表面改性析出硬化不鏽鋼的製作方法

2023-07-21 03:09:01 2

專利名稱：表面改性析出硬化不鏽鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及進行了表面硬化和塗覆的析出硬化不鏽鋼，所述表面具有低靜摩擦和改進的抗磨損性。而且，涉及所述不鏽鋼的表面塗層，其中表面硬化與所述塗覆同時完成。所得到的被塗覆的鋼在具有改進的粘合性的同時還具有非常高的硬度。這種鋼在用於對高強度和/或高韌性、高耐磨性以及低摩擦綜合方面具有很高要求的應用中非常有利，例如用高成本有效方法生產的減震器和內燃機的零部件以及液壓系統。
背景技術：
通常，不鏽鋼合金比其他鋼材軟。因此，它們經常進行硬化處理，這種處理基本上是整體處理或表面處理。該整體處理意味著遍及材料的整個截面使鋼材勻質的硬化，例如板材或線材，而表面處理意味著只硬化構件的表面，而剩下基體基本不受影響。
例如US-A-5,632,826(和WO-A-95/09930)，其通過參考整個包括在本申請內容中，公開了一種析出硬化不鏽鋼，其中，基於整個材料微粒的析出而進行強化。該強化微粒具有類結晶結構，所述結構主要用長達1000小時的時效時間和高達650℃回火處理得到。這種增強包括增加至少200Mpa的拉伸強度。
用於析出硬化不鏽鋼和/或由所述鋼製造的零件的其他方法公開在WO-A-93/07303、WO-A-01/36699和WO-A-01/14601中，在此其通過參考全都包含在本申請的內容中。例如，根據WO-A-01/36699，在時效/硬化之前，材料的生產應當使產品進行冷成形，變形到足夠的程度，用於獲得至少50％的馬氏體含量，優選至少為70％的馬氏體含量。
不同於整體並勻質的影響鋼材的硬化處理，在許多應用中，不鏽鋼構件具有硬化的表面，通常稱之為表面硬化。表面硬化的概念是通過使其富含碳或其他成分，而使得該零件的表面變性具有一層材料薄層，以便使該表面比基質硬，該基質是不受表面改性影響的鋼材主體。
不鏽鋼經常通過滲碳進行表面硬化處理。這種方法是溶液中的碳原子擴散進入該基質，即鋼的表面。已知的表面硬化方法是在高溫下進行的。滲碳處理在約540℃或更高的溫度下進行(對於不鏽鋼合金)。但是，這種高溫處理能夠在所述不鏽鋼表面促使碳化物的形成。
正如上面所述，在許多機械應用中，不僅鋼表面的硬度而且靜摩擦都是熟知的問題。即便進行潤滑，靜摩擦也可能產生相當大的摩擦損失，特別是在進行往復運動的情況下。這種應用的例子是，例如車輛的減震器，製造業中的液壓系統以及內燃機中的零件，如凸輪隨動器。在運動形式或其方向高頻變化的情況下，靜摩擦可以引起局部溫度增加，這將導致性能下降和/或使用壽命減少以及滲漏危險。
為了減少靜摩擦，暴露表面通常用某些層形式進行塗覆，這種層形式具有比其下面的鋼基體更好的性質。除了提供低摩擦之外，所述層的一種所希望性質是保護該基質不受機械磨損。因此，所施加的層應當儘可能硬。在製造業的液力操作控制設備中，高靜摩擦可能引起運動阻力，這將降低液壓部件的精度。所述靜摩擦的問題可以發生在，例如內燃機中、入口和出口閥的凸輪隨動器中。該隨動器在其上作用的表面，暴露於非常高的局部載荷下，這將導致嚴重的磨損問題。
降低靜摩擦並增加硬度的常規方法是製造非常光滑表面，並且然後在該表面進行硬鉻電鍍。因而對於低合金可鍛鋼硬度水平達到約1000Hv的量級。為了支承該層，表面硬化經常在鍍鉻之前進行。由於在進行硬化處理時尺寸的變化，這種處理比較複雜，並且還包括對工件的多次定位。
基質硬度和施加塗層的硬度不同的問題的一種可能的解決方案是施加層系統。被處理的工件包括例如鋼的基體或基質以及緊靠該基質的由金屬層補充的硬材料層系統，以及最後的滑動層系統，因而，後者優選為碳化物構成，特別是碳化鎢或碳化鉻以及漫布的碳。雖然獲得良好的硬度值和低靜摩擦，但是若干層的複合系統對於生產來說是複雜、耗時和昂貴的。
另一種可選的方案是形成層系統，其包括設置在基質上的粘結層、設置在該粘結層上的過渡層，和由類鑽碳構成的外層。該粘結層包括至少一種來自下面一組的元素，該組元素由例如4號、5號和6號子組元素和矽組成。該過渡層包括類鑽碳。該層系統具有至少15Gpa的硬度，優選至少20Gpa，並且根據VDI 3824(「在PVD和CVD硬塗覆的情況下的質量保證」)，第4頁，粘結強度至少為3HF。

發明內容
鑑於上述，本發明的主要目的是獲得低靜摩擦和耐磨損的不鏽鋼表面。
本發明的另一個目的是以簡單和成本有效的方式，用儘可能少的操作步驟，在非常硬的並且耐磨損的不鏽鋼表面獲得低靜摩擦。
本發明的又一個目的是用所述在非常硬的並且耐磨損的表面上具有低靜摩擦的不鏽鋼製造複雜幾何形狀的構件。
一方面，提供一種塗覆的、表面硬化的析出硬化不鏽鋼，其具有如下組分(按重量百分比)碳 最大約0.1
氮最大約0.1銅從約0.5到約4鉻從約10到約14鉬從約0.5到約6鎳從約7到約11鈷從0最高到約9鉭最大約0.1鈮最大約0.1釩最大約0.1鎢最大約0.1鋁從約0.05到約0.6鈦從約0.4到約1.4矽最大約0.7錳最大約1.0鐵衡量以及通常存在的通常的煉鋼添加劑和雜質，其中所述鋼在一個並且該同一個操作中被塗覆和表面硬化，具有綜合的高強度和/或韌性和耐磨損以及低摩擦和改善的粘結性。
在另一方面，提供一種生產不鏽鋼的方法，該不鏽鋼在非常硬的並且耐磨損的表面具有低靜摩擦，所述方法包括用PVD，以在和表面硬化的同一操作中施加低靜摩擦塗層，所述不鏽鋼具有如下組分(按重量百分比)碳最大約0.1氮最大約0.1銅從約0.5到約4鉻從約10到約14鉬從約0.5到約6鎳從約7到約11鈷從0最高到約9
鉭最大約0.1鈮最大約0.1釩最大約0.1鎢最大約0.1鋁從約0.05到約0.6鈦從約0.4到約1.4矽最大約0.7錳最大約1.0鐵衡量以及通常存在的通常的煉鋼添加劑和雜質。
在又一方面，提供一種生產不鏽鋼的方法，該不鏽鋼在非常硬的並且耐磨損的表面具有低靜摩擦，所述方法包括用PVD，以在同一操作中對等離子體氮化的該不鏽鋼的表面施加低靜摩擦塗層，所述不鏽鋼具有如下組分(按重量百分比)碳最大約0.1氮最大約0.1銅從約0.5到約4鉻從約10到約14鉬從約0.5到約6鎳從約7到約11鈷從0最高到約9鉭最大約0.1鈮最大約0.1釩最大約0.1鎢最大約0.1鋁從約0.05到約0.6鈦從約0.4到約1.4矽最大約0.7錳最大約1.0
鐵衡量以及通常存在的通常的煉鋼添加劑和雜質。
具體實施例方式
因此，本發明涉及對特定類別的不鏽鋼施加低靜摩擦塗層的方法。而且，這種低靜摩擦塗層導致非常硬的並且耐磨損的表面。根據上述現有技術的說明，該塗層根據眾所周知的PVD(物理氣相沉積)技術施加。該鋼已經產生以具有令人驚奇的性質，即當施加塗層時具有相當大的內部硬度增加，從而形成必要的硬的支承表面層以支承該硬的和低摩擦頂部塗層。由於PVD操作在較低的溫度下進行，工件的尺寸被保持而沒有任何變形。對某些特定的不鏽鋼合金利用PVD技術為生產例如用於減震器的圓筒和活塞杆、用於液壓引導裝置的活塞，以及內燃機的凸輪隨動器帶來許多優點。
在表面改性之前，選擇用於本發明目的的合適的一組不鏽鋼，其具有如下組分(按重量百分比)範圍碳最大約0.1氮最大約0.1銅從約0.5到約4鉻從約10到約14鉬從約0.5到約6鎳從約7到約11鈷從0最高到約9鉭最大約0.1鈮最大約0.1釩最大約0.1鎢最大約0.1鋁從約0.05到約0.6鈦從約0.4到約1.4矽最大約0.7
錳最大約0.1鐵衡量以及通常存在的通常的煉鋼添加劑和雜質。
如在上面提到的現有技術US-A-5632826、WO-A-93/07303、WO-A-01/14601和WO-A-01/36699所描述的，這種不鏽鋼由於析出硬化的結果在馬氏體微結構中包含類結晶微粒。
為了完成根據本發明的表面處理，選擇特定的析出硬化不鏽鋼，其具有如下組分(按重量百分比)C+N 最大約0.05鉻12.00錳0.30鎳9.00鉬4.00鈦0.90鋁0.30矽0.15銅2.00鐵衡量對這種鋼施加低靜摩擦塗層，所述塗層主要包括氮化鈦或類鑽碳(DLC)，其用PVD技術施加。這包括將金屬件暴露在約450至500℃之間的溫度下幾個小時。在該溫度範圍，並且在確定的時間間隔之後，該鋼發生硬化，從而獲得650Hv大小的硬度。以這種方式，在同一操作中獲得非常好的塗層支承。由於較低的處理溫度，該工件以很高的精度保持其形狀和尺寸，這將導致相當簡化的加工方法。同時，儘管層很薄，其厚度為約6∶m(微米)的量級，但是與常規的硬化表面的25∶m厚的硬鉻層相比，獲得非常好的耐磨損性。因此，本發明的優點在於施加低靜摩擦和耐磨損的塗層和必要的表面硬化是在同一操作中完成的。
本發明的另一個顯著的優點是當工件具有用於製造管狀零件的管形時，由於根據本發明的不鏽鋼良好的冷加工性，容易製造管狀產品，因而可以避免對通常可得到的杆形產品所需要的費用大的長孔鑽削操作。
應當注意，當例如，在一些發動機部件中需要特別硬的和耐磨損的表面時，包括在基質和根據本發明的PVD塗層之間進行等離子體氮化本發明的改變是可行的。等離子體氮化是另一種表面硬化方法，該方法在約100到約1000Pa(約1到約10毫巴)的壓力下在包含氮氣的混合氣體中以輝光放電的形式進行。這是處理不鏽鋼表面所用的方法之一，因而導致具有高硬度和極好耐磨損的氮氣擴散層。氮化硬化通過在表面層析出氮化物引起。等離子體氮化是最近研製的表面硬化工藝。由於在這種方法中能夠建立同樣的熱化學條件，這種工藝取代傳統的氮化方法，例如氣體氮化和氮化滲碳(短期氣體氮化、鹽浴滲氮和太尼費爾(tenifer)(鹽浴氮化工藝有時稱作「Tuffride方法」)處理)。等離子體氮化達到更高的硬度和耐磨損，同時產生較小的變形。而且，等離子體氮化是非常成本有效的。這是由於往往不需要隨後的機械加工、精加工和殘留物除去工藝。同樣，也不需要例如拋光、滲磷等補充保護措施。
等離子體氮化在真空爐內進行。採用約400到約580℃的範圍內的處理溫度，以滿足有關工藝要求。通常處理溫度是在約420到約500℃的範圍內。根據被處理的零件以及所希望的結構和形成的層的厚度，處理時間在約10分鐘到約70小時之間變化。最常用的工藝氣體是氨、氮氣、甲烷和氫氣。氧和二氧化碳通常用於氧化作用之後的腐蝕保護步驟中。除了所用的工藝氣體的類型之外，壓力、溫度和時間是處理工藝的主要參數。根據本領域的技術人員的知識，通過改變這些參數，能夠精確地調整等離子體氮化工藝，以在任何被處理的零件中達到精確的希望的性質。
任何鐵基材料都能夠進行等離子體氮化。該方法不需要使用特定類型的氮化鋼。而且，等離子體氮化得到的結果可以用極精確的精度重現。這一點在製造系列產品時特別重要。但是，等離子體氮化不明顯減少靜摩擦。在約450至約500℃的溫度下對不鏽鋼進行兩次處理不會產生問題，因為它很容易經受該溫度而沒有變軟的趨勢。
該不鏽鋼的機械性能為拉伸強度，Rm1700MPa至2000MPa屈服強度，Rp0.21500MPa至1800MP延伸率 8％至6％彈性模量200000Mpa總硬度 450至650Hv10，約45至58HRC表面硬度約3000Hv10韌性衝擊強度(Charpy V)在-20℃，最小為27J本發明的鋼即便在高達400℃的高溫下長時間使用後仍保持其機械性質。
本發明的鋼的熱膨脹係數低於碳鋼約10％，低於常規不鏽鋼，如ASTM型的304L，30％以上。本發明的鋼可以冷成形，並且能夠彎曲到繃緊的(tight)半徑。它還適於普通的加工操作，例如切割、車削和磨削。
還有，當使用TIG和MIG焊接方法時，該鋼具有良好的焊接性。本發明的鋼的另一個優點是，與例如標準的鋼，如ASTM型的304L，相比，還提高了抗腐蝕性。
在前面的說明中已經描述了本發明的原理、優選實施例和操作模式。但是，這裡想要保護的本發明不解釋為限制在所公開的具體形式，因為這些形式被認為是說明性的，而不是限制性的。本領域的技術人員在不脫離本發明精神實質的情況下能夠進行各種變化和改變。
權利要求
1.一種塗覆的、表面硬化的析出硬化不鏽鋼，其具有如下組分(按重量百分比)碳 最大約0.1氮 最大約0.1銅 從約0.5到約4鉻 從約10到約14鉬 從約0.5到約6鎳 從約7到約11鈷 從0最高到約9鉭 最大約0.1鈮 最大約0.1釩 最大約0.1鎢 最大約0.1鋁 從約0.05到約0.6鈦 從約0.4到約1.4矽 最大約0.7錳 最大約1.0鐵 衡量以及一般存在的通常的煉鋼添加劑和雜質，其中所述鋼在一個並且該同一個操作中進行塗覆和表面硬化，具有綜合的高強度和/或韌性和耐磨損以及低摩擦和改善的粘結性。
2.如權利要求1所述的析出硬化不鏽鋼，其中在所述鋼的氮化表面上施加所述塗層。
3.如權利要求1所述的析出硬化不鏽鋼，其中所述塗層主要由一個單層構成。
4.如權利要求1所述的析出硬化不鏽鋼，其中所述塗層主要由類鑽碳的一個單層構成。
5.如權利要求1所述的析出硬化不鏽鋼，其中所述塗層主要由添加有碳化鎢的類鑽碳的單層構成。
6.如權利要求1所述的析出硬化不鏽鋼，其中所述塗層主要由氮化鈦構成。
7.如權利要求1所述的析出硬化不鏽鋼，其中所述析出硬化不鏽鋼是通過類結晶結構微粒的析出而得以強化的。
8.一種生產不鏽鋼的方法，該不鏽鋼在非常硬的並且耐磨損的表面上具有低靜摩擦，所述方法包括採用PVD技術，以在和表面硬化的同一操作中施加低靜摩擦塗層，所述不鏽鋼具有如下組分(按重量百分比)碳 最大約0.1氮 最大約0.1銅 從約0.5到約4鉻 從約10到約14鉬 從約0.5到約6鎳 從約7到約11鈷 從0最高到約9鉭 最大約0.1鈮 最大約0.1釩 最大約0.1鎢 最大約0.1鋁 從約0.05到約0.6鈦 從約0.4到約1.4矽 最大約0.7錳 最大約1.0鐵 衡量以及一般存在的通常的煉鋼添加劑和雜質。
9.根據權利要求8所述的方法，其中該低靜摩擦塗層包括類鑽碳和添加有氮化鈦的類鑽碳中的一種或多種。
10.一種生產不鏽鋼的方法，該不鏽鋼在非常硬的並且耐磨損的表面上具有低靜摩擦，所述方法包括用PVD技術，以在同一操作中對不鏽鋼的等離子體氮化表面施加低靜摩擦塗層，所述不鏽鋼具有如下組分(按重量百分比)碳 最大約0.1氮 最大約0.1銅 從約0.5到約4鉻 從約10到約14鉬 從約0.5到約6鎳 從約7到約11鈷 從0最高到約9鉭 最大約0.1鈮 最大約0.1釩 最大約0.1鎢 最大約0.1鋁 從約0.05到約0.6鈦 從約0.4到約1.4矽 最大約0.7錳 最大約1.0鐵 衡量以及一般存在的通常的煉鋼添加劑和雜質。
11.根據權利要求10所述的方法，其中該低靜摩擦塗層包括類鑽碳和添加有氮化鈦的類鑽碳中的一種或多種。
全文摘要
本發明涉及進行了表面硬化和塗覆的析出硬化不鏽鋼，所述表面具有低靜摩擦和改進的抗磨損性。而且，涉及所述不鏽鋼的表面塗層，其中表面硬化與所述塗覆同時完成。所得到的塗層鋼同時具有很高的硬度和改進的粘附性能。所述的沉澱硬化的不鏽鋼基質具有如下組分(按重量百分比)碳最大約0.1，氮最大約0.1，銅從約0.5到約4，鉻從約10到約14，鉬從約0.5到約6，鎳從約7到約11，鈷0最高到約9，鉭最大約0.1，鈮最大約0.1，釩最大約0.1，鎢最大約0.1，鋁從約0.05到約0.6，鈦從約0.4到約1.4，矽最大約0.7，錳最大約1.0，衡量為鐵以及正常發生的通常煉鋼的添加劑和雜質。
文檔編號C21D6/00GK1735698SQ200480002102
公開日2006年2月15日 申請日期2004年1月12日 優先權日2003年1月13日
發明者戈蘭·貝裡隆德 申請人:山特維克智慧財產權股份有限公司