КЛИНОВАЯ СТОПОРНАЯ ШАЙБА С ПОВЫШЕННОЙ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
WEDGE-SHAPED LOCK WASHER WITH HIGH CORROSION RESISTANCE AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в общем относится к клиновой стопорной шайбе в соответствии с ограничительной частью пункта 1. Кроме того, оно относится к способу изготовления клиновой стопорной шайбы, включающему холодное формование и поверхностное упрочнение.
Уровень техники
Клиновая стопорная шайба представляет собой тонкую дискообразную пластину с центральным отверстием для стержня винта, которая способна предотвращать нежелательное ослабление винтового соединения. Клиновую стопорную шайбу используют для распределения нагрузки резьбового крепежного элемента. Данная заявка касается клиновых стопорных шайб, которые обычно используют парами. На одной из сторон поверхности предусмотрен рельеф в форме радиально продолжающихся выступов, известных также как клинья. В блокировочной системе, две клиновые стопорные шайбы размещают в паре, при этом стороны выступов сталкиваются и сцепляются друг с другом. В такой блокировочной системе самая большая поверхность выступов имеет угол наклона, относительно горизонтальной плоскости, который больше чем шаг резьбы винта. Угол наклона вызывает принудительное и эффективное застопоривание крепежного элемента посредством создания клинового эффекта посредством выступов, который в свою очередь предохраняет болт или подобный элемент от откручивания даже под действием вибрации. Это такой эффект, который достигается, когда две клиновые стопорные шайбы вращаются относительно друг друга таким образом, что выступы проскальзывают друг на друге. Когда происходит данное проскальзывание выступов, пара шайб расширяется в аксиальном направлении, поскольку выступы проскальзывают друг на друге. Зато если нужно затянуть соединение, то соответствующее расширение двух шайб отсутствует, поскольку проскальзывание выступов предотвращено торцом клиновой формы.
Поверхность, противоположная поверхности выступов клиновой стопорной шайбы, часто содержит другой рельеф для увеличения трения между клиновой стопорной шайбой и головкой винта, детали, болта или подобного элемента. Такой рельеф может быть, например, в виде радиально продолжающихся зубьев. Каждый зуб обычно имеет более короткое периферийное удлинение по сравнению с периферийным удлинением выступа на противоположной стороне поверхности клиновой стопорной шайбы, и расположен под наклоном в противоположном направлении вращения относительно наклона выступов. Это объясняется тем, чтобы зубья должны взаимодействовать и контактировать с поверхностью, например, головки винта, гайкой или элементом, который закреплен, благодаря чему шайба предохранена от вращения относительно данной поверхности. Вместо рельефа можно использовать другие обработки поверхности, увеличивающие трение. Такие обработки используют частицы твердого металла, наносимые на поверхность.
Стопорные шайбы изготавливают из разрезанной на полосы листовой заготовки из соответствующего материала. Полосовая заготовка подвергается формованию и/или штамповке, чтобы образовать форму и рельеф поверхности клиновой стопорной шайбы. Один пример способа формования клиновой стопорной шайбы раскрыт в ЕР2195129. Клиновые стопорные шайбы должны иметь высокую поверхностной прочность, чтобы выдерживать усилия и не деформировать рельеф зубьев и выступов, в результате они утрачивают свою функцию в блокировочной системе. Кроме того, высокая поверхностная прочность желательна с точки зрения износа. Поэтому целесообразно упрочнять материал клиновой стопорной шайбы для достижения требуемой прочности. В зависимости от материала клиновой стопорной шайбы, дополнительно или в качестве альтернативы, целесообразно обеспечить упрочненную поверхность клиновой стопорной шайбы или твердое покрытие для достижения требуемых свойств.
Клиновые стопорные шайбы могут изготавливаться, например, из аустенитных нержавеющей сталей, таких как AISI304, AISI316 или AISI316L. Аустенитные нержавеющие стали обладают довольно высокой прочностью, но не могут быть упрочнены насквозь. Поэтому аустенитные нержавеющие стали могут быть подвержены износу и поэтому должны подвергаться поверхностному упрочнению, чтобы увеличить поверхностную прочность и уменьшить износ. Поверхностное упрочнение аустенитных нержавеющих сталей может быть достигнуто разными способами, такими как плазменное азотирование или азотирование в соляной ванне. Однако такие способы могут снижать коррозионную стойкость вследствие образования нитрида хрома в поверхностном слое. При этом существуют приемлемые способы поверхностного упрочнения, при которых коррозионная стойкость сохраняется или даже повышается. Такие технологии поверхностного упрочнения как правило основаны на повергании материала газовой термохимической обработке. Такая технология включает диффузию углерода и/или азота из окружающего газа в поверхность стали, приводящую к образованию поверхностного слоя, обогащенного углеродом и/или азотом. В сравнении с плазменным азотированием или азотированием в соляной ванне, такие диффузные процессы не приводят к образованию нитрида хрома, однако азот и углерод проникают посредством внедрения в микроструктуру. Упрочнение осуществляется после того как деталь образована в своей конечной форме, т.е. когда не предполагается никакой дополнительной пластической деформации стали для достижения требуемой конечной геометрической формы.
