专利名称：滑动件及其制造法的制作方法
发明
背景技术：
领域本发明一般涉及一种滑动件，如内燃机的气门挺杆，和滑动件的制造方法。
相关技术简介日本公开实用新型公开H4-121404公开了一种气门挺杆，该气门挺杆有一个垫片，它与驱动内燃机进气/排气阀的凸轮滑动接触。气门挺杆垫片需要有一个表面粗糙度足以能使摩擦降到最低限度的滑动面。同时该滑动面必须达到足够的硬度，以防止滑动面过度磨损和防止由于磨损造成滑动面的表面粗糙度增大而使摩擦增大。
因此，人们已知通过研磨加工使滑动件(例如气门挺杆)的基体金属变得平滑，且具有高精度，随后再通过物理汽相沉积法(PVD)，在该滑动件的表层滑动面上形成一个硬金属保护层，如氮化钛层。
需要一种与上述现有技术相比，摩擦更小、耐用性更高、成本更低的滑动件。本发明致力于满足先行技术的这一需要和对熟悉本发明公开技术的人们将会显得更加明显的其他一些需要。
发明简介已经发现，当通过物理汽相沉积法在滑动面上形成硬金属镀层时，需要用真空炉完成这一过程。相应地，一次只能处理有限数量的工件。因此，使滑动件或凸轮从动件的制造成本很高。正是上述问题孕育出本发明。
本发明的目的之一是提供一种摩擦小、耐用性高和成本低的滑动件。
根据本发明的一个方面，制造的滑动件包括基体金属、扩散层和复合层。扩散层具有第一预定厚度并覆盖基体金属。复合层具有第二预定厚度并覆盖扩散层。扩散层和复合层是通过渗氮过程在基体金层上形成。复合层的第二预定厚度通过对复合层最外层部分进行抛光过程而形成，因而使通过渗氮过程形成的复合层的初始厚度减小而成为复合层的第二预定厚度，以便保持一个光滑的顶部滑动表面。
本发明的这些和其他目的、特征、方面和优点都将通过下列详细说明使对本领域的技术人员来说显而易见。详细说明结合附图公开了本发明的一个优选实施例。
附图简介现在参看成为本发明首次公开的一部分附图
图1是按照本发明一个实施例制造的具有气门挺杆(滑动件)的内燃机用阀动器组件部分示意图；图2是按照本发明一个实施例制造的气门挺杆(滑动件)的横断面图；图3是气门挺杆表层滑动面上完成磨轮抛光过程之前、气门挺杆选择部分的部分放大横断面图；图4是气门挺杆表层滑动面上完成磨轮抛光过程以后、气门挺杆选择部分的部分放大横断面图；图5是气门挺杆选择部分的部分放大横断面图，表示气门挺杆表层滑动面利用气体氮碳共渗处理形成的扩散层和复合层；以及图6是气门挺杆硬度(取决于氮浓度)与气门挺杆表层滑动面厚度的关系特性曲线图。
优选实施例详细说明现参照附图解释选定的本发明实施例。显然，对本领域的技术人员来说，本公开提供下列本发明实施例描述的目的只是为了说明，而不是为了限制如所附权利要求及其同等内容所规定的本发明。
首先参看图1，概略地表示内燃机(未示出)阀动器组件10的一部分，以便解释本发明的第一实施例。阀动器组件10包括一个凸轮轴上的凸轮11，它与以气门挺杆12形式出现的凸轮从动件(滑动件)实现运行接触，从而带动进气/排气阀13运动。
从图2可看出，成品气门挺杆12呈下开式圆柱形。气门挺杆12按传统方法与进气/排气阀13联接。气门挺杆12位于进气/排气阀13和凸轮轴上的凸轮11之间，凸轮轴与曲轴(未示出)一起转动。气门挺杆12有一个起着凸轮滑动面作用的表层滑动面12a，该表层滑动面与凸轮轴上的凸轮11滑动接触。上述表层滑动面12a的表面精加工按下面所述完成。
