ПРОКЛАДКА, СНИЖАЮЩАЯ ФРЕТТИНГ-ИЗНОС, И УЗЛЫ КРЕПЛЕНИЯ, В КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ПРОКЛАДКА
GASKET THAT REDUCES FRETTING WEAR AND ATTACHMENT POINTS WHERE GASKET IS USED

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к прокладке, используемой для снижения фреттинг-износа, и к узлам крепления, в которых используется указанная прокладка. В частности, настоящее изобретение относится к прокладке, снижающей абразивный износ одного или обоих элементов узла, который происходит в результате трения при скольжении или вибрации элементов узла относительно друг друга. К тому же, настоящее изобретение относится к узлам крепления, в которых между скользящими и вибрирующими поверхностями элементов узлов крепления используется прокладка.
Уровень техники
Фреттинг-износ является одним из видов износа. Фреттинг-износ происходит, когда скользящие или вибрирующие поверхности элементов узлов крепления изнашиваются в результате мелкой вибрации скользящих или вибрирующих поверхностей элементов узлов крепления в условиях, когда на непрерывно подвергающиеся мелкой вибрации скользящие или вибрирующие поверхности элементов узлов крепления оказывается давление. Соответственно, по внешнему виду элементов этих узлов крепления трудно судить о степени развития фреттинг-износа. Кроме того, так как закрепленные элементы этих узлов крепления работают в разных средах, степень истирания при фреттинг-износе, как правило, различна. Обычно закрепленные элементы этих узлов крепления повторно затягивают, исходя из состояния узлов крепления при эксплуатации, но это практически не влияет на фреттинг-износ. В зависимости от степени развития фреттинг-износа в узлах может произойти разрушение самих узлов.
Фреттинг-износу подвергаются участки элементов узлов, которые под сильным давлением прижаты друг к другу, т.е. скользящие или вибрирующие поверхности элементов узлов при приложенном большом усилии зажима. К тому же известно, что изнашивание происходит особенно легко по линиям действия силы (диапазон действия усилия зажима головкой болта и гайкой представлен на чертеже пунктирными линиями), когда элементы узлов подвергаются мелкой вибрации, независимо от того, параллельно или вертикально направление этого скольжения или вибрации по отношению к скользящим или вибрирующим поверхностям либо скользящим и вибрирующим поверхностям.
Примером конструкций, где легко происходит абразивный износ, являются, например, автомобили и другие транспортные средства, при движении которых по поверхности земли элементы их конструкции непрерывно скользят или вибрируют. Скольжение или вибрацию можно также назвать «мелкой вибрацией». В автомобилях и других транспортных средствах скольжение или вибрация, т.е. мелкая вибрация, при их движении по поверхности земли передается пассажиру через шины, диски колес, ступицы, шасси, подвеску, амортизаторы, кузов, кабину, сиденье и т.д. в порядке перечисления. В автомобилях и других транспортных средствах вибрация поглощается шинами, но большая часть вибрации передается от дисков колес к ступицам и тормозным барабанам. Кроме того, автомобиль двигается за счет усилия, создаваемого двигателем, таким образом, вибрация от двигателя и т.д. передается к системе привода и далее передается через ступицы к дискам колес, шинам и к поверхности земли. Диски колес и ступицы являются конструкциями, собранными при помощи крепежных деталей. Во время торможения к крепежным деталям дисков колес и ступиц передается вибрация от шин и на них действует вес кузова и груза. Кроме того, при осуществлении поворота в автомобиле или другом транспортном средстве и т.д., когда рулевое колесо поворачивают, ступицы посредством рулевого механизма становятся направленными вперед.
В результате диски колес также разворачиваются в сторону тормозной системы и на вертикальные поверхности ступиц оказывают действие силы, посредством которых они разворачиваются к тормозной системе. Закрепленные контактные поверхности дисков колес и ступиц трутся друг о друга, и постоянно возникает мелкая вибрация.
2
3
В последние годы в связи с увеличением веса транспортных средств принимаются меры для облегчения деталей. В транспортных средствах все более и более применяют колеса с дисками, изготовленными из алюминия (А6061). Поверхность такого алюминиевого диска колеса окисляется с образованием оксидной пленки. Когда часть этой оксидной пленки сдирается, оголяется основной материал, который взаимодействует с кислородом воздуха, в результате чего формируется новая оксидная пленка. Этот окисленный алюминий представляет собой соединение, называемое «оксидом алюминия» (АlО), и имеет твердость от HV1000 до HV3000. В то же время ступицы изготавливают из отливок (FCD600), которые подвергают механической обработке до получения требуемых размеров. Контактирующие с дисками колес поверхности ступицы обтачивают, чтобы сделать их, в основном, гладкими. Однако при рассмотрении при помощи микроскопа видно, что при обработке образовались мелкие углубления (полосы). Кроме того, образуются концентрические относительно оси углубления. В эксплуатации происходит фреттинг-износ закрепленных алюминиевых дисков колес и ступиц. Оксид алюминия, который подобен абразивному материалу, забивается в указанные углубления. Оксид алюминия непрерывно отделяется от дисков колес. В результате чего диски колес утоняются, что приводит к усталостному разрушению.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является прокладка, при использовании которой затрудняется истирание контактных поверхностей узлов, подвергающихся мелкой вибрации, и, соответственно, снижается фреттинг-износ. Кроме того, задачей настоящего изобретения, в частности, является прокладка, при использовании которой затрудняется истирание контактных поверхностей скользящих или вибрирующих элементов узлов и, следовательно, снижается абразивный износ одного из элементов или обоих элементов узлов крепления.
В настоящем изобретении термин «скользящие поверхности» означает контактные поверхности взаимно закрепленных конструкций, перемещающихся по направлению вращения относительно крепежных деталей, и контактные поверхности взаимно закрепленных конструкций, перемещающихся параллельно относительно крепежных деталей. К тому же, в настоящем изобретении термин «вибрирующие поверхности» означает контактные поверхности взаимно закрепленных конструкций, перемещающихся друг от друга и оказывающих давление друг на друга, по существу, в вертикальном направлении относительно крепежных деталей.