Как было отмечено выше, диффузия углерода и/или азота в поверхность может также повышать коррозионную стойкость аустенитной нержавеющей стали. Однако это возможно только при отсутствии на поверхности или в поверхностной зоне стали дельта-феррита или мартенсита деформации (известного также как дислокационный мартенсит). Кроме того, для достижения требуемого результата поверхность по существу не должна содержать поверхностных дефектов. В противном случае может существовать риск локальной коррозии.
Мартенсит деформации может возникать при изготовлении изделий с использованием, например, холодного формования, глубокой вытяжки, штамповки или прессования. Мартенсит деформации оказывает негативное влияние на коррозионную стойкость аустенитных нержавеющих сталей не только во время поверхностного упрочнения, как было описано выше, но и вообще. Мартенсит деформации можно удалять посредством отжига на твердый раствор. Однако такой отжиг на твердый раствор также влияет на среднемассовую твердость и поэтому непригодна для всех применений.
Как было описано выше, клиновые стопорные шайбы образуют посредством холодного формования, такого как штамповка, из стальной листовой заготовки. Аустенитные нержавеющие стали обычно обладают высокой пластичностью и легко формуются посредством холодного формования. Однако в результате деформации, вносимой в материал во время холодного формования, может образоваться мартенсит деформации. Вследствие того, что степень деформации изменяется в зависимости от рельефов клиновых стопорных шайб, мартенсит деформации как правило чаще возникает в наиболее деформированных участках клиновой стопорной шайбы.
В результате процесса изготовления в стали может присутствовать дельта-феррит, который также как правило оказывает негативное влияние на коррозионная стойкость.
Одним из способов повышения коррозионной стойкости аустенитной нержавеющей стали является электрополирование поверхности стальных деталей для растворения загрязнений и мартенсита деформации, а также получения более гладкой поверхности без пустот, в которых может быть трудно образовать пассивирующий поверхностный слой, необходимый для обеспечения заданной коррозионной стойкости. Электрополирование как правило также приводит к более высокому содержанию хрома на поверхности.
Электрополирование представляет собой процесс, обычно включающий погружение металлической детали, подвергаемой электрополированию, в электролит и использование данной металлической детали в качестве анода. Металл на поверхности металлической детали, подвергаемой электрополированию, окисляется и растворяется в электролите, когда ток проходит от анода к катоду. Таким образом, электрополирование поверхностно-упрочненной аустенитной нержавеющей стали удаляет участок поверхностно-упрочненного слоя аустенитной нержавеющей стали, который является нежелательным.
Однако электрополирование металлических деталей по сложными геометрическими элементами, такими как острые кромки или глубокие отверстия, может приводить к неравномерному удалению металла с поверхности детали. Это является следствием разных плотностей тока в разных частях поверхности, обусловленных геометрией металлической детали.
Таким образом, электрополирование уже известных клиновых стопорных шайб может приводить к удалению разного количества металла из кромки выступов и из основания выступов.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание клиновой стопорной шайбы с повышенной коррозионной стойкостью.
Данная цель достигается посредством клиновой стопорной шайбы в соответствии с п.1 и способом изготовления клиновой стопорной шайбы в соответствии с п.7 формулы изобретения.
