專利名稱：滑動件及其制造法的制作方法
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及一種滑動件，如內(nèi)燃機的氣門挺桿，和滑動件的制造方法。
相關(guān)技術(shù)簡介日本公開實用新型公開H4-121404公開了一種氣門挺桿，該氣門挺桿有一個墊片，它與驅(qū)動內(nèi)燃機進氣/排氣閥的凸輪滑動接觸。氣門挺桿墊片需要有一個表面粗糙度足以能使摩擦降到最低限度的滑動面。同時該滑動面必須達到足夠的硬度，以防止滑動面過度磨損和防止由于磨損造成滑動面的表面粗糙度增大而使摩擦增大。
因此，人們已知通過研磨加工使滑動件(例如氣門挺桿)的基體金屬變得平滑，且具有高精度，隨后再通過物理汽相沉積法(PVD)，在該滑動件的表層滑動面上形成一個硬金屬保護層，如氮化鈦層。
需要一種與上述現(xiàn)有技術(shù)相比，摩擦更小、耐用性更高、成本更低的滑動件。本發(fā)明致力于滿足先行技術(shù)的這一需要和對熟悉本發(fā)明公開技術(shù)的人們將會顯得更加明顯的其他一些需要。
發(fā)明簡介已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當通過物理汽相沉積法在滑動面上形成硬金屬鍍層時，需要用真空爐完成這一過程。相應(yīng)地，一次只能處理有限數(shù)量的工件。因此，使滑動件或凸輪從動件的制造成本很高。正是上述問題孕育出本發(fā)明。
本發(fā)明的目的之一是提供一種摩擦小、耐用性高和成本低的滑動件。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，制造的滑動件包括基體金屬、擴散層和復(fù)合層。擴散層具有第一預(yù)定厚度并覆蓋基體金屬。復(fù)合層具有第二預(yù)定厚度并覆蓋擴散層。擴散層和復(fù)合層是通過滲氮過程在基體金層上形成。復(fù)合層的第二預(yù)定厚度通過對復(fù)合層最外層部分進行拋光過程而形成，因而使通過滲氮過程形成的復(fù)合層的初始厚度減小而成為復(fù)合層的第二預(yù)定厚度，以便保持一個光滑的頂部滑動表面。
本發(fā)明的這些和其他目的、特征、方面和優(yōu)點都將通過下列詳細說明使對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見。詳細說明結(jié)合附圖公開了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。
附圖簡介現(xiàn)在參看成為本發(fā)明首次公開的一部分附圖

圖1是按照本發(fā)明一個實施例制造的具有氣門挺桿(滑動件)的內(nèi)燃機用閥動器組件部分示意圖；圖2是按照本發(fā)明一個實施例制造的氣門挺桿(滑動件)的橫斷面圖；圖3是氣門挺桿表層滑動面上完成磨輪拋光過程之前、氣門挺桿選擇部分的部分放大橫斷面圖；圖4是氣門挺桿表層滑動面上完成磨輪拋光過程以后、氣門挺桿選擇部分的部分放大橫斷面圖；圖5是氣門挺桿選擇部分的部分放大橫斷面圖，表示氣門挺桿表層滑動面利用氣體氮碳共滲處理形成的擴散層和復(fù)合層；以及圖6是氣門挺桿硬度(取決于氮濃度)與氣門挺桿表層滑動面厚度的關(guān)系特性曲線圖。
優(yōu)選實施例詳細說明現(xiàn)參照附圖解釋選定的本發(fā)明實施例。顯然，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本公開提供下列本發(fā)明實施例描述的目的只是為了說明，而不是為了限制如所附權(quán)利要求及其同等內(nèi)容所規(guī)定的本發(fā)明。
首先參看圖1，概略地表示內(nèi)燃機(未示出)閥動器組件10的一部分，以便解釋本發(fā)明的第一實施例。閥動器組件10包括一個凸輪軸上的凸輪11，它與以氣門挺桿12形式出現(xiàn)的凸輪從動件(滑動件)實現(xiàn)運行接觸，從而帶動進氣/排氣閥13運動。
