專利名稱：：同時經(jīng)受磨耗和腐蝕的機械零件的表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及同時經(jīng)受磨耗和腐蝕的機械零件的表面處理方法。更具體地，本發(fā)明涉及能夠賦予同時受到磨耗和腐蝕的機械零件以高耐磨和耐腐蝕性能以及有利于潤滑的粗糙度的表面處理方法。更準(zhǔn)確地說，本發(fā)明涉及一種其潤滑應(yīng)該精確地受到控制并且其粗糙度應(yīng)該被控制在一個狹小幅度內(nèi)的機械零件的表面處理方法。
背景技術(shù)：
：已經(jīng)知道，在零件表面上油膜的厚度與其表面粗糙度有密切的關(guān)系完全拋光的零件可能不會被油潤濕，而反之，過于粗糙的零件將會被厚度低于微小起伏的高度的膜覆蓋，這將導(dǎo)致很高的咬剎可能性。在能夠按照本發(fā)明有利地進(jìn)行處理的零件中，能夠舉出比如千斤頂?shù)臈U和熱力發(fā)動機的閥門。在涉及到千斤頂桿的時候，其表面上油膜的厚度應(yīng)該受到充分控制，如果太薄，桿和接頭的接觸不再被潤滑，發(fā)生磨耗；如果太厚，潤滑油會流失，從而導(dǎo)致千斤頂?shù)男阅芨淖儭ｊP(guān)于熱力發(fā)動機閥門，油膜在閥門/閥導(dǎo)承接觸時同時起到潤滑和動態(tài)密封的功能，太光潔的零件提供厚度太薄的油膜，潤滑效果難以得到保障，而粗糙度太高會導(dǎo)致消耗太多的油使發(fā)動機的效率損失。本領(lǐng)域技術(shù)人員對應(yīng)該同時耐受磨耗和腐蝕的部件提出了許多解決方案。當(dāng)前使用帶有微裂紋的“硬鉻”厚沉積層。但這仍然有缺點。在技術(shù)上，對所研究的功能來說，鋼和鉻之間界面的存在可能是嚴(yán)重剝落的根源，另外，在間斷操作的零件比如某些千斤頂?shù)那闆r下，存在由于惡劣天氣而使殘留的潤滑油膜消失因此造成腐蝕的可能性。從經(jīng)濟上看，此方法要求在加工之后進(jìn)行沉積，實際上這是昂貴的解決辦法。最后，從環(huán)境上講，鍍鉻過程非常普遍地還須要借助作為主要污染物的含6價鉻的浴來進(jìn)行。目前使用的另一種解決方法包括給零件滲氮，然后將其氧化，在這兩個操作過程之后經(jīng)常進(jìn)行采用改善耐腐蝕性的產(chǎn)品浸漬表面孔隙的步驟，這些操作要么如在法國專利例如FR-A-2,672,059和FR-A-2,679,258所述在鹽浴中要么如在例如歐洲專利0217420中所述在氣體氣氛中依次進(jìn)行。此將滲氮和氧化結(jié)合在一起的操作一般給予很好的耐磨耗和耐腐蝕性能，但是，它會系統(tǒng)地導(dǎo)致零件粗糙度增加，達(dá)到本發(fā)明領(lǐng)域的有關(guān)應(yīng)用不可接受的水平。這種粗糙度的增加使本領(lǐng)域技術(shù)人員通過一個或幾個或多或少精工拋光的工序來補足這些方法，使得能夠成功地獲得如滲氮-氧化-拋光，或者甚至滲氮-氧化-拋光-氧化的順序。這些方法能夠有效地實現(xiàn)潤滑功能，但卻難于在工業(yè)上應(yīng)用，其原因在于這些方法不得不結(jié)合使用很昂貴并且用途有限的不同的技術(shù)(熱化學(xué)和力學(xué))，實際上難以通過拋光控制復(fù)雜形狀零件的粗糙度。本申請人意外地證實，通過在特定的浴里進(jìn)行滲氮和氧化操作可以同時得到高耐磨耗和耐腐蝕性能和有利于潤滑的粗糙度。