Аспект изобретения описан соответственно посредством клиновой стопорной шайбы, содержащей центральную ось, центральное сквозное отверстие, концентричное с центральной осью и образующее внутреннюю периферийную аксиальную поверхность, внешнюю периферийную аксиальную поверхность, первую боковую поверхность, обращенную и выполненную с возможностью зацепления в другой клиновой стопорной шайбой, причем первая боковая поверхность содержит рельеф из радиально продолжающихся выступов, причем каждый выступ содержит первую поверхность, расположенную под наклоном относительно центральной плоскости стопорной поверхности клинового выступа, и вторую поверхность, и при этом первая поверхность и вторая поверхность каждого выступа пересекаются в радиально продолжающемся кромке выступа и при этом вторая поверхность первого выступа пересекается с первой поверхностью смежного выступа в радиально продолжающемся внутреннем угле, при этом каждый выступ имеет высоту h, образованную между нижней плоскостью, в которой расположено основание внутреннего угла, и верхней плоскостью, в которой расположена вершина кромки выступа, область плавного перехода внутреннего угла имеет горизонтальную длину а, внутренний угол имеет высоту Н, находящуюся в пределах от h/4 до h/2, определяемую как высота Н в вертикальном направлении от нижней точки внутреннего угла до конца области плавного перехода, причем кромка выступа содержит область плавного перехода, которая имеет высоту Н', которая больше или равна высоте Н внутреннего угла области плавного перехода, и при этом по меньшей мере первая поверхность подвергается поверхностному упрочнению и электрополированию и/или травлению.
Данная описанная шайба является особенно предпочтительной в плане коррозионной стойкости.
В соответствии с другим аспектом клиновая стопорная шайба выполнена из аустенитной нержавеющей стали.
В соответствии с другим аспектом вторая поверхность выступов расположена во второй плоскости, которая расположена под углом относительно плоскости, в которой расположена центральная ось клиновой стопорной шайбы.
В соответствии с другим аспектом клиновая стопорная шайба дополнительно содержит вторую боковую поверхность, противоположную первой боковой поверхности, причем вторая поверхность содержит рельеф из радиально продолжающихся зубьев, причем каждый зуб содержит радиально продолжающуюся кромку зуба и радиально продолжающийся второй внутренний угол, образованный между второй поверхностью зуба и первой поверхностью смежного зуба.
В соответствии с другим аспектом клиновая стопорная шайба предпочтительно содержит закругление на внутреннем угле в диапазоне от радиуса t/3, который касается двух боковых сторон, до радиуса 2t, начинающегося от кромки зуба до касательной к основанию.
В соответствии с другим аспектом клиновая стопорная шайба содержит внутренний угол выступов, который имеет средний радиус в пределах от h/4 до h/3.
Обнаружено, что коррозионную стойкость клиновой стопорной шайбы можно повысить посредством оптимизации геометрии выступов клиновой стопорной шайбы, в дополнение к обеспечению поверхностного упрочнения и последующего электрополирования или травления. Это достигается посредством минимизации образования мартенсита деформации и выравнивания интенсивности удаления материала по всей поверхности клиновой стопорной шайбы во время следующего этапа обработки для удаления поверхностных загрязнений и дефектов.
Тот факт, что геометрия выступов клиновой стопорной шайбы изменена посредством закругления острых кромок и углов, минимизирует образование мартенсита деформации вследствие слишком высокой степени деформации, в частности в основании выступов, и дополнительно усредняет интенсивность удаления материала на разных частях поверхности по время следующего электрополирования или травления. Тем самым можно также минимизировать степень электрополирования или травления, необходимую для получения гладкой поверхности, не содержащей поверхностных дефектов и загрязнений. Это в свою очередь минимизирует утрачивание глубины упрочненного поверхностного слоя клиновой стопорной шайбы. Таким образом, получается клиновая стопорная шайба с повышенной коррозионной стойкостью, а также с большей глубиной поверхностно-упрочненного слоя по сравнению с ранее известными клиновыми стопорными шайбами.
В соответствии с другим аспектом описан способ изготовления клиновой стопорной шайбы, включающий
а. холодное формование клиновой стопорной шайбы из стальной заготовки для получения клиновой стопорной шайбы, содержащей центральную ось, центральное сквозное отверстие, концентричное с центральной осью и образующее внутреннюю периферийную аксиальную поверхность, внешнюю периферийную аксиальную поверхность, первую боковую поверхность, обращенную и выполненную с возможностью зацепления с другой клиновой стопорной шайбой, причем первая боковая поверхность содержит рельеф из радиально продолжающихся выступов, причем каждый выступ содержит первую поверхность, расположенную под наклоном относительно центральной плоскости стопорной поверхности клинового выступа, и вторую поверхность, и при этом первая и вторая поверхность каждого выступа пересекаются в радиально продолжающейся кромке выступа и при этом вторая поверхность первого выступа пересекается с первой поверхностью смежного выступа в радиально продолжающемся внутренней угле, при этом каждый выступ имеет высоту h, образованную между нижней плоскостью, в которой расположено основание внутреннего угла, и верхней плоскостью, в которой расположена вершина кромки выступа, область плавного перехода внутреннего угла имеет горизонтальную длину а, внутренний угол имеет высоту Н, находящуюся в пределах от h/4 до h/2, определяемую как высота Н в вертикальном направлении от основания внутреннего угла до конца области плавного перехода, при этом кромка выступа содержит область плавного перехода, которая имеет высоту Н', которая больше или равна высоте Н внутреннего угла области плавного перехода;
b. поверхностное упрочнение отформованной холодным формованием клиновой стопорной шайбы посредством диффузии углерода и/или азота в поверхность отформованной холодным формованием клиновой стопорной шайбы, тем самым получая упрочненный поверхностный слой клиновой стопорной шайбы;
с. электрополирование или травление поверхностно-упрочненной клиновой стопорной шайбы до глубины поверхности меньше, чем глубина упрочненного поверхностного слоя.