Поэтому задачей настоящего изобретения является прокладка, снижающая абразивный износ контактных поверхностей конструкций, когда конструкции перемещаются в вышеупомянутом направлении вращения, когда конструкции перемещаются в параллельном направлении и когда конструкции перемещаются друг от друга и оказывают давление друг на друга, по существу, в вертикальном направлении.
Прокладка 1 согласно настоящему изобретению, вставленная между контактными поверхностями 7 контактирующих материалов 6, подвергающихся абразивному износу и страдающих от износа, имеет скользящие и вибрирующие поверхности 2, 2 и характеризуется тем, что
указанные скользящие или вибрирующие поверхности (2, 2) прокладки (1) обладают более высокой твердостью (>HV400) сравнительно, по меньшей мере, с одной из контактных поверхностей (7) указанного первого контактирующего материала (6) и указанного второго контактирующего материала (6') и
a
указанные скользящие или вибрирующие поверхности (2, 2) прокладки (1) имеют более низкий коэффициент трения (<µ<0,3) и более гладкую поверхность (шероховатость поверхности: R<6,3) сравнительно, по меньшей мере, с одной из контактных поверхностей (7) указанного первого контактирующего материала (6) и указанного второго контактирующего материала (6'),
при этом благодаря указанным скользящим или вибрирующим поверхностям (2, 2) прокладки (1) затрудняется изнашивание контактных поверхностей 7 первого и второго контактирующих материалов (6, 6').
Для изготовления вышеупомянутой прокладки предпочтительно выбирают один материал из перечня материалов, к примеру, представленных в таблице 1, и если прокладка применяется между материалом А6061 и материалом FCD600, то ее, в частности, предпочтительно изготавливают из материалов SUS304N2, SUS301-CSP и SUS304-CSP.
К тому же, прокладка согласно настоящему изобретению 1 характеризуется тем, что скользящие или вибрирующие поверхности 2, 2 прокладки 1 частично или полностью покрыты пленкой 3 алмазоподобного углерода (DLC).
Кроме того, прокладка согласно настоящему изобретению 1 характеризуется тем, что пленку 3 алмазоподобного углерода наносят на скользящие или вибрирующие поверхности 2, 2 прокладки 1 таким образом, чтобы создавались углубления 4 для образования регулярной или нерегулярной сегментации.
К тому же, прокладка согласно настоящему изобретению 1 характеризуется тем, что в углубления 4 и на скользящие и вибрирующие поверхности 2, 2 пленки 3 алмазоподобного углерода нанесен слой 5 смазки, по меньшей мере, одного типа, т.е. слой твердой смазки 5-1, жидкой смазки 5-2, порошкообразной смазки 5-3 или смешанной смазки 5-4, состоящей из твердой, жидкой и порошкообразной смазок.
Дополнительно, прокладка согласно настоящему изобретению 1 характеризуется тем, что пленку 3 алмазоподобного углерода наносят методом химического осаждения из паровой фазы CVD или методом физического осаждения из паровой фазы PVD и пленка 3 имеет толщину t от 300 нм до 40 мкм. Кроме того, с учетом контактирующего материала 6, давления и частоты мелкой вибрации толщина нанесенной пленки 3 алмазоподобного углерода может составлять от 1 до 8 мкм.
К тому же, узлы крепления согласно настоящему изобретению характеризуются использованием прокладки между скользящими или вибрирующими поверхностями узлов.
В настоящем изобретении предлагается прокладка, при использовании которой затрудняется истирание скользящих и вибрирующих контактных поверхностей узлов, и, соответственно, снижается абразивный износ одного из элементов или обоих элементов узлов крепления. В частности, при применении настоящего изобретения реже наблюдается явление износа контактных поверхностей закрепленных деталей автомобиля или другого транспортного средства: диска колеса, ступицы и тормозного барабана.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - узел, включающий диск колеса, ступицу и тормозной барабан, причем на фиг.1 (а) представлен тип узла, выполненного в соответствии с ISO, и на фиг.1 (b) представлен тип узла, выполненного в соответствии с JIS.
Фиг.2 - узел, включающий диск колеса, ступицу и тормозной барабан, при этом показан диапазон действия усилия затяжки при начальном изнашивании, когда тормозной барабан крепят к основанию ступицы, и показано направление действия усилия затяжки, причем на фиг.2 (а) представлен тип узла, выполненного в соответствии с ISO, на фиг.2 (b) (1) представлен тип узла, выполненного в соответствии с JIS, и на фиг.2 (b) (2) показана одна ступица.
Фиг.3 - области, обозначенные штриховкой, где, в принципе, легко происходит износ, так называемый фреттинг-износ, причем на фиг.3 (а) представлен тип узла, выполненного в соответствии с ISO, и на фиг.3 (b) представлен тип узла, выполненного в соответствии с JIS.
Фиг.4 - участки узла, включающего диск колеса, ступицу и тормозной барабан, на которых напряжения становятся наибольшими при передаче напряжений от внешней стороны к внутренней стороне корпуса, причем на фиг.4 (а) показан тип узла, выполненного в соответствии с ISO, и на фиг.4 (b) показан тип узла, выполненного в соответствии с JIS, при этом на фиг.4 (с) показано направление изгиба диска колеса, ступицы и тормозного барабана, входящих в узел, выполненный в соответствии с ISO, когда напряжения передаются от внешней стороны к внутренней стороне корпуса, и на фиг.4 (d) показано направление изгиба диска колеса, ступицы и тормозного барабана, входящих в узел, выполненный в соответствии с JIS, когда напряжения передаются от внешней стороны к внутренней стороне корпуса.
Фиг.5 - прокладка согласно настоящему изобретению, вставленная между контактными поверхности контактирующих материалов, т.е. поверхностями диска колеса и ступицы, а также ступицы и тормозного барабана, причем на фиг.5 (а) показан тип узла, выполненного в соответствии с ISO, и на фиг.5 (b) показан тип узла, выполненного в соответствии с JIS.
