專利名稱:機械零件的制作方法
本發(fā)明涉及一種具有耐磨表面的機械零件，該零件能與由紙、橡膠、塑料、樹脂、陶瓷和金屬組成的集合里挑選的構件實行接觸。
眾所周知，由于鋼鐵具有優(yōu)良的機械性能，例如強度，延展性，韌性，硬度等等，因此相對其它金屬來說，它被當作機械材料，結構材料等最基本的材料來用。
鋼鐵根據(jù)它們的含碳量可分為鐵，鋼和鑄鋼。再進一步，鋼可以分為碳鋼和合金鋼，合金鋼是通過在碳鋼里加入各種元素而獲得的并具有特殊的性能。根據(jù)它們的性能合金鋼可有各種不同的用途。
由鋼制成的機械零件或結構零件除了機械強度外根據(jù)它們的使用條件或環(huán)境因素還必須具有所需的性能。當鋼制零件使用時并與其它零件摩擦接觸時，需要耐磨和一個光滑的表面。例如，當零件(如機器的軸承零件或滑動零件)互相摩擦接觸時，或當工具與其它零件接觸時，就需要耐磨性和光滑的表面以便防止零件的磨損和改進相對其它零件的滑動性能。當鋼制零件在有腐蝕性的諸如水、酸性物、堿性物等環(huán)境里使用時，例如就潛水泵的傳動軸和轉子來說就需要高的防化學變化的性能。
近年來，曾經(jīng)嘗試過在零件的表面形成一層不同于基體的表層，以便除了該材料原有的性能外再根據(jù)使用條件或環(huán)境因素提供給鋼制零件所需的性能。這種表層必須具有與其它零件磨擦的耐磨性和改進相對其它零件滑動性能的光潔度，必須不損傷其它零件，必須具有防化學變化的性能并足以不在腐蝕性環(huán)境里被腐蝕。再進一步，表層必須以很高的機械強度形成于零件的基體表面上，不會因形成而降低基體的性能并且不需在形成后進行研磨等精加工。
作為在鐵或鋼制零件的基體表面形成表層的一種方法，電鍍，物理蒸敷法，化學蒸敷法，火焰噴涂法等等是眾所周知的。然而，這些方法不能完全滿足上面提到的所有的需求，而且實際應用起來也不能盡如人意。更具體地說，用這種方法形成的表層不具有足夠的致密度，耐磨性和光潔度。表層和基體之間的聯(lián)結強度也不是足夠的，表層經(jīng)常會從基體上脫落。此外還需要表層形成后的研磨工序。
由于上述原因，提供本發(fā)明以便制成一種具有良好的耐磨性，光潔度和抗化學變化的表層的機械零件，該表層具有很高的機械強度并在不損傷基體的情況能很容易地形成于基體上，該零件能與由紙、橡膠、塑料、樹脂、陶瓷和金屬組成的集合里挑選的構件實行接觸。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種能與由紙、橡膠、塑料、樹脂、陶瓷和金屬組成的集合里挑選的構件實行接觸的機械零件，它包括一鐵基金屬的基體和一形成于所述的基體表面并含有氧化鉻(Cr2O3)作為主要成份的表層。氧化鉻(Cr2O3)是一種通過加熱鉻化合物轉變而成的物質，一個含有基體和表層里的氧化鉻之間的反應生成物的中間層形成于表層和基體之間的界面上。
本發(fā)明的機械零件包括各種能與由紙、橡膠、塑料、樹脂、陶瓷或金屬組成的集合中挑選的構件接觸的機械零件。這種機械零件包括諸如機器上的軸承或滑動零件等零件，例如，發(fā)動機的汽缸或泵體，它們都與由橡膠或合成樹脂組成的O型密封圈接觸。
機械零件的基體可以是碳鋼、不銹鋼或其它鐵合金。