В соответствии с другим аспектом способ дополнительно включает формование клиновой стопорной шайбы из листовой заготовки из аустенитной нержавеющей стали.
В соответствии с другим аспектом способ дополнительно включает электрополирование отформованной холодным формованием клиновой стопорной шайбы перед ее поверхностным упрочнением.
В соответствии с другим аспектом способ дополнительно включает электрополирование или травление до глубины самое большее 15 мкм, предпочтительно от 4 мкм до 10 мкм.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает стопорную систему, известную из уровня техники, содержащую пару клиновых стопорных шайб, и показывает принцип блокирования.
Фиг.2 показывает вид в перспективе пары клиновых стопорных шайб в соответствии с известным уровнем техники.
Фиг.2а показывает вид в увеличенном масштабе одной клиновой стопорной шайбы в соответствии с известным уровнем техники, показывающий поверхность выступа.
Фиг.3 показывает вид в перспективе пары клиновых стопорных шайб в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 показывает вид в перспективе пары клиновых стопорных шайб в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4а показывает вид в увеличенном масштабе пары клиновых стопорных шайб в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4b показывает высоту Н области плавного перехода.
Фиг.5 показывает вид в перспективе пары клиновых стопорных шайб в соответствии с настоящим изобретением с альтернативной формой внутреннего угла.
Фиг.5а показывает вид в разрезе зубьев в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.6 показывает снимок, полученный посредством растровой электронной микроскопии, поверхности клиновой стопорной шайбы после поверхностного упрочнения.
Фиг.7 показывает снимок, полученный посредством растровой электронной микроскопии, поверхности клиновой стопорной шайбы после поверхностного упрочнения и электрополирования.
Фиг.8 показывает снимок, полученный посредством растровой электронной микроскопии, основания зубьев клиновой стопорной шайбы в соответствии с известным уровнем техники.
Фиг.9 показывает снимок, полученный посредством растровой электронной микроскопии, основания зубьев клиновой стопорной шайбы в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.10 показывает снимок боковой поверхности выступа клиновой стопорной шайбы в соответствии с известным уровнем техники, которая была подвергнута поверхностному упрочнению, но не подвергалась электрополированию, после 130 часов испытания при обливании нормальной солевой струей.
Фиг.11 показывает снимок боковой поверхности выступа клиновой стопорной шайбы в соответствии с известным уровнем техники, которая была подвергнута поверхностному упрочнению и электрополированию, после 1000 часов испытания при обливании нормальной солевой струей.
Фиг.12 показывает снимок боковой поверхности выступа клиновой стопорной шайбы в соответствии с настоящим изобретением после 1000 часов испытания при обливании нормальной солевой струей.
Подробное описание изобретения
Ниже настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи. При этом изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления и может быть изменено в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.
Кроме того, чертежи необязательно выполнены в масштабе, если это не указано прямо, поскольку некоторые элементы могут быть увеличены, чтобы более наглядно показать изобретение.
Фиг.1 показывает стопорный узел 1', известный из уровня техники, в котором первая 1а' и вторая 1b' стопорные шайбы расположены в паре для блокирования крепежного элемента, такого как болт 10' или подобный элемент. Каждая клиновая стопорная шайба 1а', 1b' содержит центральное отверстие 2', в которое проходит стержень 11' крепежного элемента. Кроме того, на фиг.2 клиновая стопорная шайба 1а', 1b' содержит рельеф из радиально продолжающихся зубьев 3' на стороне, предназначенной для сцепления с контактной поверхностью крепежного элемента, например, нижней поверхностью головки болта или нижней поверхностью гайки, поверхностью детали или подобной поверхностью. Противоположная сторона стопорной шайбы содержит рельеф из радиально продолжающихся выступов 4'. Стороны выступов клиновых стопорных шайб выполнены с возможностью обращения и зацепления друг с другом. Наклон выступов, показанный как угол α, больше чем шаг резьбы крепежного элемента 10', показанный как угол β. Таким образом, наклон вызывает принудительное и эффективное блокирование крепежного элемента посредством создания клинового эффекта посредством выступов, который в свою очередь предохраняет болт или подобный элемент от откручивания, даже под действием вибрации.