Фиг.6 - прокладка различной формы согласно настоящему изобретению, представляющая собой: (а) - L-образное тело вращения, (b) - составное L-образное тело вращения и (с) - I-образное тело вращения.
Фиг.7 - сегментированная пленка алмазоподобного углерода, нанесенная на прокладку согласно настоящему изобретению, причем (а) - электронная микрофотография и (b) - профиль поперечного сечения.
Фиг.8 - зависимость коэффициента трения элементов, покрытых сегментированной пленкой 3 алмазоподобного углерода (сегментированными пленками алмазоподобного углерода DLC-A и DLC-B) и покрытых непрерывной пленкой (непрерывной пленкой алмазоподобного углерода DLC), от количества вращений и скольжений, причем элементы, покрытые сегментированной пленкой алмазоподобного углерода, имеют более низкий и более стабильный коэффициент трения по сравнению с элементами, покрытыми непрерывной пленкой.
Фиг.9 - схема проведения испытания на усталость при изгибе узлов крепления согласно настоящему изобретению.
6
Фиг.10 - внешний вид прокладки после проведения испытания на усталость на базе 10 циклов, причем (а) - внешний вид прокладки, покрытой непрерывной пленкой алмазоподобного углерода, и (b) - внешний вид прокладки, покрытой сегментированной (с сегментированной структурой) пленкой алмазоподобного углерода.
Фиг.11 - метод измерения и диапазон измерения в направлении Х отслаивания непрерывной пленки 3 алмазоподобного углерода.
Фиг.12 - зависимость степени отслаивания непрерывной и сегментированной (с сегментированной структурой) пленок алмазоподобного углерода от расстояния от края отверстия под болт.
Фиг.13 - лазерные микрофотографии отслоенной непрерывной пленки 3 алмазоподобного углерода (фиг.13а) и отслоенной сегментированной (с сегментированной структурой) пленки алмазоподобного углерода (фиг.13b), причем показаны максимальные отслоенные участки этих пленок.
Фиг.14 - полученная под лазерным микроскопом микрофотография, показывающая состояние частиц износа, и спектрограмма, полученная при проведении энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа, показывающая состав частиц износа.
Фиг.15 - шероховатость поверхности контактирующих материалов в узле, содержащем алюминиевый лист (или лист из алюминиевого сплава) и железо (или легированную сталь):
- снабженном прокладкой, покрытой непрерывной пленкой алмазоподобного углерода (т.е. покрытой непрерывной пленкой алмазоподобного углерода и размещенной так, чтобы пленка алмазоподобного углерода контактировала с алюминиевым листом (или листом из алюминиевого сплава)), вариант (А);
- снабженном прокладкой, покрытой сегментированной (с сегментированной структурой) пленкой алмазоподобного углерода, вариант (В);
- без прокладки, вариант (D);
- снабженном прокладкой без пленки, вариант (С).
Фиг.16 - схематическое изображение состояния до и после испытания на истирание:
- контактирующих материалов без прокладки, вариант (D);
- контактирующих материалов с прокладкой, покрытой непрерывной пленкой алмазоподобного углерода, вариант (А);
- контактирующих материалов с прокладкой, покрытой сегментированной (с сегментированной структурой) пленкой алмазоподобного углерода, вариант (В).
Осуществление изобретения
Прокладка согласно настоящему изобретению будет описываться подробно ниже со ссылкой на пример узла автомобиля или другого транспортного средства, включающего диск колеса, ступицу и тормозной барабан. В узле автомобиля или другого транспортного средства, включающем диск колеса, ступицу и тормозной барабан, как показано на фиг.1-5, прокладка 1 согласно настоящему изобретению (показанная на фиг.5(а) и (b)) вставлена между контактными поверхностями 7 контактирующих материалов 6 диска колеса 11 и ступицы 12, а также ступицы 12 и тормозного барабана 13 и имеет скользящие или вибрирующие поверхности 2, 2, снижающие износ указанных контактирующих материалов 6 (показанных на фиг.5(а) и (b)).
В узле, включающем диск колеса, ступицу и тормозной барабан, как показано на фиг.1(а) и (b), на внешней стороне корпуса ступицы, т.е. с монтажной стороны диска колеса (показано на фиг.2(а) и фиг.2(b) (1)), имеется стопорная канавка 20 для фиксации резьбовой шпильки 14. Даже если внешняя сторона корпуса и внутренняя сторона корпуса подвергаются одинаковым напряжениям, поскольку ступица 12 имеет стопорную канавку 20 для фиксации резьбовой шпильки, узел, включающий диск колеса, ступицу и тормозной барабан, сгибается к внутренней стороне корпуса (в сторону тормозного барабана) (показано на фиг.4(а), (b), (с) и (d)). На фиг.4(а) и (b) показано состояние до того, как диск колеса, ступица и тормозной барабан подверглись напряжениям и диск колеса, ступица и тормозной барабан согнулись к внутренней стороне корпуса. Кроме того, на фиг.4(с) и (d) показано состояние после того, как диск колеса, ступица и тормозной барабан согнулись к внутренней стороне корпуса. На фиг.4(а) и (в) и фиг.4(с) и (d) стрелкой 24 показано направление, в котором закреплен диск колеса, и стрелкой 25 показано усилие зажима. К тому же, места, где сформирован оксид алюминия, показаны ссылочной позицией 27, при этом подвергнувшиеся износу области обозначены заштрихованными участками 28. Кроме того, на фиг.4(с) и (d) стрелкой 29 показано направление развития трещин и излома.
2
3
На фиг.2(а) и (b) (1) показан диапазон действия усилия зажима и направление действия усилия зажима при начальном изнашивании контактирующих поверхностей, когда тормозной барабан крепят к основанию ступицы. Как показано на фиг.2(а) и (b) (1), под действием силы 17 тормозной барабан 13 вплотную прижимается к основанию 16 ступицы 12, и за счет мелкой вибрации, передаваемой от автомобильного двигателя или поверхности земли, происходит фреттинг-износ, в результате чего основание 16 ступицы утоняется. Область, окружающая основание ступицы, также является наиболее важным участком в крепежной системе диска колеса, ступицы и тормозного барабана, но, так как они закреплены прочно в этой области, напряжения беспрепятственно концентрируются в основании 16. На фиг.2(а) и (b) (1) заштрихованными участками обозначен диапазон 19 действия усилия зажима и круглыми метками обозначены места формирования алюминиевого оксида (АlО) в алюминиевом диске колеса.
