明滑動元件一個實例制造的挺桿。該滑動件尺雨為傘部直徑為φ30mm,頸部直徑為17mm,總高度45mm。按實例3制成的氮化硅加工成直徑為Q30mm,厚度為1.2mm的滑動件。面10的平直度及表面粗糙度與實例3的一樣。
用于機械結構的鎳-鉻-鉬合金鋼SNCM616(JISG4103),且經(jīng)過滲碳處理(滲碳深度0.5mm),用于挺桿主體2。但是,在與滑動件3結合的面上的碳化層通過機加工去掉。挺桿主體2與滑動件3夾在一起,加入厚度70μm的Ag-Cu-Ti型焊料,在真空下,860℃保持10分鐘,把兩者連接起來。另一方面,商業(yè)可購得的硬質合金以與氮化硅的加工方法一樣的方法加工,并用在1050℃下擴散焊,與挺桿主體2連接起來。
如此焊接的挺桿的頸部的外周邊14用高頻加熱,隨后整個挺桿立即用水冷卻。結果,作為20個試樣的平均值,由于淬火在氮化硅及硬質合金的凸起量分別增加10μm和7μm。實例10圖7示出作為本發(fā)明的滑動元件一個實例制造的起閥器。用于機械結構的鎳-鉻-鉬合金鋼SNCM 439(JIS G4103)用于起閥器主體4?;瑒釉叽鐬橹睆溅?0mm及總高度40mm。
滑動面10按照本發(fā)明形成。商業(yè)可購得的氮化硅陶瓷、硬質合金和按實例3制造的氮化硅,各自直徑為φ27.5mm,厚度6mm,用作滑動件5,并且各設有50μm的壓入邊。作為滑動面的面10按實例2同樣的方法加工。
外圓周面11被7KV高壓電子束加熱進行淬火。滑動面10的形狀,作為20個試樣的平均值,在商業(yè)可購得的氮化硅、硬質合金及按實例3制的氮化硅的中心部分比外緣部分(φ23mm)的球形鼓起量分別為7,5,8μm,和總的凸起量分別為14,10,15μm。
工業(yè)應用本發(fā)明通過對滑動元件鋼制的部分進行已知的表面淬火處理產(chǎn)生一凸起的形狀,在表面淬火后對鋼制部分熱處理或機加工改變該凸起形狀,由一元件,最好由具有優(yōu)良的抗彎強度及高的抗熱沖擊性的氮化硅型陶瓷形成凸起形的至少一個滑動面,把該元件連接或裝入滑動元件。因此本發(fā)明提供了下面的效果。
1.由于通過對鋼制部分表面淬火處理及在表面淬火后熱處理或機加工該部分形成凸起部分,因此可控制賦于凸起形狀的部分及凸起量。
2.在機加工前連接或裝到要求滑動性能的部分的元件的形狀是一平面,因此不需要三維的預加工。因此可以經(jīng)濟地提供滑動元件。
3.由于陶瓷作為滑動元件連接或裝到要求滑動性能的部分,因此可經(jīng)濟地提供滑動元件。
權利要求
1.一種滑動部件,其特征在于至少一個滑動面通過對鋼制部分進行部分表面淬火處理成形為一凸起形。
2.按照權利要求1的滑動部件,其特征在于表面淬火的表面積為從所述部件的整個表面減去成形為凸起形狀部份得到的面積的30%。
3.按照權利要求2的滑動部件,其特征在于所述滑動面的中心部分和外邊緣部分之間的水平差,也就是凸起量是通過表面淬火處理而增加的。
4.按照權利要求2的滑動部件,其特征在于所述的凸起量通過表面淬火處理而減小。
5.按照權利要求1-4中任一項的滑動部件,其特征在于所述的凸起量是通過表面淬火處理后進行熱處理而增加的。
6.按照權利要求1-5中任一項的滑動部件,其特征在于所述的凸起量是在表面淬火處理后對鋼制部分的一部分或全部機加工而增加的。
7.按照權利要求1-6中任一項的滑動部件,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是通過連接設置上的。
8.按照權利要求7的滑動部件,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是陶瓷制成的。
9.按照權利要求7的滑動部件,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是氮化硅型陶瓷制成的,其室溫強度及代表抗熱沖擊性的溫差分別為至少100kg/mm2和至少800℃。
10.按照權利要求1-6中任一項的滑動部件,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是通過裝配而設置上的。
11.按照權利要求10的滑動部件,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是陶瓷制成的。
12.按照權利要求11的滑動部件,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是氮化硅型陶瓷制成的,其室溫強度及代表抗熱沖擊性的溫差分別為至少100kg/mm2和至少800℃。
13.一種滑動部件的制造方法,其特征在于至少一個滑動面通過對鋼制部分進行部分表面淬火處理成形為一凸起形。
14.按照權利要求13的滑動部件的制造方法,其特征在于,表面淬火的表面積為從所述部件的整個表面減去成形為凸起形狀部份得到的面積的30%。
15.按照權利要求14的滑動部件,其特征在于所述的凸起量是通過在一定的部分進行表面淬火處理而增加的。
16.按照權利要求14的滑動部件,其特征在于所述的凸起量是通過在一定的部分進行表面淬火處理而減少的。
17.按照權利要求13-16中任一項的滑動部件,其特征在于所述的凸起量是通過在表面淬火處理后進行熱處理而增加的。
18.按照權利要求17的滑動部件,其特征在于所述的熱處理的溫度是100-700℃。
19.按照權利要求13-16中任一項的滑動部件的制造方法,其特征在于所述的凸起量是通過在表面淬火處理后對鋼制部分的一部分或全部機加工而增加的。
20.按照權利要求19的滑動部件的制造方法,其特征在于所述的機加工方法是拋光。
21.按照權利要求13-18中任一項的滑動部件制造方法,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是通過連接設置上的。
22.按照權利要求21的滑動部件制造方法,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是陶瓷制成的。
23.按照權利要求21的滑動部件制造方法,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是氮化硅型陶瓷制成的,其室溫強度及代表抗熱沖擊性的溫差分別為至少100kg/mm2和至少800℃。
24.按照權利要求13-18中任一項的滑動部件制造方法,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是通過裝配而設置上的。
25.按照權利要求24的滑動部件制造方法,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是陶瓷制成的。
26.按照權利要求24的滑動部件制造方法,其特征在于至少一個由表面淬火處理形成凸起形的滑動面的元件是氮化硅型陶瓷制成的,其室溫強度及代表抗熱沖擊性的溫差分別為至少100kg/mm2和至少800℃。
全文摘要
本發(fā)明提供了通過對鋼制部分進行表面淬火處理形成凸起部分的滑動部件及其制造方法。凸起的形狀及量可由表面淬火后進行熱處理或機加工而控制?;瑒硬考芍挥射撝瞥?,或者通過把通過表面淬火形成凸起的滑動面的元件的至少一部分連接或裝到鋼制的滑動部件主體上,而該部分材料是陶瓷,這樣一種方法形成。
文檔編號F01L1/14GK1150833SQ96190381
公開日1997年5月28日 申請日期1996年6月17日 優(yōu)先權日1995年6月19日
發(fā)明者山際正道, 西岡隆夫, 竹內久雄, 山川晃 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社