Клиновая стопорная шайба 1а', 1b' может быть описана как содержащая центральную ось 4' и содержащая центральную плоскость, которая перпендикулярна центральной оси. Клиновая стопорная шайба содержит центральное сквозное отверстие 2', концентричное с центральной осью 4' и выполненное так, чтобы при использовании стопорной системы позволять стержню крепежного элемента 11' проходить через клиновую стопорную шайбу 1а', 1b'. Ввиду центрального сквозного отверстия клиновая стопорная шайба имеет внутренний диаметр 5', а также внешний диаметр 6'. Клиновая стопорная шайба 1а', 1b' часто содержит круговую периферийную поверхность, т.е. аксиальная поверхность в разрезе является круговой цилиндрической с центральным сквозным отверстием 2'. Но возможны другие формы, такие как аксиальная поверхность в разрезе в форме шестиугольника или другие многоугольные формы.
Клиновая стопорная шайба 1а' предназначена для использования вместе с соответствующей клиновой стопорной шайбой 1b', в большинстве случаев аналогичной первой клиновой стопорной шайбе 1а', но в перевернутом положении по сравнению с первой клиновой стопорной шайбой 1b'. Таким образом, клиновые стопорные шайбы 1а', 1b' предназначены для использования парами. Однако клиновые стопорные шайбы необязательно должны иметь одинаковую форму. Их объединение может также быть в форме конуса, когда первая шайба содержит выступы на внешней конической поверхности, а вторая содержит выступы на внутренней конической поверхности. Таким образом, при соединении пара способна совместно оказывать упругое усилие для дополнительно улучшения стопорных возможностей. Возможно также либо в комбинации с плоскими клиновыми стопорными шайбами либо с коническими вариантами, когда первая шайба имеет большее сквозное отверстие, чем вторая стопорная шайба. Это может обеспечить возможность сближения с плоской поверхности головки винта, содержащей галтель или радиус на переходе между стержнем и плоской поверхностью нижней стороны головки винта.
Для того чтобы обеспечить эффект блокирования между двумя клиновыми стопорными шайбами 1а', 1b' пары, каждая шайба содержит специальный рельеф на поверхности, обращенной к другой клиновой стопорной шайбе пары. Рельеф содержит выступы 7', расположенные радиально на поверхности клиновой стопорной шайбы. В случае так называемых плоских клиновых стопорных шайб, выступы расположены так, что основание 8' каждого из выступов расположено в общей плоскости, которая по существу параллельна центральной плоскости клиновой стопорной шайбы. Аналогичным образом, вершины 9' каждого из выступов расположены в общей плоскости, параллельной центральной плоскости клиновой стопорной шайбы. Другими словами, клиновая стопорная шайба представляет собой по существу плоскую клиновую стопорную шайбу, если не считать рельефа (рельефов) поверхности.
Однако клиновая стопорная шайба может также иметь коническую форму, в этом случае центральная плоскость клиновой стопорной шайбы не перпендикулярна центральной оси, а имеет коническую форму, концентричную с центральной осью. В таком случае, коническая форма предпочтительно представляет собой усеченный конус с большим нижним круглым отверстием и меньшим верхним круглым отверстием. Большее отверстие соответствует внешнему диаметры шайбы, а меньшее - сквозному отверстию плоской шайбы. Причем отверстия расположены в двух параллельных плоскостях.
Фиг.2 показывает пару клиновых стопорных шайб 1а', 1b' в соответствии с известным уровнем техники, при этом справа показан увеличенный местный вид. Стороны клиновых стопорных шайб, обращенные друг к другу, снабжены рельефом из радиально продолжающихся выступов 7', а противоположные стороны клиновых стопорных шайб содержат рельеф из радиально продолжающихся зубьев 3'. Как выступы 7', так и зубья 3' проходят от внутреннего диаметра 5' до внешнего диаметра 6' каждой из клиновых стопорных шайб, и равномерно распределены по всем поверхностям.