Однако в крепежной системе диска колеса, ступицы и тормозного барабана торцевые поверхности 21, 21 ступицы 12 также подвергаются абразивному износу. В автомобиле или другом транспортном средстве непосредственно после изготовления передние торцевые поверхности 21, 21 ступицы расположены вертикально к крепежным болтам, при продолжительной эксплуатации торцевые поверхности 21, 21 ступицы часто изнашиваются, и изнашивается основание 16 ступицы, прилегающее к тормозному барабану 13. В частности, диапазон износа определяется диапазоном действия усилия зажима болтов и гаек. Указанный износ представляет собой явление, называемое «фреттинг-износом». На фиг.3(а) и (b) заштрихованными участками 23 обозначены области, где, в принципе, легко происходит износ, так называемый фреттинг-износ, на ступицах, изготовленных в соответствии с ISO, и на ступицах, изготовленных в соответствии с JIS.
Вследствие этого фреттинг-износа изнашиваемые детали утоняются и снижается усилие зажима, в связи с чем в окружающих деталях возникают чрезмерные напряжения, приводящие к усталостному растрескиванию и, в конечном счете, к разрушению деталей. Примером такого усталостного растрескивания являются случаи образования трещин в ступицах передних колес грузовиков.
В общем, в грузовиках для вышеупомянутых узлов крепления, включающих диск колеса, ступицу и тормозной барабан, предпринимают следующие меры: (1) повышение твердости материала, (2) увеличение толщины, (3) повышение прочности крепления (чтобы предотвратить перемещения, вызванные вибрацией), а также повышение прочности крепежных деталей, увеличение прижимающего усилия и другие меры. Однако вышеупомянутые меры не приводят к снижению фреттинг-износа. Вышеупомянутая мера (1) затрудняет утонение материала в узле, вышеупомянутая мера (2) увеличивает промежуток времени до разрушения даже при утонении материала, и мера (3), подобным образом, повышает срок службы. Однако, даже при обеспечении прочности крепления согласно вышеупомянутой мере (3), степень износа все же повышается.
Для увеличения вышеупомянутого усилия зажима может быть рассмотрен способ, включающий увеличение количества крепежных болтов, но применение этого способа приведет к необходимости замены части транспортных средств, уже имеющихся на рынке. В этом случае применяемые диски колес больше не могли бы использоваться. Поэтому указанный способ неприемлем для рынка. Производители автомобилей и других транспортных средств могли бы принять способ, включающий использование для новых транспортных средств деталей повышенной прочности, или способ, включающий увеличение количества крепежных болтов и гаек, но были бы вынуждены инспектировать транспортные средства, уже находящиеся в эксплуатации, чтобы произвести замену изношенных деталей до повреждения или предпринять другие меры.
2
3
По вновь предложенной технологии предусматривается использование прокладки, позволяющей простым способом уменьшить фреттинг-износ. Размещение в автомобилях и других транспортных средствах прокладок в местах, где наиболее вероятно изнашивание дисков колес, ступиц и тормозных барабанов, снижает величину износа дисков колес, ступиц и тормозных барабанов и т.д. По вновь предложенной технологии предусматривается нанесение пленки, имеющей низкий коэффициент трения в паре с изнашиваемыми поверхностями, гладкую поверхность, высокую твердость, которая способна удерживать смазку, и обладает, кроме того, сопротивлением залипанию, в результате чего не снижается усилие зажима дисков колес, ступиц и тормозных барабанов. В качестве варианта предлагаются узлы крепления, в которых используется прокладка с пленкой, вставленная между изнашиваемыми поверхностями диска колеса, ступицы и тормозного барабана, и способ монтажа таких узлов крепления. Благодаря этому способу монтажа напряжение вызывает микроперемещения скользящих и вибрирующих поверхностей, таким образом, линии действия усилия зажима, вертикальные к изнашиваемым поверхностям, не изменяются, и облегчается скольжение окружающих вибрирующих деталей. В связи с этим под действием изгибающего усилия изнашиваемые поверхности диска колеса, прокладки и ступицы изгибаются вместе, и сопротивление залипанию, низкий коэффициент трения и другие свойства прокладки в этих условиях способствуют снижению износа. В частности, при применении прокладки 1 затрудняется истирание контактирующих материалов 6, например контактных поверхностей 7 алюминиевого сплава, т.е. воздействие на алюминиевый сплав является небольшим, даже по сравнению с железом. Притом что происходит окисление алюминиевого сплава и формируется оксид 18, т.е. оксид (АlО), мелкие частицы оксида алюминия попадают в углубления, имеющиеся в пленке, покрывающей прокладку 1, благодаря чему затрудняется возникновение так называемого абразивного износа (изнашивания материала под действием продуктов износа).
Кроме того, материал прокладки 1 предпочтительно является нержавеющим и по сравнению с материалами диска колеса, ступицы и тормозного барабана с обеих сторон прокладки является более твердым и более гладким, также обладает способностью возвращаться к своей первоначальной форме даже после изгиба. Материал прокладки выбирают с учетом контактирующих материалов с двух сторон прокладки или всего узла.