上術(shù)目的可通過本發(fā)明實現(xiàn)，本發(fā)明提供能夠賦予機械零件以高耐磨耗和耐腐蝕性能以及有利于潤滑的粗糙度的表面處理方法，在該方法中，在所述零件氧化以后連續(xù)地進(jìn)行所述零件的滲氮，該方法的特征在于通過將所述零件浸入到不含含硫成分的熔融滲氮浴中在大約500～大約700℃的溫度下進(jìn)行所述滲氮，而且所述氧化在溫度低于大約200℃的氧化水溶液中進(jìn)行。為了符合本發(fā)明，該方法應(yīng)該遵循同時連續(xù)地進(jìn)行滲氮和氧化，這兩個操作在上述條件下在液相中進(jìn)行。但是，不會涉及到連續(xù)地聯(lián)合實施特定滲氮方法和特定氧化方法，而是涉及不可分離的一個整體，因為在本發(fā)明方法的情況下，兩個方法之間存在著很強的相互作用。該方法的兩個步驟，即滲氮步驟和氧化步驟，應(yīng)該滿足如下條件(1)預(yù)先滲氮操作(第一步)應(yīng)該在不含含硫成分的熔融浴中進(jìn)行。浴的溫度為大約500～大約700℃，比如在大約590～650℃的溫度。該浴有利地含有堿金屬氰酸鹽和碳酸鹽，具有如下組成Li+＝0.2～10wt％Na+＝10～30wt％K+＝10～30wt％CO3-2＝25～45wt％CNO-＝10～40wt％CN-＜0.5wt％。比如，熔融鹽滲氮浴含有如下離子(wt％)Li+＝2.8～4.2wt％Na+＝16.0～19.0wt％K+＝20.0～23.0wt％CO3-2＝38.0～43.0wt％CNO-＝12.0～17.0wt％同時CN-離子最多等于0.5wt％。有利地設(shè)置壓縮空氣攪拌。零件的浸漬時間有利地是至少大約10min，根據(jù)需要此時間可以達(dá)到幾小時。習(xí)慣上，零件的浸漬時間為大約30～60min。(2)氧化操作(第二步)在滲氮后進(jìn)行，應(yīng)該在低于大約200℃的溫度下完成。氧化浴的溫度優(yōu)選為大約110～160℃。氧化浴的溫度更好為大約125～大約135℃。該浴的組成有利地如下所示-OH-＝10.0～22wt％-NO3-＝1.8～11.8wt％-NO2-＝0～5.3wt％-S2O3-4＝0.1～1.9wt％-Cl-＝0～1.0wt％-Na+＝1.0～38wt％。比如，氧化水溶液含有如下離子(wt％)OH-＝17～18.5NO3-＝4.0～5.5NO2-＝1.0～2.5Cl-＝0.25～0.35Na+＝25～29比如，該氧化水溶液中還含有0.6～1.0wt％硫代硫酸根離子S2O3-2。零件在氧化浴中的浸漬時間有利地為大約5～45min。顯然可以看出，在按照本發(fā)明進(jìn)行滲氮和隨后進(jìn)行氧化以后，被處理的零件隨后可經(jīng)過其功效與先有技術(shù)相同的浸漬操作。盡管最終粗糙度明顯地更小，但是該層對浸漬產(chǎn)物呈現(xiàn)的親和性至少達(dá)到同樣高的水平。至今這個意外的事實還不能進(jìn)行科學(xué)地解釋。本發(fā)明還提供采用上述方法處理的零件，其中所述方法促進(jìn)表面改性。本發(fā)明零件的特征在于其粗糙度的Ra值低于大約0.5μm，還在于其表面上沒有領(lǐng)部切平面(tables)”。在下面非限定性實施例中將更詳細(xì)地說明本發(fā)明。實施例1一種尺寸為30×18×8mm的平行六面體試樣以及直徑為35mm的套環(huán)，兩個都是含碳0.35％的非合金鋼，初始粗糙度Rmax＝0.6μm，首先在含有19％(質(zhì)量)氰酸根離子、37％碳酸根離子和3.5％鋰離子，其余是鈉離子和鉀離子的滲氮鹽浴中進(jìn)行處理。