從圖2可看出，成品氣門挺桿12呈下開式圓柱形。氣門挺桿12按傳統(tǒng)方法與進氣/排氣閥13聯(lián)接。氣門挺桿12位于進氣/排氣閥13和凸輪軸上的凸輪11之間，凸輪軸與曲軸(未示出)一起轉(zhuǎn)動。氣門挺桿12有一個起著凸輪滑動面作用的表層滑動面12a，該表層滑動面與凸輪軸上的凸輪11滑動接觸。上述表層滑動面12a的表面精加工按下面所述完成。
由圖3和5看出，按照本發(fā)明制造的滑動件或氣門挺桿12包括由覆蓋在基體金屬16上的復(fù)合層14和擴散層15構(gòu)成的表層滑動面12a。特別是，表層滑動面12a最好用滲氮過程在氣門挺桿12的基體金屬16上形成。復(fù)合層14和擴散層15都具有初始預(yù)定厚度，該厚度是通過滲氮過程在氣門挺桿12的基體金屬16上最初形成的。復(fù)合層14的初始預(yù)定厚度在圖3中以“t0”示出。在基體金屬16上完成滲氮過程后，在復(fù)合層14的最外層部分14a上進行輕微的拋光過程，從而僅僅保留復(fù)合層14的分層14b和分層14c。換言之，經(jīng)過拋光過程，復(fù)合層14的最外層部分14a被完全去除。從而，由滲氮過程形成的復(fù)合層14的初始厚度“t0”(圖3)減小到復(fù)合層14的最終預(yù)定厚度“t”(圖4)，從而保留光滑的滑動面12a。可以說，是用按表層滑動面12a的輪廓加工的方法輕微地拋光復(fù)合層14，形成表層滑動面12a，從而獲得均勻的面層。
上述滲氮過程是一種使氮擴散到基體金屬16內(nèi)，以硬化外表面的方法。本發(fā)明設(shè)想的一些滲氮過程包括只使氮滲入的純滲氮過程和使氮和碳同時滲入的氮碳共滲處理。更確切地說，使用氨氣的氣體滲氮過程；使用氰化物鹽浴和氰酸鹽浴的鹽浴滲氮過程；使用氰酸的液體滲氮過程；使用氨氣和滲碳氣的氣體氮碳共滲處理和電離氮高速撞入基體金屬的電離滲氮過程。特別是氣體氮碳共滲是一種無污染處理方法，因為不會產(chǎn)生氰。此外，氣體氮碳共滲處理能以穩(wěn)定而連續(xù)的方式進行。所以，能保持很低的制造成本。因此，氣體氮碳共滲更適用于本發(fā)明。
透過圖5示出的這種滲氮過程可看出，擴散層15和復(fù)合層14是用層疊法在基體金屬16上形成的。從這一滲氮過程看出，擴散層15中的氮(N)濃度較低，復(fù)合層14中的氮(N)濃度較高。由于金屬的硬度隨氮濃度的增大而增大，故復(fù)合層14的硬度大于擴散層15的硬度。從而使滑動表面12a的硬度隨滲入深度的增加而減小，因為如圖6中曲線所示，氮濃度在減小。
然而，由于復(fù)合層14的初始厚度“t0”非常小(最好為5微米至15微米)，如果采用傳統(tǒng)的研磨加工使表層滑動面12a達到均勻平滑的話，則整個復(fù)合層14都可能被磨掉，從而可能使擴散層15部分外露。
因此，本發(fā)明僅僅是拋光復(fù)合層14的最外層部分14a，而復(fù)合層14的另外兩個部分14b和14c則保留。換言之，用按滑動面12a輪廓加工的方法輕微地拋光復(fù)合層14的表面。因此，保留的復(fù)合層14能起到高硬度保護膜的功能。相應(yīng)地，也能以低成本加工出具有高滑動性和高耐用性的氣門挺桿12。
可以使用不同的鋼材，例如碳素鋼、合金鋼、工具鋼和其他鋼材，作為基體金屬16。典型的是采用經(jīng)過滲碳、淬火和回火處理的鉻鉬合金鋼。事先在要進行滲氮過程的外表面上完成適當?shù)难心ズ?或拋光過程。
在優(yōu)選實施例中，基體金屬16最好是一種經(jīng)過鍛造、滲碳、淬火和回火，從而使表面硬度等于或大于58HRC，有效厚度達到0.7-1.1毫米的鍛造鋼(SCM420H)。然后對其進行表面拋光過程，以使外表面的表面粗糙度大約為Ra0.02。此后，再進行氣體氮碳共滲處理，以使外表面的表面硬度等于或大于660HV，使復(fù)合層14的厚度等于或大于7微米。采用這種方法時，如圖3所示，擴散層15和復(fù)合層14都具有初始預(yù)定厚度，這些厚度都是用層疊法在基體金屬上形成的。
其次，如圖4所示，進行磨輪拋光過程，以使最終表層滑動面12a的表面粗糙度等于或小于Ra0.02，并使保留的復(fù)合層14厚度“t”最好等于或大于2.5微米。在進行磨輪拋光過程中，用按表層滑動面12a輪廓加工的方法完成拋光，以使復(fù)合層14具有大約2.5微米至10微米的保留厚度或最終厚度“t”。所以，只對復(fù)合層14的最外部分進行輕微均勻地拋光。換言之，被磨輪拋光所磨掉的復(fù)合層14的厚度是非常小的，大約為3微米至5微米。
在按照本發(fā)明制造的氣門挺桿12中，在基體金屬16上保留著堅硬的復(fù)合層14，以形成滑動表面12a，因此，與研磨加工后用物理汽相沉積法單獨鍍的堅硬膜相比，其制造費用在保證摩擦減小效果和耐用性基本相同的條件下大約可減少一半。
此外，通過對閥挺件12的表層面12a進行磨輪拋光過程，該表層面12a的周邊棱角被完全磨圓。因而，不再需要單獨進行倒棱工序。
能夠依照表面輪廓進行的表面處理方法之一是磨輪拋光法。磨輪拋光是一種在研磨過程中使用磨粒的表面精制法。不過，磨輪拋光使用的是由軟彈性的布料、氈或皮革制成的磨輪，而不是硬金屬研磨具。因此，如上所述，僅能輕微地拋光最外層部分，以符合表面的輪廓。所以，磨輪拋光過程適用于本發(fā)明。
換言之，如果在上述復(fù)合層14上完成研磨具拋光過程，雖然能使表面很好地變得光滑，但卻很難為復(fù)合層14保留一個薄薄的均勻?qū)?，因此不能達到本發(fā)明的效果。
再參閱圖5，滲氮過程在復(fù)合層14的最外層部分14a中形成ε相(Fe2N-Fe3N)，而滲氮過程也在ε相內(nèi)形成ε+γ′相和γ′相。復(fù)合層14的ε相的韌性低于留下的復(fù)合層14的分層14b和14c的韌性。因此，復(fù)合層14的最外層部分14a作為氣門挺桿12的滑動面12a不是最佳的。所以，在本發(fā)明中，上述拋光過程充分磨掉了這個最外層部分14a，其結(jié)果是使具有ε+γ′相和γ′相的分層14b和14c外露。因而滲氮過程形成的ε相不會產(chǎn)生負面影響。
如果拋光過程前復(fù)合層14的初始厚度“t0”小于5微米，那就很難保證拋光過程后的被處理金屬層的厚度。如果復(fù)合層14的初始厚度“t0”大于15微米，則可能形成具有孔隙的多孔層。所以，滲氮過程形成的復(fù)合層14的初始厚度“t0”在拋光過程前最好是5微米至15微米。
此外，如果拋光過程后復(fù)合層14的最終預(yù)定厚度“t”小于2微米，則在使用過程中復(fù)合層14可能磨損。上述的ε相也可能被保留下。如果拋光過程后復(fù)合層14的最終預(yù)定厚度“t”超過10微米，則如上所述，在形成復(fù)合層14的時候可能形成多孔層。因此，拋光過程后復(fù)合層14的最終預(yù)定厚度“t”最好是2微米至10微米。
如果拋光過程后復(fù)合層14的表面12a的表面粗糙度小于Ra0.01，則難于以大規(guī)模生產(chǎn)方式來完成后續(xù)過程。另一方面，如果表面粗糙度大于Ra0.05，則不能獲得足夠的摩擦減小效應(yīng)。所以，拋光過程后復(fù)合層14的表面粗糙度最好是Ra0.01～0.05。
當然，熟悉本發(fā)明公開技術(shù)的人們都會明白本發(fā)明的范圍不僅限于氣門挺桿，而是包括能采用本發(fā)明其他類型的滑動件。因此，本發(fā)明的范圍不限于這些公開的實施例。其他一些滑動件的實例包括與進氣/排氣閥凸輪鄰接滑動定位的墊片；凸輪從動件，如搖臂等；活塞環(huán)和各種支承件。
然而，由于在本發(fā)明中是以按滑動件表面輪廓加工的方法來完成輕微拋光過程，故本發(fā)明特別適用于像凸輪從動件這樣的滑動件。更準確地說，對于凸輪從動件，滑動面的表面粗糙度減小比滑動面的光滑度更重要。在任何情況下，采用本發(fā)明就能提供低成本、高滑動性和高耐用性的滑動件。
本文中使用的一些表示程度的術(shù)語，如“基本上”、“大約”和“近似于”等意指偏離所修飾的術(shù)語、而不會明顯改變其最終結(jié)果的合理程度。例如，這些術(shù)語可被解釋為包括至少是被修飾術(shù)語±5％以內(nèi)的偏差，如果該偏差不會否定它所修飾的詞的意義的話。
本申請要求給第2000-286497號日本專利申請書以優(yōu)先權(quán)。第2000-286497號日本專利申請書的全部公開內(nèi)容都作為依據(jù)包括在本申請書內(nèi)。
