ПАРА НАПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОДИН ИЗ КОТОРЫХ ВЫПОЛНЕН ИЗ СПЕЦИАЛЬНОЙ СТАЛИ, ПОЗВОЛЯЮЩЕЙ УЛУЧШИТЬ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОТИВ ЗАЕДАНИЯ
COUPLE OF GUIDE ELEMENTS, ONE OF WHICH IS IMPLEMENTED FROM SPECIAL STEEL, PROVIDING IMPROVEMENT OF STABILITY CHARACTERISTICS AGAINST JAMMING

Область техники
Настоящее изобретение касается механических деталей, которые относятся к категории направляющих элементов. Эти направляющие элементы (на практике речь обычно идет о паре направляющих элементов) содержат две противоположные детали, находящиеся в контакте друг с другом, но выполненные подвижными относительно друг друга, поэтому направляющие элементы, к которым они прикреплены, могут перемещаться относительно друг друга с минимально возможным трением.
Поверхности деталей, которые входят в контакт друг с другом, подвергаются механическим и химическим воздействиям, связанным с этой относительной подвижностью и с окружающей их средой, поэтому они более или менее быстро изнашиваются в результате трения, коррозии или одновременно двух этих явлений. Направляющие элементы могут иметь разную геометрическую форму, соответствующую разным кинематическим системам: так, они могут образовать системы вал/подлинник (часто говорят также о системах вал/подшипник), шаровые опоры или, в частности, салазки.
В частности, изобретение касается направляющих элементов, смазываемых консистентной смазкой и работающих в экстремальных условиях, таких, например, как высокое контактное давление или коррозийная атмосфера, или и то и другое одновременно, что приводит к повышенной опасности износа соприкасающихся поверхностей.
Предпочтительно, но без ограничения, изобретение касается направляющих элементов, входящих в состав систем или шарнирных соединений вал/опора, при этом термин «вал» следует рассматривать в широком смысле этого слова, и им обозначают охватываемую деталь шарнирного соединения (тогда как «опора» является охватывающей частью этого шарнирного соединения); такой деталью может быть, например, шатунная шейка или коренная шейка коленчатого вала или кулачкового вала.
Уровень техники
1. Концепция направляющих элементов
Как правило, направляющие элементы, в частности системы вал/опора, предназначенные для работы под высокой нагрузкой, выполняют из охватываемой стальной детали и из охватывающей детали из бронзы (для систем самой старой конструкции) или из стали (для более поздних систем).
Чаще всего для таких направляющих элементов используют углеродистые стали или конструкционные стали типа 42 Cr Mo 4 (согласно французскому стандарту), при этом некоторые стали могут быть азотированы, чтобы повысить их сопротивление износу при трении. В наиболее усовершенствованных вариантах, как указано в документе EP 0987456, направляющие элементы могут дополнительно иметь покрытие из полимерного слоя и специальную геометрическую форму, способствующую смазочному эффекту.
Разумеется, можно, как известно, комбинировать эти различные варианты.
2. Выбор сталей
При разработке механического узла специалист располагает очень широким выбором материалов, в частности сталей. Состав этих сталей регламентируется национальными, региональными или международными стандартами, а природу и концентрацию легирующих элементов определяют в зависимости от свойств, требуемых в конкретном варианте использования.
Так, для специалиста, заинтересованного в улучшении поверхностных свойств, более привлекательными могут быть так называемые «цементированные стали» и так называемые «азотированные стали». Стали для цементации предпочтительно содержат менее 0,4% углерода; внутри этого интервала зону 0,2-0,4% резервируют для нитроцементации, тогда как значения содержания менее 0,2% предназначены, в частности, для цементации. Азотированные стали предпочтительно являются либо конструкционными сталями, не легированными углеродом, либо сталями с низким уровнем легирования типа хромомолибденовых сталей, являющихся самыми качественными и дополнительно содержащих алюминий. Существует много источников информации, раскрывающих эти категории сталей. Например, можно указать «Практика термохимической обработки» (“Pratique des traitements thermochimiques” - Editions Techniques de l'Ingenieur”) (эта рубрика постоянно обновляется), а также технические инструкции различных поставщиков стали.