根據(jù)本發(fā)明形成于機械零件基體上的表層具有氧化鉻(Cr2O3)顆粒的致密結構，該顆粒是通過加熱鉻化合物轉變而來的并互相完全粘結。表層是光滑的并具有良好的耐磨性。由于析出的Cr2O3陶瓷顆粒的尺寸非常小(1微米或更小)，表層就能是致密的、完全沒有微孔的光潔層，并能形成非常薄的一層，而且基體的原有性能(例如彈性)依然能有效地利用。表層的硬度高達HV500或更高。作為材料和氧化鉻之間的反應生成物的中間層形成于表層和基體之間的界面上。表層可以很高的粘附強度(500公斤力/厘米2)形成于基體上。中間層的厚度介于0.5微米至3.0微米的范圍內。表層還有很高的抗腐蝕性，隔離外界物質的性質和高的防化學變化性能。
表層里包含的氧化鉻(Cr2O3)可以增加硬度和減少摩擦系數(shù)。
具有這種表層的機械零件可通過以下的方法制成。根據(jù)該方法，鉻化合物溶液，例如CrO3的水溶液通過涂或浸的手段涂敷于基體的表面。將涂有CrO3溶液的基體在500℃到600℃(最好約550℃)的溫度下烘焙作反應處理，由此在基體的表面區(qū)域內形成一含有以Cr2O3作為主要成分的表層。500℃至600℃的烘焙溫度使CrO3轉變?yōu)镃r2O3。多次重復涂敷和烘焙CrO3的操作循環(huán)就能在基體的表面形成一層含Cr2O3的致密的硬的陶瓷涂層。該涂層的厚度是1到50微米。在這種方法里，厚度是由上述的操作循環(huán)重復的次數(shù)控制的。機械零件表層的厚度推薦的是1到10微米，最好是2到6微米。由于烘焙溫度介于500℃到600℃范圍之間，基體的性能不會降低。
任何鉻化合物，包括通過加熱可以轉變?yōu)镃rO3的CrO3均可使用，這種鉻化合物如Na Cr O4·10H2O，Na2Cr2O7·2H2O，K2CrO4，K2Cr2O7和(NH4)2Cr2O7。此外，所述的溶液不局限于水溶液，還可以用熔鹽來代替。溶液的濃度最好在10-85%之間。
本發(fā)明將通過下述例子來描述例1用奧氏體不銹鋼(ASTM304)和鐵素體不銹鋼(ASTM430)作為基體，有八個試樣，包括一個不具有表層，一個具有根據(jù)本發(fā)明形成的表層，一個具有根據(jù)普通方法形成的表層，如下面表1所示
表1
試樣1和試樣2的基體表面需要精加工，而形成表層后的試樣3和試樣4不需精加工。試樣5到試樣8則在表層形成后需要精加工。
由于試樣3和試樣4的表層是如下所述那樣地形成于基體的表面。更具體地說，基體是被浸在50%的鉻酸(CrO3)溶液里持續(xù)1到2分鐘。當基體干燥后，在500℃到600℃溫度的空氣里被烘焙。將上述加工的操作過程重復16次，由此在基體表面形成約5微米厚的表層。該表層由含有基體和CrO3的反應生成物(FeO·Cr2O3)和作為主要成份的Cr2O3的中間層，及含有作為主要成份的CrO3轉變而來的Cr2O3的一層組成。
試驗這些試樣是為了檢查它們的耐磨性和抗化學變化性能。
耐磨性試驗通過一種高速的纖維滑動試驗來檢查耐磨性，其試驗條件如下纖維聚酯50d/48f速度3.5m/sec
拉力65g試驗時間24小時試驗結果如表2所示。
表2
從表2可得知，本發(fā)明的試樣沒有磨損痕跡并在絲運動24小時后依然不斷。
耐腐蝕性試驗試樣的耐腐蝕性是通過將它們浸入鹽酸溶液里然后測出樣品重量的減少來進行的。
試驗條件如下所述溶液濃度5%，10%溫度環(huán)境溫度浸漬時間24小時試驗結果如表3所示
表3
從表3中可以得知，本發(fā)明的試樣具有良好的耐腐蝕性能。