只是選擇一些選取的實施例來說明本發(fā)明，而熟悉本發(fā)明公開技術(shù)的人們都會明白在不違反本發(fā)明所附權(quán)利要求規(guī)定范圍內(nèi)，可以對文中實施例作出各種不同的變更和修改。此外，提供上述本發(fā)明實施例的描述的目的只是為了說明，而不是為了限制如所附權(quán)利要求及其同等內(nèi)容所規(guī)定的本發(fā)明。因此，本發(fā)明的范圍不限于公開的實施例。
權(quán)利要求
1.一種滑動件，包括一個基體金屬；一個以預(yù)定厚度覆蓋所述基體金屬的擴散層；和一個以第二預(yù)定厚度覆蓋所述擴散層的復(fù)合層，通過滲氮過程在所述基體金屬的外表面上形成所述擴散層和所述復(fù)合層，且通過在所述復(fù)合層的最外層部分上進行拋光過程而形成所述復(fù)合層的所述第二預(yù)定厚度，使得通過所述滲氮過程形成的所述復(fù)合層的初始厚度減小到所述復(fù)合層的所述第二預(yù)定厚度，從而保留一個光滑滑動表面。
2.如權(quán)利要求1所述的滑動件，其特征在于通過所述拋光過程形成的所述復(fù)合層的所述第二預(yù)定厚度具有基本上均勻的厚度，因為所述拋光過程是按所述基體金屬的所述外表面輪廓進行的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的滑動件，其特征在于形成所述光滑滑動表面的所述拋光過程是拋光輪拋光過程。
4.如權(quán)利要求1至3中任何一項所述的滑動件，其特征在于所述滑動件是一個凸輪從動件，它與驅(qū)動內(nèi)燃機進氣閥或排氣閥的凸輪滑動鄰接。
5.如權(quán)利要求1至4中任何一項所述的滑動件，其特征在于完成所述拋光過程前復(fù)合層的所述初始厚度為5微米至15微米。
6.如權(quán)利要求1至5中之一所述的滑動件，其特征在于完成所述拋光過程后所述復(fù)合層的所述第二預(yù)定厚度為2微米至10微米。
7.如權(quán)利要求1至6中任何一項所述的滑動件，其特征在于完成所述拋光過程后所述復(fù)合層的所述光滑滑動表面具有表面粗糙度為Ra0.01至0.05。
8.一種制造滑動件的方法，包括通過滲氮過程在所述滑動件的基體金屬上形成具有預(yù)定厚度的擴散層和復(fù)合層；和在所述復(fù)合層的最外層部分上進行拋光過程，使得所述復(fù)合層的所述預(yù)定厚度被減小從而保留一部分所述復(fù)合層以便在所述滑動件上形成光滑滑動表面。
9.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其特征在于所述拋光過程是拋光輪拋光過程。
10.如權(quán)利要求8或9所述的制造方法，其特征在于所述滑動件是凸輪從動件，該凸輪與驅(qū)動內(nèi)燃機進氣閥或排氣閥的凸輪滑動鄰接。
11.如權(quán)利要求8至10中任何一項所述的制造方法，其特征在于完成所述拋光過程前所述復(fù)合層的厚度為5微米至15微米。
12.如權(quán)利要求8至11中任何一項所述的制造方法，其特征在于完成所述拋光過程后所述復(fù)合層的所述預(yù)定厚度為2微米至10微米。
13.如權(quán)利要求8至13中任何一項所述的制造方法，其特征在于完成所述拋光過程后所述復(fù)合層的所述光滑滑動表面具有的表面粗糙度為Ra0.01至0.05。
全文摘要
公開一種具有高滑動性、高耐用性和低成本的滑動件(12)。該滑動件(12)的表層滑動面(12a)通過滲氮過程形成，這種處理使在滑動件(12)的基體金屬(16)上形成復(fù)合層(14)和擴散層(15)。在復(fù)合層(14)的最外層部分(14a)上進行輕微地磨輪拋光過程，從而保持一個復(fù)合層部分(14b和/或14c)。
文檔編號C23C8/80GK1392918SQ01802832
公開日2003年1月22日 申請日期2001年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月21日
發(fā)明者石原基固 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社