由图3和5看出，按照本发明制造的滑动件或气门挺杆12包括由覆盖在基体金属16上的复合层14和扩散层15构成的表层滑动面12a。特别是，表层滑动面12a最好用渗氮过程在气门挺杆12的基体金属16上形成。复合层14和扩散层15都具有初始预定厚度，该厚度是通过渗氮过程在气门挺杆12的基体金属16上最初形成的。复合层14的初始预定厚度在图3中以“t0”示出。在基体金属16上完成渗氮过程后，在复合层14的最外层部分14a上进行轻微的抛光过程，从而仅仅保留复合层14的分层14b和分层14c。换言之，经过抛光过程，复合层14的最外层部分14a被完全去除。从而，由渗氮过程形成的复合层14的初始厚度“t0”(图3)减小到复合层14的最终预定厚度“t”(图4)，从而保留光滑的滑动面12a。可以说，是用按表层滑动面12a的轮廓加工的方法轻微地抛光复合层14，形成表层滑动面12a，从而获得均匀的面层。
上述渗氮过程是一种使氮扩散到基体金属16内，以硬化外表面的方法。本发明设想的一些渗氮过程包括只使氮渗入的纯渗氮过程和使氮和碳同时渗入的氮碳共渗处理。更确切地说，使用氨气的气体渗氮过程；使用氰化物盐浴和氰酸盐浴的盐浴渗氮过程；使用氰酸的液体渗氮过程；使用氨气和渗碳气的气体氮碳共渗处理和电离氮高速撞入基体金属的电离渗氮过程。特别是气体氮碳共渗是一种无污染处理方法，因为不会产生氰。此外，气体氮碳共渗处理能以稳定而连续的方式进行。所以，能保持很低的制造成本。因此，气体氮碳共渗更适用于本发明。
透过图5示出的这种渗氮过程可看出，扩散层15和复合层14是用层叠法在基体金属16上形成的。从这一渗氮过程看出，扩散层15中的氮(N)浓度较低，复合层14中的氮(N)浓度较高。由于金属的硬度随氮浓度的增大而增大，故复合层14的硬度大于扩散层15的硬度。从而使滑动表面12a的硬度随渗入深度的增加而减小，因为如图6中曲线所示，氮浓度在减小。
然而，由于复合层14的初始厚度“t0”非常小(最好为5微米至15微米)，如果采用传统的研磨加工使表层滑动面12a达到均匀平滑的话，则整个复合层14都可能被磨掉，从而可能使扩散层15部分外露。
因此，本发明仅仅是抛光复合层14的最外层部分14a，而复合层14的另外两个部分14b和14c则保留。换言之，用按滑动面12a轮廓加工的方法轻微地抛光复合层14的表面。因此，保留的复合层14能起到高硬度保护膜的功能。相应地，也能以低成本加工出具有高滑动性和高耐用性的气门挺杆12。
可以使用不同的钢材，例如碳素钢、合金钢、工具钢和其他钢材，作为基体金属16。典型的是采用经过渗碳、淬火和回火处理的铬钼合金钢。事先在要进行渗氮过程的外表面上完成适当的研磨和/或抛光过程。
在优选实施例中，基体金属16最好是一种经过锻造、渗碳、淬火和回火，从而使表面硬度等于或大于58HRC，有效厚度达到0.7-1.1毫米的锻造钢(SCM420H)。然后对其进行表面抛光过程，以使外表面的表面粗糙度大约为Ra0.02。此后，再进行气体氮碳共渗处理，以使外表面的表面硬度等于或大于660HV，使复合层14的厚度等于或大于7微米。采用这种方法时，如图3所示，扩散层15和复合层14都具有初始预定厚度，这些厚度都是用层叠法在基体金属上形成的。