例2一奧氏體不銹鋼(ASTM304)泵體被作為基體來用，其外徑為34毫米，內徑為30毫米，長為100毫米，共準備兩個試樣。一個試樣具有根據(jù)本發(fā)明形成的表層，另一個試樣具有根據(jù)一般方法形成的表層。
更具體地說，試樣9有一根據(jù)本發(fā)明形成的表層。將基體浸在80%CrO3水溶液里持續(xù)1到2分鐘。然后，將基體放在500℃到600℃溫度的空氣里烘焙。上述操作過程重復15次，由此在基體上形成一5微米厚的表層。
試樣10有一根據(jù)一般方法形成的表層。通過鍍鉻在基體上形成一30到40微米厚的鉻層。
兩個試樣作為泵體安裝在一個試驗柱塞泵里，然后就可以做內表面的耐磨試驗了。具體地說，就是通過柱塞泵不斷地輸送2%熟石灰的水溶液。然后在300小時后測出泵體內表面表層的磨損，并觀察內表面的狀態(tài)。注意在泵運轉期間，由橡膠制成的并安裝在傳動軸末端的滑動部件以每分鐘120次的速率在汽缸內往復運動。
結果是，試樣9內表面的磨損是2微米，且其內表面狀態(tài)沒有發(fā)生變化。但試樣10內表面的磨損是45微米，而且表層幾乎完全破壞并露出了基體。
根據(jù)上述的本發(fā)明，可以提供一種具有表層的機械零件，該表層具有良好的耐磨性、光潔度和抗化學變化性能，并能很容易地以很高的機械強度并在不削弱基體性能的情況下形成于基體之上，該機械零件能實現(xiàn)與某種構件的接觸，所說的構件選自由紙、橡膠、塑料、樹脂、陶瓷和金屬組成的集合。
權利要求
1.能與由紙、橡膠、塑料、樹脂、陶瓷和金屬組成的集合中桃選的構件實現(xiàn)接觸的一種機械零件，包括一鐵基金屬的基體，一形成于所述基體的表面并含有作為主要成份的氧化鉻(Cr2O3)的表層，氧化鉻是通過加熱由鉻化合物轉變而來的，和一個含有所述表層里的氧化鉻和所述基體之間的反應生成物并形成于所述表層和所述基體之間的界面上的中間層。
2.根據(jù)權利要求
1所述的機械零件，其特征在于所述表層有一1到50微米的厚度。
3.根據(jù)權利要求
1所述的機械零件，其特征在于所述表層有一1到10微米的厚度。
4.根據(jù)權利要求
1所述的機械零件，其特征在于所述表層有一2到6微米的厚度。
5.根據(jù)權利要求
1所述的機械零件，其特征在于鉻化合物是CrO3。
6.根據(jù)權利要求
1所述的機械零件，其特征在于所述中間層有一0.5到3.0微米的厚度。
7.根據(jù)權利要求
1所述的機械零件，其特征在于所述的中間層含有FeO·Cr2O3和Cr2O3。
8.根據(jù)權利要求
1所述的機械零件，其特征在于所述機械零件是機器的軸承零件。
9.根據(jù)權利要求
1所述的機械零件，其特征在于所述機械零件是發(fā)動機或泵里的滑動零件。
專利摘要
一種能與由紙、橡膠、塑料、樹脂、陶瓷和金屬組成的集合中挑選的構件接觸的機械零件，包括一鐵基金屬的基體和一形成于基體表面的表層。該表層含有作為主要成分的氧化鉻(Cr
文檔編號C23C22/05GK87101667SQ87101667
公開日1987年9月9日 申請日期1987年2月28日
發(fā)明者只井喬, 小浜一, 矢部久雄 申請人:東芝株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan