專利名稱：：其中之一由導致獲得改進的防卡塞性能的特殊鋼制成的導向元件對的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及可將其歸為導向元件類的機械部件。這些導向元件(在實際中稱為導向元件對)由兩個對抗的部件構成，這兩個部件彼此接觸并且彼此相對運動，以使固定它們的導向元件能夠以盡可能小地摩擦彼此相對運動。這些部件進行接觸的表面由于這種相對運動和它們的環(huán)境而成為了化學和機械荷栽的對象，使得它們由于摩擦磨損，由于腐蝕或者同時由于這二者而或多或少快速地被損壞。這些導向元件可以具有與不同運動學相對應的各種幾何形狀；因而它們尤其可構成軸/軸承(palier)系統(tǒng)(有時也稱作軸/軸承(coussinet)系統(tǒng))，球形接頭(rotule)，或者滑槽(glissi6re)。更具體地，本發(fā)明涉及用潤滑脂潤滑并且經歷嚴苛條件(例如強的接觸壓力或者腐蝕性氣氛或者二者同時)的導向元件，從而帶來了接觸表面高的劣化風險。特別地但非限制性地，本發(fā)明涉及成為軸/軸承鉸接接頭(articulation)或系統(tǒng)的一部分的導向元件，詞語"軸"應當指該術語的一般含義，例如指鉸接接頭的公部件(而"軸承"是這種鉸接接頭的母部分)；這例力口可以是曲軸(vilebrequin)或凸輪軸的軸頸(maneton)或轉軸(tourillon)。技術背景1.導向元件的概念一般地，導向元件，尤其是設計用于在強載荷下使用的軸/軸承系統(tǒng)，是由鋼制公部件和青銅制(用于設計較早的系統(tǒng))或者鋼制(用于較近的系統(tǒng))母部件構成的。通常，這類導向元件使用普碳鋼或42CrMo4型結構鋼(依照法國標準)，某些鋼可進行滲氮，以提高其耐摩擦磨損性。在最為改進的形式中，導向元件可如文獻EP0987456所教導的一樣還使用聚合物涂層進行涂覆并且具有對潤滑作用有利的特殊幾何形狀。顯然可能且還已知的是將這些不同的改進組合在一起。2.鋼的選擇在要設計機械元件時，本領域技術人員要進行非常大量的材料的選擇，尤其是鋼。這些鋼的組成由國家、地區(qū)或國際標準決定，并且添加元素的種類和濃度才艮據預期用途所需的性能來確定。本領域技術人員在對改進的表面性能感興趣時可能會更特別地對被稱作"滲碳鋼"的鋼和被稱作"滲氮鋼"的鋼感興趣。滲碳鋼優(yōu)選包含小于O.4%的碳；在這種含量范圍內，更具體地留出0.2-0.4%區(qū)域為碳氮共滲，而小于0.2%的含量更特別地用于滲碳。滲氮鋼優(yōu)選要么是非碳合金的結構鋼，要么是鉻鉬鋼類型的低合金鋼，性能最優(yōu)的還包含鋁。描述這些類型的鋼的文獻數量眾多。例如參見"Pratiquedestraitementsthermochimiques，，-EditionsTechniquesdering6nieur(這個專欄定期地進行更新)，以及參見不同的鋼供應商的技術數據表。本領域技術人員因而擁有這樣的指導，該指導能夠使其原則上根據所選的處理和所希望獲得的性能進行鋼的最佳選擇。僅作為參考，在此要回顧的是*滲碳是一種通過碳表面擴散的鋼熱化學處理；這種表面擴散導致形成表面硬層，該層的厚度可達到1甚至2腿，其硬度是^0-900HV。這種處理主要適用于低碳鋼；其使得能夠獲得大的表面硬度(耐磨損性)，同時保持良好的核心韌性。這種處理通常在接近900°C的氣體氣氛下進行，持續(xù)幾個小時；這意味著該滲碳處理應當強制性地后接淬火，然后是消除應力回火，最后是最終的機械加工，因為在滲碳溫度下的部件會發(fā)生變形。*滲氮是一種能夠使氮在鋼表面下擴散的熱化學處理。在滲氮之后，可按照深度分成兩個非常不同的區(qū)域在二十微米左右的表面，基本上由氮化鐵構成的層(e或y'相)，其硬度大于1000HV(這個層被稱作"結合(combinaison)層，，或者"白層，，)；在這個層之下是被稱作"擴散區(qū)，，的區(qū)域，在這個區(qū)域中，氮夾雜在鋼中(在某些情況下，可能會有氮化物的析出)；氮在這個區(qū)域中的滲透特征取決于鋼的添加元素的性質和滲氮條件；在這個區(qū)域中，鋼經受壓縮應力。該處理可以在氣體氣氛中進行，或者在熔融鹽浴中進行。溫度通常為570°C，從而使得與滲碳相反，該滲氮不需要熱處理，也不需要隨后的機械加工。該滲氮實際上是在尋求大的耐磨損性及大的疲勞強度(歸因于前述的壓縮應力)的應用中進行的。實際上顯然，旨在經受嚴苛磨損條件的鋼的性能(至少在導向元件對內)不可能明確地歸功于可通過滲碳或通過滲氮產生的單個硬層，而要考慮其它參數，尤其是組成；因而事先不可能保證滲氮處理足以賦予鋼種以良好的摩擦性能。同樣地，實際上不可能不經過試驗就由鋼的組成來預見其摩擦性能。因而實際上不可能由這些類似的合金來推斷新合金的性能。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于導向元件對(尤其是軸-軸承系統(tǒng))，其中元件之一由一種鋼制成，該鋼的特定組成使得能夠在滲氮之后獲得非常好的耐磨損性。申請人完全偶然且出乎意料地發(fā)現，通過以對應于非常明確的添加元素含量的某些鋼來生產導向元件(尤其是軸/軸承系統(tǒng))并且對其進行滲氮處理，可以獲得非常特殊的性能，尤其是在使用壽命和耐久性方面。這個發(fā)現的驚人特點不僅在于所獲得的性能水平，而且在于這些性能的超過利用相近組成的鋼所獲得的性能；而迄今為止沒有對這種現象的已這是因為，通過鋼的微硬度隨著從表面開始的測量深度的變化來表征滲氮的有效性是符合慣例的。因而描繪出"硬度/與表面的距離"曲線，通常被稱作"演變關系(filiations)"。現有技術通常在這些演變關系與導向元件耐磨損性之間建立了良好的關聯。而在本案中，所獲得的演變關系在所有點均相似于在推斷為相當的組成的其它滲氮鋼上所獲得的演變關系，但其它鋼并不導致非常良好的所觀察的性能。更具體地，本發(fā)明涉及導向元件，尤其是軸-軸承系統(tǒng)的軸承或軸，其由具有下述組成的鋼制成-0.15-0.3%重量的碳—2-5%重量的鉻-至少等于0.45%重量的鉬-大于0.01%重量且至多等于0.5%的釩并且其在成形之后進行滲氮，由此獲得厚度為5微米至50微米的鐵和氮原子間的結合層。因而，與在強載荷下的應用中所尋求的相反，本發(fā)明提出保留結合層(或白層)。這是因為，看來尤其是這個白層可以賦予本發(fā)明導向元件以高的防卡塞(resistanceaugrippage)寸生能。有利地鉻含量為2%-3%重量，鉬含量為至多等于0.9%重量，釩含量為小于0.3°/。重量。同樣有利地而非強制性地，這種鋼還包含0.4%-1.5%錳。其它添加元素顯得無關緊要，看來對于性能的獲得不起主要作用，即使鋁在超過1%時看來是有害的，并且看來希望避免如此(不大于0.1%甚至O.01%);同時，鎳看來也具有有害的作用并且看來能夠被忽略(例如不大于0.1%甚至0.01%);硫、磷和鉤看來也能夠被忽略(例如不大于0.1%甚至0.01%)。這就是為什么有利地制成導向元件的鋼不含除上述之外的添加元素的原因。根據本發(fā)明特別有利的應用，根據特定的使用條件在軸-軸承系統(tǒng)的軸上或者軸承上使用這些滲氮鋼；軸-軸承系統(tǒng)的其它零件本身也可以是所推薦組成的鋼，或者是任何其它相容的材料，例如在上述文獻EP-0987456中所提及的材料。不過，本發(fā)明也很好地適用于其它導向元件對，例如尤其是滑槽，或者球形接頭，或者曲軸系統(tǒng)，或者具有凸輪軸的系統(tǒng)。為了符合本發(fā)明，如上定義的鋼制成的導向元件應用進行滲氮，但滲氮方法在這種情況下顯得并不具有主要的影響作用；這種操作因而可以毫無區(qū)別地在熔融鹽浴中，在氣相中，或者通過離子法來進行。同樣地，覆蓋氮化物層的表面氧化物層的存在看來也不對性能產生顯著影響。這同樣適用于存在光滑清漆或其它任何表面涂層如聚合物類涂層的情況，這些涂層在滲氮之后沉積(尤其參見上述文獻EP-0987456)。因而，根據本發(fā)明有利的特征，這任選地組合有*所述元件包括未打通(醒d6bouchantes)的空腔，所述元件帶有聚合物或共聚物材料的涂層，所述材料有利地選自聚酰亞胺，加填料的聚酰亞胺，環(huán)氧樹脂，加填料的環(huán)氧樹脂，聚醋酸酯樹脂，聚乙烯，取代或未取代的碳氟化物(fluorocarbones)，聚對苯二曱酸乙二醇酯，聚醚砜，聚酰胺和聚醚-醚酮，這種元件是與軸合作的軸承，作為變化形式，這種元件是與軸承合作的軸，這種元件是其中軸為曲軸或凸輪軸的軸的對中的一部分，這些元件形成滑塊(patin)-滑槽(glissidre)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內，作為實例，由所述鋼制成的元件是滑槽，這些元件形成具有球形接頭的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內，作為實例，由所述鋼制成的元件是球形接頭，元件中的每一個均由具有所述組成的鋼制成。具體實施方式以下的非限定性實施例用于說明符合現有技術的實施方案、符合本發(fā)明的其它實施方案，以及最后不符合本發(fā)明的實施方案。通過它們能夠揭示出由本發(fā)明所推薦的鋼的組成與摩擦性能之間的關系，以及滲氮層的硬度(如它們常規(guī)所定義)和這些同樣的摩擦性能之間令人吃驚地不存在明確的關系。在這些實施例的每個實施例中，試驗操作程序的選擇要使得能夠完全代表用(常規(guī))潤滑脂潤滑并且在嚴苛條件下運行的軸/軸承系統(tǒng)的使用壽命。對于所有實施例來說，該操作程序同樣要使得能夠進行結果對比。為了能夠比較鋼的種類的影響，所有的樣品均通過在熔融鹽浴中浸漬90分鐘以相同的方式進行滲氮。這項技術優(yōu)先于在氣體介質中操作的其它技術而被考慮，因為鹽浴是完全等溫的介質，這確保了該處理對于所有的樣品來說都是完全相同的，并且使得能夠消除與氣態(tài)滲氮爐的熱均勻性有關的不確定性；但顯然的是，導致獲得相同表面層的其它任何方法的使用仍然在本發(fā)明的范圍之內。此外，關于對不同鋼種的不同滲氮方法的比較的文獻是數量非常眾多的，并且表明所觀察到的冶金學差異是小的，并且不會明顯地影響摩擦性能。根據用途，不同滲氮鋼的對比結合了兩種類型的表征-冶金學表征，其在于測量結合孩史層的厚度和其硬度，并且在于描繪出硬度隨測量深度變化的特征。-摩擦表征，使模擬軸的淬火滲碳鋼環(huán)與模擬軸承的滲氮鋼小板進行摩擦。該環(huán)與該小板之間所施加的栽荷是250daN,這對應于W0MPa的Hertz壓力，滑動速度為0.18m/s，接觸點使用潤滑脂潤滑(釆用常規(guī)潤滑脂，如具有2級石蠟礦物油(NLGI)的鋰皂基潤滑脂，粘度105厘斯)。隨時間記錄摩擦系數，并且該試驗通過一定的時間來表征，其中在該時間之后出現卡塞。在試驗結束時，任選地獲得顯微照片，以用于視覺觀察磨損的特征。更具體地，構成淬火滲碳鋼環(huán)的材料例如選自淬火滲碳鋼16NC6，硬度為58-62服C，并且應用于下述不同實施例的模擬環(huán)的該小板的滲氮處理如下定義在具有商業(yè)組成的熔融鹽浴中浸漬(以商標"SURSULF"而為人知)，處理溫度570°C，處理時間90分鐘，用水沖洗，然后干燥。實施例1:根據現有技術，不符合本發(fā)明("CrMo4)根據現有技術，模擬軸承的小板由含0.42%碳、1%鉻、0.2%鉬、0.01%釩和0.83%錳的鋼制成，并且按照上述的操作程序進行滲氮。結合層的微硬度是1000±70kg/mn^并且其厚度為20±5微米。這個硬度在表面50微米處只有600士50kg/ra^并且快速地逐漸下降，在200微米深度時達到420±50kg/mm2，這基本上是核心的硬度。在"mn試驗后，摩擦試驗導致卡塞；試驗后部件的冶金學鑒定表明，結合微層多處磨損，在微層不存在的部位立即出現卡塞。實施例2:不符合本發(fā)明(40CrAlMo6-12)模擬導向元件的小板由含0.44%碳、1.6%鉻、0.32%鉬、0.12°/。鎳和1°/。鋁的鋼制成。這種鋼按照上述的操作程序進行滲氮。通過冶金學分析表明存在硬度為1300土100kg/m^且厚度為20±5微米的結合微層。該硬度在50微米深度為820±50kg/mm2，并且在200微米深度時穩(wěn)定在330±20kg/mm2，這對應于核心的硬度。由于這種鋼已被設想用于此目的，因此硬度特征對應于所預期的效果。在所指出的條件下進行摩擦，樣品在10分鐘的試驗之后首次開始卡塞，在60分鐘的試驗之后出現全面化的卡塞。摩擦后部件的顯微照片檢查顯示出，微層多處磨損；其中鋼棵露的這些區(qū)域因而非常容易卡塞。相對于實施例1中所示情況的這種輕微的性能改進是可預見的，并且可歸因于表面層較高的硬度。實施例3:符合本發(fā)明(32CrMoV13)模擬導向元件的小板由含0.27%碳、2.9%鉻、0.88%鉬、0.26%釩和0.12%鎳的鋼制成；其按照上述的操作程序進行滲氮。這種小板的冶金學檢查表明存在厚度為20±5微米且硬度為1150±100kg/m^的結合微層。在50微米深度，硬度為770±50kg/mm2，其在200微米深度穩(wěn)定在350±20kg/mm2，這基本上對應于核心的多級。摩擦試驗顯示在HO分鐘的試驗之后出現卡塞的跡象，摩擦區(qū)域的檢查表明結合微層并未完全磨損，殘余厚度為5-8微米。其外觀是光亮的，其沒有卡塞的跡象。相反地，在對抗部件上出現在試驗停止時開始的所觀察到的微卡塞。這種性能的改進不管怎樣都不與微層的初始厚度、其硬度或硬度隨深度的變化相關聯，因為除去測量的精確性之外，這些量完全與在實施例2中記錄的量相當，而實施例2得到了差得多的結果。實施例4:符合本發(fā)明(15CrMnMoV9)模擬導向元件的小板由含O.15%碳、1.25%錳、2.l碟、0.47%鉬、0.48鎳和0.17%釩的鋼制成；其按照上述的操作程序進行滲氮。其冶金學檢查顯示出在表面有厚度為20±4微米且硬度為1100±100kg/m^的結合微層。在50微米深度，硬度為780±50kg/mm2，其在200微米深度穩(wěn)定在350±20kg/mm2的值。摩擦試驗4吏得在150分鐘的試驗后首次出現卡塞的跡象；在拆卸之后，通過對小板的檢查顯示出，結合微層完全磨損，但小板具有均勻光滑的外觀，微卡塞只在對抗部件上表現出來。實施例5:符合本發(fā)明(18CrMo7)模擬導向元件的小板由含O.18°/。碳、2%鉻、0.5%鉬、0.15%鎳、0.7%錳和0.01%釩的鋼制成；其按照上述的操作程序進行滲氮。冶金學分析表明存在厚度為13±5微米且硬度為ll50±100kg/mm2的結合微層。在結合微層下在50微米深度，硬度為770土50kg/mm2，并且在核心處穩(wěn)定在300±50kg/mm2。在所指出的條件下進行摩擦，樣品在225分鐘的試驗之后首次開始卡塞，這是非常出色的。實施例6-8:不符合本發(fā)明組成<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>結果的非常優(yōu)異的特性；而表面硬度看來并沒有對該現象起作用(不符合本發(fā)明的1和2前兩種鋼的硬度涵蓋了(encadrent)符合本發(fā)明的3-5三種鋼的硬度，不論是在表面還是在深處)；可以看到，當導向元件由常規(guī)結構鋼或"滲氮"鋼(但其組成在所要求保護的范圍之外)制成時，結合微層的耐磨損性是不太好的，并且其在磨損作用下的局部消失立即導致卡塞，而當導向元件由本發(fā)明的鋼制成時，不僅具有同樣硬度的結合微層磨損的速度要慢得多，而且下面的擴散區(qū)域本身具有令人吃驚的摩擦性能，因為其沒有卡塞，這種現象以最后到達對抗部件而終止。構成導向元件的部件的使用壽命因而根據具體情況而被延長2.5至大于5倍，這是非常顯著的優(yōu)點?？梢灾赋觯谏厦娴膶嵤├?，相對于已知解決方案，防卡塞性能顯著提高，而不增加白層的硬度且不明顯地增加硬化的深度(其通常小于500微米，相對于例如WO-00/18975所尋求的)。對這種現象的解釋還是未知的。如上所指出的，本發(fā)明特別適合于下面這樣的軸-軸承系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，軸承由符合如上定義的鋼制成，同時結合有可由任何相容材料制成的軸，該材料尤其是鋼，例如通過任意方式硬化并且其硬度大于55HCR的鋼。尤其可涉及到選自以下的鋼滲碳鋼、淬火鋼、精整(rectifi6s)鋼、HF精整淬火鋼、硬化然后涂覆硬鉻的鋼、滲氮鋼、涂覆陶資的鋼以及其它碳氮共滲鋼。作為變化形式，這種軸-軸承系統(tǒng)中的軸可以由符合如上定義的鋼制成，而軸承則由前一段落中所指出的材料之一制成。在曲軸或凸輪軸系統(tǒng)的特定情況下，如上推薦的鋼有利地用于曲軸或凸輪軸的軸頸或轉軸。本發(fā)明適用于其它導向元件對，如在上述文獻EP-0987456中描述的那些；因而上面推薦的鋼可用于尤其制成滑槽-滑塊對的滑槽或滑塊，或者具有球形接頭的系統(tǒng)中的球形接頭或者帽。同一導向元件對中的兩個元件可以同才羊地由如上定義的鋼制成，例如由具有相同組成的鋼制成。同樣地，表面之一有利地包括未打通的空腔和/或被聚合物或共聚物材料涂覆(其可涉及到由所推薦的鋼制成的部件)，該材料尤其選自聚酰亞胺，加填料的聚酰亞胺，環(huán)氧樹脂，加填料的環(huán)氧樹脂，聚醋酸酯樹脂，聚乙烯，取代或未取代的碳氟化物，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚醚砜，聚酰胺和聚醚-醚酮。權利要求1.導向元件對，其特征在于元件中的至少之一由至少包含0.15-0.3％重量的碳、2-5％重量的鉻、至少0.45％重量的鉬和大于0.01％重量且至多0.5％的釩的鋼制成，并且這種鋼在成形之后進行滲氮，由此獲得厚度為5微米至50微米的鐵和氮原子間的結合層。2.權利要求1的導向元件對，其特征在于鉻含量為2%-3°/。重量。3.權利要求1或權利要求2的導向元件對，其特征在于鉬含量為至多等于0.9%重量。4.權利要求l-3中任一項的導向元件對，其特征在于釩含量為至多等于0.3%重量。5.權利要求1-4中任一項的導向元件對，其特征在于其還包含0.4%重量-l.5%重量的錳。6.權利要求l-5中任一項的導向元件對，其特征在于所述元件包括未打通的空腔。7.權利要求l-6中任一項的導向元件對，其特征在于所述元件帶有聚合物或共聚物材料的涂層。8.權利要求7的導向元件對，其特征在于該涂層由選自以下的材料制成聚酰亞胺，加填料的聚酰亞胺，環(huán)氧樹脂，加填料的環(huán)氧樹脂，聚醋酸酯樹脂，聚乙烯，取代或未取代的碳氟化物，聚對苯二曱酸乙二醇酯，聚醚砜，聚酰胺和聚醚-醚酮。9.權利要求l-8中任一項的導向元件對，其特征在于這種元件是與軸合作的軸承。10.權利要求1-8中任一項的導向元件對，其特征在于這種元件是與軸承合作的軸。11.權利要求9或權利要求10的導向元件對，其特征在于該軸為曲軸的軸。12.權利要求9或權利要求10的導向元件對，其特征在于該軸為凸輪軸。13.權利要求1-8中任一項的導向元件對，其特征在于這些元件形成滑塊-滑槽系統(tǒng)。14.權利要求13的導向元件對，其特征在于所述鋼制成的元件是滑15.權利要求1-8中任一項的導向元件對，其特征在于這些元件形成具有球形接頭的系統(tǒng)。16.權利要求15的導向元件對，其特征在于由所述鋼制成的元件是球形接頭。17.權利要求1-16中任一項的導向元件對，其特征在于元件中的每一個均由具有所述組成并且結合層厚度為5-50微米的鋼制成。18.權利要求1-16中任一項的導向元件對，其特征在于另一導向元件由鋼制成。19.權利要求1-18中任一項的導向元件對，其特征在于所述導向元件不含大于0.1%的鋁。20.權利要求1-19中任一項的導向元件對，其特征在于所述導向元件不含大于0.1%的鎳。21.權利要求1-20中任一項的導向元件對，其特征在于所述導向元件不含大于0.1%的疏、磷和/或鈣。全文摘要本發(fā)明涉及導向元件對，其特征在于元件中的至少之一由至少包含0.15-0.3％重量的碳、2-5％重量(優(yōu)選2-3％重量)的鉻、至少0.45％重量(優(yōu)選至多0.9％重量)的鉬和大于0.01％重量且至多0.5％(優(yōu)選至多0.3％)的釩的鋼制成，并且這種鋼在成形之后進行滲氮，由此獲得厚度為5微米至50微米的鐵和氮原子間的結合層。其還可包含0.4％重量-1.5％重量的錳。文檔編號F16C33/12GK101163898SQ200680013620公開日2008年4月16日申請日期2006年4月21日優(yōu)先權日2005年4月22日發(fā)明者E·沙迪伊龍,L·烏澤,S·朱邁納申請人:H.E.F.公司