Таким образом, специалист располагает руководствами, которые в принципе обеспечивают ему оптимальный выбор в зависимости от выбранного им вида обработки и от требуемых свойств.
В качестве информации следует напомнить, что:
* цементация является термохимической обработкой стали путем диффузии углерода на поверхности; эта диффузия приводит к образованию твердого поверхностного слоя, толщина которого может достигать 1 и даже 2 мм и твердость которого составляет от 700 до 900 единиц твердости по Виккерсу HV. Такую обработку главным образом применяют для низкоуглеродистых сталей; она позволяет получить высокую поверхностную прочность (износоустойчивость) при сохранении хорошей вязкости в сердцевине. Эту обработку, как правило, производят в газовой атмосфере при температуре, близкой к 900°С, в течение нескольких часов; это предполагает, что цементация должна обязательно сопровождаться закалкой, затем отпуском для снятия напряжений, и, наконец, производят конечную механическую обработку, так как при температуре цементации эти детали подвергаются деформациям.
* азотирование является термохимической обработкой, обеспечивающей диффузию азота на поверхности сталей. После азотирования в зависимости от глубины различают две совершенно разные зоны: на поверхности на глубине порядка двух десятков микрон - слой, образованный в основном нитридами железа (фаза є или ν'), твердость которого превышает 1000 HV (этот слой называют «переходным слоем» или «белым нитридным слоем»); под этим слоем находится зона, называемая «диффузионной зоной», в которой азот включен в сталь (в некоторых случаях может произойти осаждение нитридов); профиль проникновения азота в эту зону зависит от природы легирующих элементов стали и от условий азотирования; в этой зоне сталь подвергается напряжениям сжатия. Обработку можно производить либо в газовой атмосфере, либо в соляной ванне. Как правило, температура обработки составляет 570°С, поэтому в отличие от цементации азотирование не требует ни последующей термической обработки, ни механической обработки. На практике азотирование осуществляют для вариантов применения, в которых необходимо иметь высокую износоустойчивость в сочетании с высокой усталостной прочностью (за счет вышеуказанных напряжений сжатия).
Технический результат, достигаемый изобретением
Как выяснилось, свойства стали, которая должна работать в сложных условиях износа, по меньшей мере, внутри пары направляющих элементов, нельзя с большой точностью достичь только за счет твердого слоя, который получают путем цементации или азотирования, и следует принимать во внимание также и другие параметры, в частности состав; так, нельзя заранее гарантировать, что азотирования будет достаточно чтобы придать марке стали хорошие трибологические характеристики. Точно так же в настоящее время нельзя предугадать трибологические характеристики стали на основании ее состава, не проведя соответствующих испытаний. Следовательно, в настоящее время невозможно экстраполировать характеристики нового сплава исходя из характеристик аналогичных сплавов.
В связи с этим объектом настоящего изобретения является пара направляющих элементов, в частности система вал-опора, один из элементов которой выполнен из стали, специальный состав которой обеспечивает ей высокую износоустойчивость после азотирования.
Описание изобретения
Заявитель неожиданно обнаружил, что, выполняя направляющие элементы (в частности, системы вал/опора) из некоторых сталей, отвечающих точным значениям содержания легирующих элементов, и подвергая их азотированию, можно получить совершенно исключительные характеристики, в частности, по сроку службы и износоустойчивости. Неожиданность этого открытия состоит не только в полученных характеристиках, но и в том, что все свойства, которыми обычно характеризуют твердый слой, полученный азотированием, у этих специальных сталей, не превосходят характеристики, полученные у сталей близкого состава; на сегодняшний день этому феномену нет никакого объяснения.
Действительно, обычно эффективность азотирования характеризуют изменением микротвердости стали в зависимости от глубины измерения, начиная от поверхности. В этом случае строят кривые «твердость/расстояние от поверхности», обычно называемые «последовательными зависимостями». Известные решения, как правило, устанавливают хорошую корреляцию между этими последовательными зависимостями и износоустойчивостью направляющих элементов. Однако в настоящем случае полученные последовательные зависимости во всех точках сравнимы с последовательными зависимостями, полученными на других азотированных сталях с составами, которые априори являются эквивалентными, но которые, вместе с тем, не приводят к очень хорошим наблюдаемым свойствам.