在630℃的溫度下浸漬零件40min。在其離開此浴時，在水槽中將該零件冷卻，然后洗滌，再在135℃下，在氧化性鹽水中浸漬15min，該鹽水由85kg處在75升水中含下列鹽(表1)的混合物(wt％)構(gòu)成表1然后在80℃，水中洗滌這些零件，再在基于40℃可溶性油的溶液里中和，然后干燥。這些試樣一方面用粗糙度，另一方面用摩擦試驗來表征。對于如此處理的零件進(jìn)行的粗糙度測量結(jié)果匯總在表II中，與用傳統(tǒng)方法得到的試樣進(jìn)行比較，這些試樣被編號為N1、N2、O×1和O×2，N1相當(dāng)于按照FR-7205498進(jìn)行滲氮，N2相當(dāng)于按照(TF1)進(jìn)行滲氮，O×1相當(dāng)于按照FR-9309814進(jìn)行氧化，而O×2相當(dāng)于按照FR-7607858進(jìn)行氧化。用來評價表面狀態(tài)的粗糙度花樣的形態(tài)參數(shù)是Rα(平均算術(shù)長度)和R(平均算術(shù)深度)表II應(yīng)該注意，本發(fā)明方法能夠得到與傳統(tǒng)方法之后再經(jīng)過拋光得到的粗糙度相同的粗糙度。對于摩擦試驗，套環(huán)被壓緊在逐漸增加負(fù)荷的薄片的主表面上，負(fù)荷的初始值是5daN，恒定滑動速度是0.55m/sec。在試驗前給薄片的摩擦面加油。結(jié)果匯總在表III中。表III實施例2在組成與實施例1相同的滲氮浴中處理含0.45％碳、9％鉻和3％硅的高度合金鋼圓柱體。在保持在590℃的浴中浸漬零件30min，然后在冷水中淬火。一旦洗滌以后，在130℃下在實施例1所述的鹽水中將零件氧化10min，然后重新用熱水洗滌。在這類鋼材上經(jīng)過碳氮共滲氧化或硫-碳氮共滲氧化的標(biāo)準(zhǔn)方法得到的粗糙度通常較高，因為得到的表面層質(zhì)量不佳(多孔層和粘附不良的粉末氧化物)。作為示例說明，Rz一般在10μm左右，經(jīng)常須要進(jìn)行拋光操作，甚至于微觀硬度試驗，使粗糙度Rz接近2μm。按照在此實施例所述范圍處理的零件，其Rz為2～2.5μm，無須拋光或微觀硬度試驗。請注意Rz＝按照1998年修訂的標(biāo)準(zhǔn)NFISO4287-1997測量的平均粗糙度深度。實施例3進(jìn)行試驗以顯示本發(fā)明方法作為不可分離的整體的程度。在此實施例中，含0.35wt％碳的非合金鋼圓柱體試樣通過將各種滲氮方法與包括實施例1和2中所述方法在內(nèi)的通常氧化方法結(jié)合得到處理。按照FR7205498，在570℃下，在由37wt％氰酸根離子和17wt％碳酸根離子、其余是堿金屬K+、Na+和Li+陽離子、還含有10～15ppmS-2離子的鹽浴里或在與實施例1相同的條件下進(jìn)行滲氮步驟。按照FR9309814可以在475℃下在基于13.1％碳酸根離子、36.5％硝酸根離子、11.3％氫氧根離子和0.1％鉻酸氫根離子、其余是堿金屬K+、Na+和Li+陽離子并且含有10～15ppmS-2的鹽浴里也可以在與實施例1和實施例2所述的條件下進(jìn)行滲氮步驟。得到的有關(guān)粗糙度的結(jié)果匯總在下面表IV中，已知所有試樣的初始粗糙度是0.3μmRa。表IV權(quán)利要求1.機械零件的表面處理方法，該方法能夠賦予所述零件以高耐磨耗和耐腐蝕性能以及有利于潤滑的粗糙度，其中連續(xù)地進(jìn)行所述零件的滲氮和氧化，該方法的特征在于通過將所述零件浸漬入不含含硫成分的熔融鹽滲氮浴，在500～700℃的溫度下進(jìn)行所述滲氮過程，而在溫度低于大約200℃的氧化水溶液中進(jìn)行所述氧化。2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于該熔融鹽滲氮浴含有如下離子Li+＝0.2～10wt％Na+＝10～30wt％K+＝10～30wt％CO3-2＝25～45wt％CNO-＝10～40wt％CN-離子的數(shù)量最多等于0.5wt％。3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于該熔融鹽滲氮浴含有如下離子Li+＝2.8～4.2wt％Na+＝16.0～19.0wt％K+＝20.0～23.0wt％CO3-2＝38.0～43.0wt％CNO-＝12.0～17.0wt％CN-離子的數(shù)量最多等于0.5wt％。4.權(quán)利要求1～3中任一項的方法，其特征在于該機械零件浸入到滲氮浴的時間至少等于大約10min。5.權(quán)利要求4的方法，其特征在于該機械零件浸入到滲氮浴的時間為大約30～60min。6.權(quán)利要求1～5中任一項的方法，其特征在于通過壓縮空氣攪拌該滲氮浴。7.權(quán)利要求1～6中任一項的方法，其特征在于該氧化水溶液含有如下離子OH-＝10.0～22.0wt％NO3-＝1.8～11.8wt％NO2-＝0～5.3wt％Cl-＝0～1.0wt％Na+＝1.0～38wt％。8.權(quán)利要求7的方法，其特征在于該氧化水溶液含有如下離子OH-＝17～18.5wt％NO3-＝4.0～5.5wt％NO2-＝1.0～2.5wt％Cl-＝0.25～0.35wt％Na+＝25～29wt％9.權(quán)利要求1～8中任一項的方法，其特征在于該氧化水溶液還含有0.1～1.9wt％硫代硫酸根離子S2O3-2。10.權(quán)利要求9的方法，其特征在于該氧化水溶液還含有0.6～1.0wt％硫代硫酸根離子S2O3-2。11.權(quán)利要求1～10中任一項的方法，其特征在于滲氮是在大約590～大約650℃的溫度下進(jìn)行。12.權(quán)利要求1～11中任一項的方法，其特征在于氧化是在大約110～大約160℃的溫度下進(jìn)行。13.權(quán)利要求12的方法，其特征在于氧化是在大約125～大約135℃的溫度下進(jìn)行。14.權(quán)利要求1～13中任一項的方法，其特征在于該零件在氧化浴中的浸漬時間為大約5～45min。15.權(quán)利要求1～14中任一項的方法處理的零件，其中所述方法促使表面改性，該零件的特征在于其粗糙度Ra低于大約0.5μm，而且其表面不含有“頂部切平面”。全文摘要機械零件的表面處理方法,該方法能夠賦予所述零件以高耐磨耗和耐腐蝕性能以及有利于潤滑的粗糙度,其中連續(xù)地進(jìn)行所述零件的滲氮和氧化,該方法的特征在于通過將所述零件浸漬入不含含硫成分的熔融鹽滲氮浴在約500～700℃的溫度下進(jìn)行所述滲氮過程,而在溫度低于大約200℃的氧化水溶液中進(jìn)行所述氧化過程。文檔編號C23C8/48GK1338529SQ0112553公開日2002年3月6日申請日期2001年8月14日優(yōu)先權(quán)日2000年8月14日發(fā)明者S·仇墨爾,S·泰爾申請人:斯蒂芬流體力學(xué)與摩擦研究中心