См. фиг.2, каждый выступ 7' образован посредством первой поверхности 20', расположенной под наклоном относительно центральной плоскости клиновой стопорной шайбы 1а', 1b', и второй поверхности 21', расположенной по существу в аксиальной плоскости, в которой расположена центральная ось 4'. Первая и вторая поверхности пересекаются друг с другом в кромке 7а' выступа, которая расположена радиально. См. также фиг.2а, который представляет собой вид в увеличенном масштабе выступа одной клиновой стопорной шайбы 1b'. Таким образом, каждый выступ имеет поперечное сечение в радиальном направлении по существу в форме треугольника, в котором гипотенуза образована посредством первой поверхности выступа.
Кромка 7а' выступа такой клиновой стопорной шайбы, известной из уровня техники, является по существу острой. Кроме того, вторая поверхность выступа пересекается с первой поверхностью смежного выступа в по существу остром внутреннем угле 7b'. Внутренний угол 7b' проходит радиально так же, как кромка 7а' выступа.
При изготовлении такой клиновой стопорной шайбы 1а', 1b' деформация материала во время штамповки или прессования отличается по всей поверхности за счет отличия в геометрии. При исследовании микроструктуры такой клиновой стопорной шайбы было обнаружено, что по меньшей мере во внутренних углах стопорной шайбы образуется мартенсит деформации.
В соответствии с настоящим изобретением, см. фиг.3 и фиг.4, геометрия клиновой стопорной шайбы 1а', 1b' изменена. Это было достигнуто по существу посредством устранения острых кромок внутреннего угла 7b выступа 7, там где вторая поверхность 21 одного выступа пересекается с первой поверхностью 20 смежного выступа. Это достигается посредством расположения внутреннего угла 7b так, что он имеет плавный участок в области перехода между поверхностями. В контексте настоящего изобретения, он может быть назван радиусом. Однако это не следует понимать как один сектор окружности с радиусом. А значит радиус необязательно должен считаться постоянным на всем переходе между второй поверхностью одного выступа и первой поверхностью смежного выступа, а может быть также в виде отдельных частей. Это значит, что, например, несколько небольших радиусов могут образовать плавную область перехода, или любую другую неправильную форму, которая обеспечивает плавную область перехода, в отличие от острой кромки, известной из уровня техники. Поэтому радиус внутреннего угла 7b следует рассматривать как средний радиус области перехода между второй поверхностью одного выступа и первой поверхностью смежного выступа.
Фиг.3 и фиг.4 показывают пару клиновых стопорных шайб 1а, 1b в соответствии с настоящим изобретением. Ввиду того, что основание 7b выступа, т.е. внутренний угол выступов 7b, образованный посредством перехода между второй поверхностью 21 одного выступа 7 и первой поверхностью 20 смежного выступа 7, снабжен вышеупомянутым плавным переходом в виде радиуса, необходимо также выполнить кромку 7а выступа с неострой формой так, чтобы кромка 7а выступа могла взаимодействовать с основанием 7b противоположной клиновой стопорной шайбы. Как показано на фиг.4а, шайбы 1а, 1b являются одинаковыми, и выступы содержат два закругления 7с и 7d. Первое закругление 7с отличается от второго закругления 7d. Это создает небольшой зазор 7е. Фиг.4а показывает в увеличенном масштабе отличие между первым закруглением 7с и вторым закруглением 7d. И он показывает также как разные закругления клиновой стопорной шайбы 1а и 1b совмещаются друг с другом.
На фиг.4 в виде В высота отдельного выступа показана буквой h. В виде С на фиг.4 показана горизонтальная длина а области плавного перехода для внутреннего угла 7b как для верхней клиновой стопорной шайбы 1а, так и для нижней клиновой стопорной шайбы 1b. Для всех вариантов осуществления минимальный размер а может быть равен h/3 для внутреннего угла 7b. Максимальный размер а равен h для внутреннего угла 7b. Необходимо понимать, что если форма неправильная, то он представляет собой средний радиус, который был упомянут в связи с областью плавного перехода.
На фиг.4а показано как две клиновые стопорные шайбы 1а и 1b расположены выступами 7 вплотную друг к другу. В соответствии с настоящим изобретением область плавного перехода имеет горизонтальную длину а для внутреннего угла 7b.
На фиг.4b показана высота Н области плавного перехода, внутренний угол имеет высоту Н, находящуюся в пределах от h/4 и до h/2, определяемую как высота Н в вертикальном направлении от основания внутреннего угла до конца области плавного перехода.
Фиг.5 показывает аспект изобретения, когда верхний плавный переход 7f и нижний переход 7g имеют одинаковую форму. Это приводит к более точному совмещению между верхней клиновой стопорной шайбой 1аа и нижней клиновой стопорной шайбой 1bb. Однако, как было упомянуто выше, отношение а к h является таким же, как было указано выше. И для аспекта изобретения, показанного на фиг.5, зазор 7е отсутствует.