В частности, объектом настоящего изобретения является направляющий элемент, в частности опора или вал системы вал-опора, выполненный из стали, которая имеет следующий состав:
- углерод от 0,15 до 0,3 мас.%,
- хром от 2 до 5 мас.%,
- молибден, по меньшей мере, 0,45 мас.%,
- ванадий более 0,01 мас.% и не более 0,5 мас.%,
и которую азотируют после придания формы таким образом, чтобы получить переходный слой между атомами железа и азота с толщиной в пределах от 5 микрон до 50 микрон.
Таким образом, изобретением предлагается сохранить переходный слой (или белый нитридный слой), в отличие от того, что предлагают для вариантов применения под высокой нагрузкой. Действительно, по всей видимости, именно этот слой обеспечивает высокою устойчивость против заедания направляющего элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Предпочтительно:
содержание хрома составляет от 2 до 3 мас.%,
содержание молибдена не превышает 0,9 мас.%,
содержание ванадия ниже 0,3 мас.%.
Предпочтительно, но не обязательно, эта сталь дополнительно содержит от 0,4 до 1,5% марганца.
Другие легирующие элементы, как оказалось, можно выбирать произвольно, так как они не играют большой роли в получении характеристик, алюминий кажется не желательным при содержании сверх 1% и кажется его использования следует избегать (не более 0,1% и даже не более 0,01%); точно так же может показаться, что никель имеет отрицательное влияние, и от него, видимо, следует отказаться (например, не более 0,1% и даже не более 0,01%); по-видимому, отказаться можно и от серы, фосфора и кальция (не более 0,1% и даже не более 0,01%).
По этой причине предпочтительно сталь, из которой выполняют направляющий элемент, не содержит других легирующих элементов, кроме перечисленных.
Согласно наиболее предпочтительному варианту применения настоящего изобретения, эти азотированные стали используют либо на валу, либо на опоре системы вал-опора, в зависимости от частных условий использования; другой элемент системы вал-опора может быть тоже выполнен из стали рассматриваемого состава или из любого другого совместимого материала, например из материалов, упомянутых в вышеуказанном документе EP 0987456.
Вместе с тем, настоящее изобретение применяется и для многих других пар направляющих элементов, таких, в частности, как салазки, или шаровые опоры, или система коленчатого вала, или система кулачкового вала.
Чтобы соответствовать изобретению, направляющие элементы из описанной выше стали должны быть азотированы, но сам способ азотирования в данном случае не играет большой роли; эту операцию можно производить как в соляной ванне, так и в газовой фазе или при помощи ионного процесса. Точно так же, присутствие поверхностного слоя оксида, покрывающего слой нитрида, как оказалось, существенно не влияет на характеристики. Это же относится и к наличию антифрикционного лака или любого другого поверхностного покрытия, например полимера, наносимого после азотирования (см. в частности вышеуказанный документ EP 0987456).
Таким образом, согласно предпочтительным отличительным признакам настоящего изобретения, в случае необходимости, взятым в комбинации:
упомянутый элемент содержит несквозные полости,
упомянутый элемент содержит покрытие из полимерного материала или сополимера, предпочтительно выбранного из группы, в которую входят полиимиды, полиимиды с наполнителем, эпоксидные смолы, эпоксидные смолы с наполнителем, ацетатные смолы, полиэтилен, замещенные или незамещенные фторуглероды, полиэтилентерефталат, полиэфирсульфон, полиамиды и полиэфир-эфиркетон,
этот элемент является опорой, взаимодействующей с валом,
в варианте, этот элемент является валом, взаимодействующим с опорой,
этот элемент входит в состав системы ползун-салазки, в которой, например, элемент, выполненный из упомянутой стали, является салазками,
эти элементы образуют систему с шаровой опорой, в которой, например, элемент, выполненный из упомянутой стали, является шаровой опорой,
каждый из элементов выполняют из стали, имеющей упомянутый состав.
Примеры выполнения
Нижеследующие не ограничительные примеры иллюстрируют варианты выполнения по предшествующему уровню техники, другие варианты в соответствии с настоящим изобретением и, наконец, варианты выполнения, не соответствующие изобретению. Они показывают связь между составом стали в соответствии с настоящим изобретением и трибологическими характеристиками, с одной стороны, и удивительное отсутствие четкой связи между значениями твердости азотированного слоя (соответствующими обычно принятым значениям) и этими же трибологическими характеристиками.
В каждом из этих примеров процедуру испытания выбирают таким образом, чтобы она должным образом характеризовала срок службы системы вал/опора, смазанной (классической) смазкой и работающей в сложных условиях. Процедура является одинаковой для всех примеров, чтобы обеспечить сравнение результатов. Чтобы сравнить влияние природы стали, все образцы были азотированы одинаково путем погружения в течение 90 минут в соляную ванну. Эта технология была предпочтительна перед другими, которые осуществляют в газовой среде, так как соляная ванна является идеально изотермической средой, что обеспечивает строго одинаковую обработку для всех образцов и позволяет преодолеть погрешности, связанные с термической однородностью печей для газового азотирования; однако, разумеется, любой другой способ, позволяющий получить такой же поверхностный слой, не выходит за рамки настоящего изобретения.
Существует много источников, сравнивающих различные способы азотирования, различные марки стали, и они показывают, что наблюдаемые металлургические различия являются незначительными и существенно не влияют на трибологические свойства.
Как известно, сравнение различных азотированных сталей связывает два типа характеристики:
- металлургическую характеристику, которая состоит в измерении толщины переходного микрослоя и его твердости и в построении профиля твердости в зависимости от глубины измерения.
- трибологическую характеристику путем трения кольца из закаленной цементованной стали, которое выполняет роль вала, на пластине из азотированной стали, которая выполняет роль опоры. Нагрузка между кольцом и пластиной составляет 250 деканьютон, что соответствует давлению по Герцу в 570 МПа, скорость скольжения равна 0,18 м/с, область контакта смазана смазкой (классической смазкой, такой как смазка на основе литиевого мыла с парафиновым минеральным маслом 2 степени (NLGI), вязкость: 105 сантистокс). Коэффициент трения отмечают в зависимости от времени, и испытание характеризуют временем, по истечении которого появляется заедание. В конце испытания осуществляют микрографию для визуального наблюдения профиля износа.
В частности, в качестве материала кольца из закаленной цементованной стали выбирают закаленную цементированную сталь 16NC6, доведенную до твердости от 58 до 62 по шкале С.Роквелла, и обработку азотирования пластины, выполняющей роль опоры, в применении к различным приведенным примерам, осуществляют следующим образом:
погружение в соляную ванну коммерческого состава (известную под маркой “SURSULF ”),
температура обработки: 570°С,
продолжительность обработки: 90 минут,
промывка водой, затем сушка.
Пример 1: предшествующий уровень техники, не соответствует изобретению (42 CrMo 4)
Согласно предшествующему уровню техники, пластина, выполняющая роль опоры, выполнена из стали, содержащей 0,42% углерода, 1% хрома, 0,2% молибдена, 0,01% ванадия и 0,83% марганца, была азотирована в соответствии с описанной выше процедурой.
2
2
2
Микротвердость переходного слоя составляет 1000±70 кг/мм, а его толщина равна 20±5 микрометров. Эта твердость равна 600±50 кг/мм на 50 микрометров от поверхности и быстро уменьшается, достигая 420±50 кг/мм на 200 микрометров глубины, что по существу является твердостью сердцевины.
Испытание трением приводит к заеданию после 25 мин испытания; металлургическая экспертиза деталей после испытания показывает, что переходный микрослой стерся местами, и задиры появляются сразу же в местах, где микрослой отсутствует.
Пример 2: не соответствует изобретению (40 CrAlMo 6-12)
Пластина, выполняющая роль опоры, выполнена из стали, содержащей 0,44% углерода, 1,6% хрома, 0,32% молибдена, 0,12% никеля и 1% алюминия. Эта сталь была азотирована по описанной выше технологии.
2
2
2
Металлургический анализ показывает наличие переходного микрослоя твердостью 1300±100 кг/мм и толщиной 20±5 микрометров. Твердость составляет еще 820±50 кг/мм на глубине 50 микрометров и стабилизируется в значении 330±20 кг/мм на глубине 200 микрометров, что соответствует твердости сердцевины. Профиль твердости соответствует ожидаемому эффекту, поскольку сталь была разработана для этой цели.
Испытание трением производилось в идентичных условиях, на образце появляются первые признаки заедания после 10 минут испытания, а полное заедание проявляется после 60 минут испытания.
Микрографическое исследование детали после трения показывает, что микрослой стерся местами; эти зоны, в которых сталь обнажается, становятся очень чувствительными к заеданию.
Это незначительное улучшение характеристик по сравнению со случаем, представленным в примере 1, является прогнозируемым и может быть связано с более высокой твердостью поверхностных слоев.
Пример 3: согласно изобретению (32 CrMoV 13)
Пластина, выполняющая роль опоры, выполнена из стали, содержащей 0,27% углерода, 2,9% хрома, 0,88% молибдена, 0,26% ванадия и 0,12% никеля; она была азотирована по описанной выше процедуре.
2
2
2
Металлургическое исследование этой пластины показало наличие переходного микрослоя, толщина которого составляет 20±5 микрометров, а твердость равна 1150±100 кг/мм. На глубине 50 микрометров твердость равна 770±50 кг/мм и стабилизируется в значении 350±20 кг/мм на глубине 200 микрометров, что по существу соответствует твердости сердцевины.
Испытание трением показывает появление следов заедания после 140 минут испытания, исследование трущейся зоны показало, что переходный микрослой полностью не стерся, остаточная толщина составляет 5-8 микрометров. На внешний вид деталь блестит и не содержит задиров; зато на противоположной детали после остановки испытания наблюдаются микрозадиры.
Это улучшение характеристик ни в коем случае не связано с первоначальной толщиной микрослоя, с его твердостью или с изменением твердости в зависимости от толщины, так как, с учетом точности измерения, эти величины вполне сравнимы с величинами, полученными в примере 2, результаты которого были гораздо менее хорошими.
Пример 4: согласно изобретению (15 CrMnMoV 9)
Пластина, выполняющая роль опоры, выполнена из стали, содержащей 0,15% углерода, 1,25% марганца, 2,14% хрома, 0,47% молибдена, 0,48% никеля и 0,17% ванадия; она была азотирована по описанной выше процедуре.
2
2
2
Ее металлургическое исследование выявило на поверхности переходный микрослой, толщина которого составляет 20±4 микрометра, а твердость - 1100±100 кг/мм. На 50 микрометров глубины твердость равна 780±50 кг/мм, и она стабилизируется, начиная с 200 микрометров глубины на значении 350±20 кг/мм.
Испытание трением показывает появление первых признаков заедания после 150 мин испытания; после разборки осмотр пластины показывает, что переходный микрослой полностью стерся, но пластина имеет однородный гладкий внешний вид, микрозадиры появились только на противоположной детали.
Пример 5: согласно изобретению (18 CrMo 7)
Пластина, выполняющая роль опоры, выполнена из стали, содержащей 0,18% углерода, 2% хрома, 0,5% молибдена, 0,15% никеля, 0,7% марганца и 0,01% ванадия. Эта сталь была азотирована по описанной выше процедуре.
2
2
2
Металлургический анализ показал наличие переходного слоя твердостью 1150±100 кг/мм и толщиной 13±5 микрометров, твердость остается равной 770±50 кг/мм на глубине 50 микрометров под переходным микрослоем и стабилизируется на значении 300±50 кг/мм в сердцевине.
При испытании трением в указанных условиях образец имеет первые признаки заедания после 225 минут испытания, что является примечательным.