В автомобилях или других транспортных средствах в узлах, включающих вышеупомянутые диски колес, ступицы и тормозные барабаны, для изготовления прокладок используют листы из сталей: SUS301-CSP, SUS304-CSP и SUS304N2 или других аустенитных нержавеющих сталей. Механические свойства материалов, выбранных для изготовления прокладок согласно настоящему изобретению, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Механические свойства алюминиевых дисков колес, материалов ступицы и материалов прокладки (ссылка)
Предел текучести, Н/мм<sup>2</sup>
Предел прочности, Н/мм<sup>2</sup>
Удлинение, %
Твердость, HV
Коэффициент трения µ, в сухом состоянии
А6061, Т6511
265 или более
245 или более
10 или более
-
0,5 (Алюминиевое колесо)
FCD600
370 или более
600 или более
3 или более
192-269 (НВ)
0,5 (ступица)
SUS304
205 или более
520 или более
40 или более
200 или менее
0,5
SUS304N2
345 или более
690 или более
35 или более
260 или менее
0,5
SUS301-CSP1/2H
510 или более
930 или более
10 или более
310 или более отжиг
0,5
SUS304-CPS1/2H
470 или более
780 или более
6 или более
250 или более
0,5
Материалы SUS301CSP1/2H, SUS304-CSP1/2H, и т.д., представленные в таблице 1, используются для изготовления прокладки согласно настоящему изобретению потому, что они имеют необходимую твердость, обладают высоким пределом прочности, коррозионной стойкостью и износостойкостью даже при напряжениях, возникающих при повторном изгибе, например в пружине. Кроме того, пленка, покрывающая поверхность прокладки согласно настоящему изобретению, может быть сформирована методом химического осаждения из паровой фазы CVD или методом физического осаждения из паровой фазы PVD, например, это может быть пленка алмазоподобного углерода, пленка нитрида бора, пленка оксида титана и пленка оксида алюминия, а также пленка нитрида титана, пленка карбида титана, пленка нитрида хрома и т.д. При нанесении указанной пленки поверхность прокладки предварительно подготавливается, чтобы нанесенная пленка имела регулярные или нерегулярные сегментированные углубления. В эти сегментированные углубления вводится смазка. Если требуется, эта пленка может также иметь гладкую поверхность без сегментированных углублений. Так как имеются регулярные или нерегулярные сегментированные углубления, то приложенные изгибающие напряжения распределяются и на участки углублений (участки, где пленка становится более тонкой, либо почти вообще не покрытые), благодаря чему уменьшается разрушение пленки. Кроме того, так как пленка предварительно сегментирована, благодаря сформированным углублениям, даже если в нескольких местах пленка (пленка алмазоподобного углерода, пленка оксида титана, пленка оксида алюминия и т.д.) разрушилась, распространение трещины, приводящей к разрушению пленки в целом, будет тормозиться.
Пленка алмазоподобного углерода, которая нанесена на прокладку согласно настоящему изобретению, аналогична пленке, описанной в публикации патента Японии (А) №2003-147525 и публикации патента Японии (А) №2007-83726, однако согласно настоящему изобретению предлагается прокладка, на которую нанесена регулярно (например, клеточного типа) или нерегулярно сегментированная пленка алмазоподобного углерода с углублениями. Кроме того, как описано в заявке WO/2006/095907 A1, при введении третьего вещества, отличающегося от основного материала и пленки алмазоподобного углерода, в углубления пленки, нанесенной на прокладку согласно настоящему изобретению, также возможно получить суммарный эффект пленки алмазоподобного углерода и третьего вещества. Согласно вышеупомянутому известному уровню техники пленкой алмазоподобного углерода покрыты непосредственно элементы конструкции, однако согласно настоящему изобретению сначала формируют прокладку, которая будет вставлена между элементами конструкции, затем прокладку покрывают пленкой алмазоподобного углерода и вставляют между скользящими и вибрирующими элементами конструкции.
Первый эффект пленки алмазоподобного углерода с регулярными или нерегулярными сегментированными углублениями, нанесенной на прокладку согласно настоящему изобретению, состоит в том, что деформация основного материала конструкции сопровождается деформацией пленки алмазоподобного углерода. Этот эффект возникает благодаря регулярно или нерегулярно сегментированным углублениям, селективно поглощающим напряжения, приложенные к прокладке, в результате чего снижаются напряжения, приложенные к пленке алмазоподобного углерода. Например, при определении твердости вдавливанием в стандартном материале А 1050, на который нанесена непрерывная пленка алмазоподобного углерода толщиной 1 мкм, образование трещин пленки происходило на глубине 43 мкм, в то время как в прокладке согласно настоящему изобретению, на которую нанесена пленка алмазоподобного углерода с регулярно или нерегулярно сегментированными углублениями, при вышеупомянутом определении твердости вдавливанием пленка алмазоподобного углерода растрескивалась на глубине 74 мкм. Второй эффект состоит в том, что в результате подавления абразивного износа повышается износостойкость. Регулярно или нерегулярно сегментированная пленка алмазоподобного углерода согласно настоящему изобретению имеет углубления, таким образом, частицы износа собираются в углублениях. Таким образом, в результате затрудняется абразивный износ по сравнению с пленкой алмазоподобного углерода того же типа; фактическая величина износа пленки алмазоподобного углерода с регулярно или нерегулярно сегментированной структурой после проведения испытаний на износ при скольжении шаров SUJ2 в течение 90000 циклов снижается до менее 35% по сравнению с непрерывной пленкой, т.е. значительно повышается износостойкость.
Пример 1
При запуске автомобильного двигателя двигатель создает вращательное усилие. Большой вращающий момент прикладывается от двигателя к деталям привода, и вращательное усилие передается к соединенным деталям двигателя (например, дискам колес, ступицам и тормозным барабанам). Диски колес, ступицы и тормозные барабаны закреплены болтами и гайками, что дает им возможность поворачиваться и скользить. При этом износ дисков колес, ступиц и тормозных барабанов происходит вокруг участков, закрепленных болтами и гайками (заштрихованные области 23 ступицы, изготовленной в соответствии с ISO и показанной на фиг.3 (а), и ступицы, изготовленной в соответствии с JIS и показанной на фиг.3 (b)). При абразивном износе этих периферийных участков сначала изнашиваются закрепленные поверхности, в результате происходит падение осевого усилия зажима, ослабление болтов и их разрушение.
Таким образом, согласно известному уровню техники в конструкции механической передачи используются прочные болты, однако из опыта известно, что поверхности, где происходит фреттинг-износ (заштрихованные области 23 ступицы, изготовленной в соответствии с ISO и показанной на фиг.3(а), и ступицы, изготовленной в соответствии с JIS и показанной на фиг.3(b)), становятся шероховатыми, падает усилие зажима (болты и гайки ослабляются), образуется пространство между закрепленными деталями, усилие зажима закрепленных деталей резко падает, и в результате болты и гайки ослабляются, при этом болты ударяются об отверстия, через которые они проходят, деформируя их, и в иных случаях закрепление ослабляется до такой степени, что происходит разрушение болтов или разрушение основного материала.
Пример 2
В качестве другого примера, когда опорная деталь, в которую запрессованы подшипники, подвергается мелкой вибрации на валу, проходящем через центр подшипников, при этом направление вибрации не совпадает с направлением вращения и скольжения, шарики в подшипниках, трущиеся о поверхность отверстия, изнашивают внутреннюю поверхность наружного кольца или внешнюю периферию отверстия, в результате чего отверстие увеличивается и шарики выпадают, либо происходит формирование неглубоких полос износа, приводящих к разъединению. Кроме того, может происходить и другой тип износа. При применении прокладки согласно настоящему изобретению, снижающей абразивный износ, можно уменьшить воздействие, оказываемое на детали.
Пример 3
Возрастает количество конструкций, в которых алюминиевые детали (детали, отлитые под давлением, детали, подвергнутые механической обработке, сварные конструкции и т.д.) и детали из различных металлов (железа, нержавеющей стали, чугуна и т.д.) помещают торец к торцу и закрепляют болтами и гайками и т.д. Недавно появились легковые автомобили, кузов которых полностью изготовлен из алюминия, или шасси изготовлено из железа, а верхние части: багажник, капот двигателя и т.д., изготовлены из алюминия. В этом случае прокладка согласно настоящему изобретению может быть вставлена между железом и алюминием для защиты алюминия. Таким образом, можно ожидать снижения износа алюминия в результате мелкой вибрации, возникающей в кузове, без снижения усилия зажима, что повышает безопасность. Кроме того, пленка алмазоподобного углерода обладает низкой электропроводностью, благодаря чему можно также ожидать уменьшения так называемой гальванической коррозии.
Пример 4
На примерах установки прокладки между скользящими или вибрирующими деталями автомобиля и другого транспортного средства, т.е. между диском колеса, ступицей и тормозным барабаном, как показано на фиг.1-5, проиллюстрирована форма прокладки согласно настоящему изобретению, но может использоваться прокладка разнообразной формы, например представляющая собой L-образное тело вращения, как показано на фиг.6(а), сдвоенное L-образное тело вращения, как показано на фиг.6(b), и I-образное тело вращения, как показано на фиг.6(с), либо прокладка может иметь другую форму.
Регулярно или нерегулярно сегментированная покрывающая пленка алмазоподобного углерода на прокладке и углубления (впадины), не покрытые пленкой алмазоподобного углерода, согласно настоящему изобретению подбирают с учетом как деформации, так и с учетом трибологических свойств (характеристик износа) прокладки. Таким образом, с учетом деформации прокладки, покрытой пленкой алмазоподобного углерода, принимаются во внимание следующие пункты.
1) Отношение t/1 ширины углубления t и размера 1 сегментированной пленки алмазоподобного углерода предпочтительно увеличивают.
2) При высокой кроющей способности пленки алмазоподобного углерода размер сегментированный пленки алмазоподобного углерода и интервалы между углублениями устанавливают предпочтительно небольшими.
3) Когда прокладка подвергается локальному напряжению, размер сегментированной пленки алмазоподобного углерода устанавливают предпочтительно небольшим.
Далее, с учетом трибологических свойств (характеристик износа) прокладки, покрытой пленкой алмазоподобного углерода, принимают во внимание следующие пункты.
1) Когда абразивный износ является небольшим, кроющая способность пленки алмазоподобного углерода должна быть высокой.
2) Кроющая способность пленки алмазоподобного углерода установлена на верхнем пределе, чтобы обеспечивался захват частиц износа, вызывающих абразивный износ. Размер сегментированной пленки алмазоподобного углерода предпочтительно меньше ширины контактирующих скользящих или вибрирующих участков прокладки, но верхний предел кроющей способности пленки алмазоподобного углерода составляет от 60 до 80%.
3) Ширина углубления ограничивается так, чтобы не происходил какой-либо контакт вращающихся элементов или скользящих элементов других конструкций с углублениями пленки алмазоподобного углерода.
4) Когда возможен контакт пленки алмазоподобного углерода в углублениях с элементами других конструкций, следует проанализировать нанесение смазки в углубления.
Кроме того, с учетом технологии формирования пленки алмазоподобного углерода, покрывающей прокладку, принимают во внимание следующие пункты.
1) При формировании структурированной пленки алмазоподобного углерода, имеющей сегментированные углубления, выполненные с помощью маски, размер сегментированной пленки алмазоподобного углерода во время использования становится 20 мкм, а ширина углубления становится минимум около 20 мкм.
2) Чем больше размер сегментированной пленки алмазоподобного углерода, тем легче формирование.
Суммируя вышеупомянутые пункты, считается подходящим, если толщина пленки алмазоподобного углерода, покрывающей прокладку, предусмотренную в конструкции с алюминиевыми деталями, составляет 1 мкм; размер сегментированной пленки алмазоподобного углерода составляет минимум 80 мкм; ширина углублений составляет минимум 20 мкм, и кроющая способность пленки алмазоподобного углерода составляет около 64%. Однако, согласно настоящему изобретению, исходя из условий применения прокладки, размер пленки алмазоподобного углерода, ширина углублений и кроющая способность могут быть увеличены примерно на 20% по сравнению с указанными выше значениями.
С другой стороны, когда прокладка, подобно черным металлам, имеет модуль Юнга той же самой величины или больше, что и пленка алмазоподобного углерода (180 ГПа), ширина углублений пленки алмазоподобного углерода предпочтительно составляет около 20 мкм и кроющая способность пленки алмазоподобного углерода предпочтительно составляет от 70 до 80% или около того.
3
Пленка алмазоподобного углерода, нанесенная на прокладку согласно настоящему изобретению, может быть изготовлена любым из методов: методом физического осаждения из паровой фазы PVD или методом химического осаждения из паровой фазы CVD, которые используются в настоящее время для формирования пленок алмазоподобного углерода. Когда при формировании пленки в качестве маски используется сетка, приложение постоянного напряжения к сетчатой маске позволяет поддерживать однородность пленки алмазоподобного углерода, таким образом, формирование пленки методом химического осаждения из паровой фазы CVD с использованием одиночного импульса постоянного тока является подходящим. Когда размер вольфрамового провода, посредством которого прикладывается напряжение, составляет 30 мкм, и для формирования сегментированной пленки алмазоподобного углерода используется маска из квадратной сетки размером 230 мкм, то условия формирования такие, как приведены ниже. Если в качестве питающего газа используется ацетилен и его вводят с объемной скоростью 14 см/мин, устанавливают давление 3 Па и подводят напряжение -5 кВ при частоте питающей сети 2 кГц, то время формирования пленки составляет 1 час. При вышеупомянутом способе формирования алмазоподобной углеродной пленки формируется пленка алмазоподобного углерода толщиной около 1 мкм. На фиг.7 показана пленка алмазоподобного углерода, покрывающая прокладку согласно настоящему изобретению, сформированная с использованием вышеупомянутой сетчатой маски, причем на фиг.7(а) показана электронная микрофотография и на фиг.7(b) показан профиль поперечного сечения.
3
4
3
Следует отметить, что, если пленка алмазоподобного углерода должна обладать большой адгезией к прокладке, предпочтительно очистить поверхность прокладки распылением в аргоне, затем вводить тетраметилсилан (Si(СН)) с объемной скоростью 14 см/мин при давлении 3 Па и подавать напряжение -5 кВ при частоте питающей сети 2 кГц в течение 5 мин, чтобы сформировать промежуточный слой, составляющий около 20 нм.
На фиг.7(а) и (b) показана регулярно или нерегулярно сегментированная пленка алмазоподобного углерода, покрывающая прокладку согласно настоящему изобретению, и показаны углубления, не покрытые пленкой алмазоподобного углерода. Сегментированная пленка алмазоподобного углерода представляет собой совокупность квадратных прямоугольников размером 230 мкм. Между этими прямоугольниками пленки алмазоподобного углерода имеются углубления, глубина которых составляет около 1 мкм, в зависимости от толщины пленки алмазоподобного углерода. Нерегулярно сегментированная покрывающая пленка алмазоподобного углерода имеет округлые края, поэтому сегменты пленки алмазоподобного углерода являются стойкими к концентрации напряжений в конструкции.
Пример 5
Механические свойства и физические свойства (твердость, коэффициент трения и т.д.) пленки алмазоподобного углерода, сформированной и покрывающей прокладку согласно настоящему изобретению вышеупомянутым способом, будут описаны ниже.
-8
3
-8
3
3
3
Механические свойства алмазоподобного углерода в регулярно или нерегулярно сегментированной пленке алмазоподобного углерода, покрывающей прокладку согласно настоящему изобретению, и алмазоподобного углерода в структуре непрерывно покрывающей пленки алмазоподобного углерода эквивалентны. Пленка алмазоподобного углерода при измерении наноиндентором имеет твердость от 14 до 20 ГПа, и ее модуль Юнга составляет от 150 до 200 ГПа. Кроме того, содержание водорода в алмазоподобной углеродной пленке составляет от 20 до 30%. С помощью раман-спектроскопии пленки алмазоподобного углерода идентифицированы полоса D и полоса G, характерные для алмазоподобного углерода. На фиг.8 представлены результаты испытаний «шар по диску» пленки алмазоподобного углерода. Эти испытания проводились на алюминиевых пластинах, на которых формировали пленку алмазоподобного углерода с непрерывной структурой и покрывающую пленку алмазоподобного углерода с регулярной или нерегулярной сегментированной структурой согласно настоящему изобретению. Условия испытания были следующими: с помощью шарика из стали SUJ2 диаметром 6 мм прикладывалась нагрузка 3,5 Н и испытание на трение проводилось при скорости 0,1 м/с. Как показано на фиг.8, установлено, что покрывающие пленки алмазоподобного углерода с сегментированной структурой (сегментированные пленки алмазоподобного углерода DLC-A и DLC-B) имеют устойчивые коэффициенты трения, которые ниже коэффициента трения непрерывной пленки (непрерывной пленки алмазоподобного углерода DLC). Кроме того, после 90000 циклов скольжения износ непрерывной пленки (непрерывной пленки алмазоподобного углерода DLC) составил 1,5×10 мм/Н·м, а износ сегментированных покрывающих пленок алмазоподобного углерода (сегментированных пленок алмазоподобного углерода DLC-A и DLC-B) составил 1,2×10 мм/Н·м. Кроме того, при сравнении количества соскобленного алмазоподобного углерода величина износа непрерывной пленки (непрерывной пленки алмазоподобного углерода DLC) составляла 0,027 мм, в то время как величина износа сегментированных покрывающих пленок алмазоподобного углерода (сегментированных пленок алмазоподобного углерода DLC-A и DLC-B) фактически уменьшилась до 0,009 мм или составила 1/3 величины износа непрерывной алмазоподобной углеродной пленки. Это происходит в результате подавления абразивного износа посредством сегментированной структуры покрывающих пленок алмазоподобного углерода (сегментированных пленок алмазоподобного углерода DLC-A и DLC-B). Поэтому радиус износа шара составлял 240 мкм при испытании непрерывной пленки (непрерывная пленка алмазоподобного углерода DLC), а при испытании покрывающих пленок алмазоподобного углерода с сегментированной структурой (сегментированных пленок алмазоподобного углерода DLC-A и DLC-B) радиус износа шара составлял 200 мкм. При применении покрывающих пленок алмазоподобного углерода с сегментированной структурой (сегментированных пленок алмазоподобного углерода DLC-A и DLC-B) существенно снижается неблагоприятное воздействие на другой элемент.
Результаты усталостных испытаний на изгиб, проведенных на узлах крепления согласно настоящему изобретению, представлены в таблице 2. К тому же, на фиг.9 представлена схема проведения усталостного испытания на изгиб узлов крепления согласно настоящему изобретению. В узлах крепления на поверхность прокладки из стали SUS301 со стороны, примыкающей к Al (A6063), нанесена пленка алмазоподобного углерода (непрерывная или сегментированная пленка алмазоподобного углерода), в то время как на поверхности прокладки из стали SUS301 со стороны, примыкающей к отливке (FCD600, ASTM-A395), пленка отсутствует.
Таблица 2
Состояние прокладки, покрытой пленкой алмазоподобного углерода, вставленной между поверхностью FCD600 и поверхностью A6063, и условия испытания на изгиб
№
Циклы (×10<sup>6</sup>)
Максимальное смещение (мм)
Частота (Гц)
Нагрузка (Н)
Характеристики прокладки из нержавеющей стали
Шероховатость поверхности отливки FCD и Al пластин до испытания (Ra, мкм)
1
1,0
±1
15
782
Отсутствует
4,9/2,0
2
1,0
±1
15
920
Прокладка без пленки алмазоподобного углерода (прокладка без пленки)
10,8/2,0
3
1,0
±1
15
822
Прокладка, покрытая непрерывной пленкой алмазоподобного углерода только со стороны Al
10,8/2,0
4
1,0
±1
15
786
Прокладка, покрытая сегментированной пленкой алмазоподобного углерода со стороны Al
10,8/2,0
6
Внешний вид прокладки после проведения усталостного испытания на изгиб на базе 10 циклов представлен на фиг.10 (а) и (b). На фиг.10 (а) представлен внешний вид прокладки с непрерывной пленкой алмазоподобного углерода и показано отслоение пленки алмазоподобного углерода вблизи отверстия. На фиг.10 (b) представлен внешний вид прокладки с сегментированной пленкой алмазоподобного углерода, причем на расстоянии около 5 мм от края отверстия видно белое порошкообразное вещество.
На фиг.11 представлен способ измерения и показана область в направлении X, в которой исследуется отслаивание пленки алмазоподобного углерода. Как показано на фиг.11, исследуемая область определена на вторичном изображении после обработки изображения, полученного под лазерным микроскопом. Область исследования указанной пленки алмазоподобного углерода, как показано на чертеже, простирается от края отверстия на расстояние около 9,8 мм.
На фиг.12 представлена зависимость степени отслаивания как непрерывной, так и сегментированной пленок алмазоподобного углерода от расстояния от края отверстия под болт. Как показано на фиг.12, в области, простирающейся от 0 до 1,4 мм от края отверстия под болт, отслаивание непрерывной пленки алмазоподобного углерода составляет 70%.
На фиг.13 представлены лазерные микрофотографии как отслоившегося слоя непрерывной пленки алмазоподобного углерода (фиг.13а), так и отслоившегося слоя сегментированной пленки алмазоподобного углерода (фиг.13b) и показаны максимальные отслоившиеся участки обеих пленок. На фиг.13а показан участок непрерывной пленки алмазоподобного углерода, простирающийся от 0 до 1,4 мм от края отверстия под болт. На фиг.13b показан участок сегментированной пленки алмазоподобного углерода, простирающийся от 2,8 до 4,2 мм от края отверстия под болт.
На фиг.14 показана фотография состояния порошкообразных продуктов износа, выполненная под лазерным микроскопом, и представлены результаты вышеупомянутого анализа химического состава. Пиковые значения на спектрограмме, полученной при проведении описанного выше анализа химического состава и представленной на фиг.14, свидетельствуют о том, что частицы продуктов износа содержат кислород, алюминий и железо.
На фиг.15 показана шероховатость поверхности элемента в узле, содержащем контактирующие материалы: алюминиевый лист (или лист алюминиевого сплава) и железо (или сталь), снабженном прокладкой, покрытой непрерывной пленкой алмазоподобного углерода, вариант (А), в узле, снабженном прокладкой (В), покрытой сегментированной пленкой алмазоподобного углерода, вариант (В), в узле, снабженном прокладкой без пленки, вариант (С), и в узле, содержащем только два вышеупомянутых контактирующих материала, вариант (D).
По результатам испытаний шероховатость поверхности элемента узла возрастает в следующем порядке: от узла с прокладкой, покрытой сегментированной пленкой алмазоподобного углерода, вариант (В), имеющей самую низкую шероховатость, к узлу с прокладкой, покрытой непрерывной пленкой алмазоподобного углерода, вариант (А), к узлу с прокладкой без пленки, вариант (С), и до узла, содержащего только два вышеупомянутых типа контактирующих материалов, вариант (D).
На фиг.16 схематично показано состояние до и после испытания на истирание узла, содержащего только два контактирующих материала, вариант (D), узла, снабженного прокладкой, покрытой непрерывной пленкой алмазоподобного графита, вариант (А), и узла, снабженного прокладкой, покрытой сегментированной пленкой алмазоподобного углерода, вариант (В). На фиг.16 представлена схема узла, содержащего только два контактирующих материала, вариант (D), на которой показаны частицы износа, удерживаемые между листом из А1 сплава и листом чугуна (FCD), которые образовались в процессе 2 формирования чешуек в результате износа. Также на фиг.16 представлена схема узла, снабженного прокладкой, покрытой непрерывной пленкой алмазоподобного углерода, вариант (А), на которой показано формирование частиц износа в процессе 2, при увеличении их количества на разрушенных участках непрерывной пленки алмазоподобного углерода. На фиг.16 также представлена схема узла, снабженного прокладкой, покрытой сегментированной пленкой алмазоподобного углерода, вариант (В), на которой показано замедление развития износа, поскольку незначительное количество частиц, сформированных в процессе 2, удерживается в углублениях между сегментированными участками пленки алмазоподобного углерода.