Для всех вариантов осуществления кромка 7а клиновых стопорных шайб имеет размер, который меньше или равен размеру внутреннего угла 7b.
В аспекте изобретения, область плавного перехода внутреннего угла 7b выступа 7 клиновой стопорной шайбы 1а, 1b представляет собой радиус. В аспекте изобретения область плавного перехода кромки 7а выступа 7 клиновой стопорной шайбы 1а, 1b представляет собой радиус, который больше или равен радиусу внутреннего угла.
Фиг.5а показывает для всех вариантов осуществления выступов, как может быть выполнена другая поверхность стопорной шайбы. На фиг.5а показан зуб 3. Зуб 3 предпочтительно содержит закругление на внутреннем угле, которое находится в пределах от радиуса t/3, который касается двух боковых сторон, до радиуса 2t, начинающегося от кромки зуба до касательной к основанию.
Данная геометрия в сочетании с описанной ниже обработкой обеспечивает необычайно высокую коррозионная стойкость.
Прежде всего клиновую стопорную шайбу, имеющую вышеописанную конфигурацию, подвергают холодному формованию из заготовки. Холодное формование может, например, включать штамповку или прессование. Такой этап осуществляется в соответствии с известным уровнем техники, если не считать изменения инструмента в соответствии с заданной геометрией клиновой стопорной шайбы.
Холодноформованная клиновая стопорная шайба дополнительно подвергается электрополированию для обеспечения улучшенной поверхности, более восприимчивой к поверхностному упрочнению, как описано ниже. Однако данный этап электрополирования является необязательным.
Затем холодноформованная клиновая стопорная шайба подвергается процессу поверхностного упрочнения, при котором углерод и/или азот вносят в поверхность клиновой стопорной шайбы. Это осуществляется посредством подвергания клиновой стопорной шайбы газовой термохимической обработке для осуществления диффузии. Такие технологии уже известны и поэтому не будут описаны более подробно.
Затем клиновая стопорная шайба подвергается этапу электрополирования или этапу травления для удаления поверхностных дефектов и загрязнений, а также мартенсита деформации на поверхности. Такой этап осуществляется до глубины, достаточной для удаления поверхностных дефектов и загрязнений, но не настолько глубоко, чтобы не удалить весь упрочненный поверхностный слой клиновой стопорной шайбы. Предпочтительно, данный процесс осуществляется до глубины самое большее 15 мкм.
Клиновая стопорная шайба может быть выполнена из аустенитной нержавеющей стали. Примерами пригодных аустенитных нержавеющих сталей являются AISI316, AISI316L, AISI317, AISI301-AISI305 и их модификации. Примерные составы приведены ниже в таблице 1.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, аустенитная нержавеющая сталь представляет собой сталь, у которой числовой эквивалент коррозионной стойкости (pitting resistance equivalent number - PREN) меньше 43. PREN определяется по следующей формуле:
PREN=1 х %Cr+3,3 х %Mo+16 х %N
где указанные проценты представляют собой проценты по массе.
Таблица 1
Наименование
Химический состав, % по массе, максимальный если не указано
AISINo
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Ni
Другие
301
0,15
1,00
2,00
0,045
0,030
16,0-18,0
-
6.0-8.0
N 0,10
301L
0,03
1,00
2,00
0,045
0,030
16,0-18,0
-
6,0-8,0
N 0,20
301LN
0,03
1,00
2,00
0,045
0,030
16,0-18,0
-
6,0-8,0
N 0,07-0,20
302
0,15
0,75
2,00
0,045
0,030
17,0-19,0
-
8,0-10,0
N 0,10
303
0,15
1,00
2,00
0,20
0,15min
17,0-19,0
-
8,0-10,0
304
0,07
0,75
2,00
0,045
0,030
17,5-19,5
-
8,0-10,5
N 0,10
304
0,08
1,00
2,00
0,045
0,030
18,0-20,0
8,0-11,0
304L
0,030
0,75
2,00
0,045
0,030
17,5-19,5
-
8,0-12,0
N 0,10
304L
0,030
1,00
2,00
0,045
0,030
18,0-20,0
8,0-12,0
304LN
0,030
0,75
2,00
0,045
0,030
18,0-20,0
-
8,0-12,0
N 0,10-0,16
305
0,12
0,75
2,00
0,045
0,030
17,0-19,0
-
10,5-13,0
-
316
0,08
0,75
2,00
0,045
0,030
16,0-18,0
2,0-3,0
10,0-14,0
N 0,10
316L
0,030
0,75
2,00
0,045
0,030
16,0-18,0
2,0-3,0
10,0-14,0
N 0,10
316Ti
0,08
0,75
2,00
0,045
0,030
16,0-18,0
2,0-3,0
10,0-14,0
Ti5x(C+N)/0,70N 0,10
316LN
0,030
0,75
2,00
0,045
0,030
16,0-18,0
2,0-3,0
10,0-14,0
N 0,10-0,16
317
0,08
0,75
2,00
0,045
0,030
18,0-20,0
3,0-4,0
11,0-15,0
N 0,10
317L
0,030
0,75
2,00
0,045
0,030
18,0-20,0
3,0-4,0
11,0-15,0
N 0,10
Экспериментальные испытания 1
Была исследована микроструктура клиновой стопорной шайбы, известной из уровня техники, изготовленной из AISI316L, и было обнаружено, что в основании зубьев образовался мартенсит деформации. Это проиллюстрировано на фиг.8, показывающем снимок, полученное посредством растровой электронной микроскопии (Scanning Electron Microscopy - SEM). На данном снимке можно видеть линии растяжения. Можно также видеть сильно деформированный материал с множеством мартенсита деформации. Стрелки указывают линии растяжения, находящиеся в полосатой структуре.
Кроме того, была исследована микроструктура клиновой стопорной шайбы из AISI316L, имеющей геометрию в соответствии с настоящим изобретением. Результаты показаны на фиг.9, и можно видеть, что данная стопорная шайба по существу не содержит мартенсит деформации.
Микроструктура, показанная на фиг.8 и 9, относится к основанию выступа. Таким образом, можно сделать заключение, что закругление острых кромок в клиновой стопорной гайке может значительно уменьшить проблемы, связанные с мартенситом деформации.
Экспериментальные испытания 2
Посредством растровой электронной микроскопии была исследована структура поверхности клиновой стопорной шайбы из 316L, которая была подвергнута поверхностному упрочнению, как описано ниже, но впоследствии не подвергалась электрополированию. поверхность четко показала зерна и границы зерен, как показано на фиг.6.
Кроме того, аналогичная клиновая стопорная шайба была подвергнута электрополированию и затем исследована посредством растровой электронной микроскопии. Поверхность была по существу гладкой, как показано на фиг.7.
Масштаб в снимках на фиг.6 и 7 является одинаковым, и отметка расстояния в нижнем правом углу показывает расстояние, равное 10 мкм.
Результаты показывают, что посредством электрополирования поверхность клиновой стопорной шайбы может быть сделана очень гладкой, так что она не содержит никаких поверхностных дефектов, которые могут действовать как точки инициирования коррозии.
Экспериментальные испытания 3
Для проверки коррозионной стойкости клиновых стопорных шайб, изготовленных из 316L, подвергнутых поверхностному упрочнению, как описано выше, были проведены испытания при обливании нормальной солевой струей в соответствии с ISO9227.
Были проведены испытания клиновых стопорных шайб с уже известной геометрией, содержащей острые кромки выступов и внутренние углы, а также острые зубья, и клиновых стопорных шайб с геометрией в соответствии с настоящим изобретением, как с, так и без электрополирования после поверхностного упрочнения. Испытуемые клиновые стопорные шайбы имели одинаковые размеры и отличались только формой кромок и внутренних углов.
Результат испытания клиновой стопорной шайбы с уже известной геометрией показал, что электрополирование увеличило коррозионную стойкость по сравнению с клиновой стопорной шайбой с такой же геометрией, но не подвергавшейся электрополированию. Однако была обнаружена коррозия в основаниях зубьев и основаниях выступов. Это проиллюстрировано на фиг.10, показывающем фотоснимок стороны выступа уже известной клиновой стопорной шайбы, не подвергавшейся электрополированию, и затем подвергнутой испытанию при обливании нормальной солевой струей в течение 130 часов, а фиг.11 показывает фотоснимок стороны выступа уже известной клиновой стопорной шайбы, подвергавшейся электрополированию, и затем подвергнутой испытанию при обливании нормальной солевой струей в течение 1000 часов.
Клиновая стопорная шайба с геометрией в соответствии с настоящим изобретением, подвергнутая электрополированию, показала значительно меньшую коррозию как в основаниях выступов, так и в основаниях зубьев по сравнению со стопорными шайбами с геометрией, известной из уровня техники. Это проиллюстрировано на фиг.12, показывающем фотоснимок стороны выступа клиновой стопорной шайбы после 1000 часов испытаний при обливании нормальной солевой струей.