Примеры 6-8: не соответствуют изобретению
Составы
Обозначение сталей согласно стандарту
%С
%Cr
%Mo
%V
%Mn
15 CrMoV 6
0,15
1,25
0,8
0,2
0,8
30 CrMo 12
0,3
3
0,4
0
40 CrMnMo 8
0,38
2
0,2
0,1
Поверхностные характеристики после азотирования
Обозначениепо стандарту
Толщина переходного слоя (мкм)
Твердость переходного слоя (кг/мм<sup>2</sup>)
Твердость на 50 мкм под слоем (кг/мм<sup>2</sup>)
Твердость в сердцевине (кг/мм<sup>2</sup>)
15 CrMoV 6
15±5
1180±100
770±50
400±50
30 CrMo 12
20±5
1120±100
720±50
360±50
40 CrMnMo 8
13±5
1050±100
700±50
320±50
Характеристики при трении
Обозначение согласно стандарту
Срок службы до заедания (мин)
15 CrMoV 6
15
30 CrMo 12
21
40 CrMnMo 8
26
Эти не ограничительные примеры показывают совершенно неожиданный характер результатов, полученных на деталях, выполненных из азотированных сталей в соответствии с настоящим изобретением; при этом поверхностная твердость, по всей видимости, не влияет на феномен (значения твердости сталей 1 и 2 находится близко за пределами интервала значений трех сталей 3-5 в соответствии с настоящим изобретением как по поверхности, так и по глубине); отмечается, что, если направляющий элемент выполнен из рядовой конструкционной или «азотированной» стали, но ее состав не входит в заявленный интервал, износоустойчивость переходного слоя является посредственной, и его локальное истирание под действием износа немедленно приводит к заеданию, тогда как при выполнении направляющего элемента из стали в соответствии с настоящим изобретением переходный микрослой при равной твердости не только не изнашивается столь же быстро, но и нижележащая диффузионная зона тоже проявляет удивительные трибологические свойства, так как она не ведет к заеданию, и это явление, в конечном счете, проявляется только в последний момент на противоположной детали. Срок службы детали направляющего элемента увеличивается в 2,5-5 раз в зависимости от случая, что является существенным преимуществом.
Можно отметить, что в вышеуказанных примерах происходит существенное улучшение характеристик устойчивости против заедания по сравнению с известными решениями без повышения твердости белого нитридного слоя и без существенного увеличения глубины упрочнения (которая, как правило, меньше 500 микрон в отличие от того, что достигается, например, документом WO-00/18 975).
Объяснения этому феномену пока нет.
Как было указано выше, изобретение применяется, в частности, для системы вал-опора, в которой опору выполняют из стали с составом в соответствии с настоящим изобретением, а вал может быть выполнен из любого совместимого материала, в частности из стали, такой как сталь, упрочненная при помощи любого способа, твердость которой превышает 55 по шкале С.Роквелла. Речь может идти, в частности, о стали, выбранной из группы, в которую входят цементованные стали, закаленные стали, доведенные по составу стали, ВЧ закаленные и отшлифованные стали, упрочненные стали, покрытые твердым хромом, азотированные стали, стали с покрытием из керамики и другие нитроцементованные стали.
В варианте, из стали в соответствии с настоящим изобретением выполняют вал такой системы вал-опора, а опору выполняют из материалов, перечисленных в предыдущем абзаце. В частном случае систем с коленчатым валом или кулачковым валом вышеуказанную сталь применяют для выполнения шатунной шейки или коренной шейки коленчатого вала или кулачкового вала.
Изобретение применяется и для многих других пар направляющих элементов, описанных, например, в вышеупомянутом документе EP 0987456; так, вышеуказанную сталь можно использовать для выполнения, в частности, салазок или ползуна пары салазки-ползун, или шаровой опоры или чашки для системы с шаровой опорой.
Оба направляющих элемента одной пары можно выполнять из стали, отвечающей вышеприведенному определению, например из сталей, имеющих одинаковых состав.
Точно так же, одна из поверхностей предпочтительно содержит полости, выполненные несквозными и/или содержащие покрытие (речь может идти о детали, выполненной из заявленной стали) из полимера или сополимера, в частности, выбранного из группы, в которую входят полиимиды, полиимиды с наполнителем, эпоксидные смолы, эпоксидные смолы с наполнителем, полиацетатные смолы, полиэтилен, замещенные или незамещенные фторуглероды, полиэтилентерефталат, полиэфирсульфон, полиамиды и полиэфирэфиркетон.