其次，如图4所示，进行磨轮抛光过程，以使最终表层滑动面12a的表面粗糙度等于或小于Ra0.02，并使保留的复合层14厚度“t”最好等于或大于2.5微米。在进行磨轮抛光过程中，用按表层滑动面12a轮廓加工的方法完成抛光，以使复合层14具有大约2.5微米至10微米的保留厚度或最终厚度“t”。所以，只对复合层14的最外部分进行轻微均匀地抛光。换言之，被磨轮抛光所磨掉的复合层14的厚度是非常小的，大约为3微米至5微米。
在按照本发明制造的气门挺杆12中，在基体金属16上保留着坚硬的复合层14，以形成滑动表面12a，因此，与研磨加工后用物理汽相沉积法单独镀的坚硬膜相比，其制造费用在保证摩擦减小效果和耐用性基本相同的条件下大约可减少一半。
此外，通过对阀挺件12的表层面12a进行磨轮抛光过程，该表层面12a的周边棱角被完全磨圆。因而，不再需要单独进行倒棱工序。
能够依照表面轮廓进行的表面处理方法之一是磨轮抛光法。磨轮抛光是一种在研磨过程中使用磨粒的表面精制法。不过，磨轮抛光使用的是由软弹性的布料、毡或皮革制成的磨轮，而不是硬金属研磨具。因此，如上所述，仅能轻微地抛光最外层部分，以符合表面的轮廓。所以，磨轮抛光过程适用于本发明。
换言之，如果在上述复合层14上完成研磨具抛光过程，虽然能使表面很好地变得光滑，但却很难为复合层14保留一个薄薄的均匀层，因此不能达到本发明的效果。
再参阅图5，渗氮过程在复合层14的最外层部分14a中形成ε相(Fe2N-Fe3N)，而渗氮过程也在ε相内形成ε+γ′相和γ′相。复合层14的ε相的韧性低于留下的复合层14的分层14b和14c的韧性。因此，复合层14的最外层部分14a作为气门挺杆12的滑动面12a不是最佳的。所以，在本发明中，上述抛光过程充分磨掉了这个最外层部分14a，其结果是使具有ε+γ′相和γ′相的分层14b和14c外露。因而渗氮过程形成的ε相不会产生负面影响。
如果抛光过程前复合层14的初始厚度“t0”小于5微米，那就很难保证抛光过程后的被处理金属层的厚度。如果复合层14的初始厚度“t0”大于15微米，则可能形成具有孔隙的多孔层。所以，渗氮过程形成的复合层14的初始厚度“t0”在抛光过程前最好是5微米至15微米。
此外，如果抛光过程后复合层14的最终预定厚度“t”小于2微米，则在使用过程中复合层14可能磨损。上述的ε相也可能被保留下。如果抛光过程后复合层14的最终预定厚度“t”超过10微米，则如上所述，在形成复合层14的时候可能形成多孔层。因此，抛光过程后复合层14的最终预定厚度“t”最好是2微米至10微米。
如果抛光过程后复合层14的表面12a的表面粗糙度小于Ra0.01，则难于以大规模生产方式来完成后续过程。另一方面，如果表面粗糙度大于Ra0.05，则不能获得足够的摩擦减小效应。所以，抛光过程后复合层14的表面粗糙度最好是Ra0.01～0.05。
当然，熟悉本发明公开技术的人们都会明白本发明的范围不仅限于气门挺杆，而是包括能采用本发明其他类型的滑动件。因此，本发明的范围不限于这些公开的实施例。其他一些滑动件的实例包括与进气/排气阀凸轮邻接滑动定位的垫片；凸轮从动件，如摇臂等；活塞环和各种支承件。
然而，由于在本发明中是以按滑动件表面轮廓加工的方法来完成轻微抛光过程，故本发明特别适用于像凸轮从动件这样的滑动件。更准确地说，对于凸轮从动件，滑动面的表面粗糙度减小比滑动面的光滑度更重要。在任何情况下，采用本发明就能提供低成本、高滑动性和高耐用性的滑动件。
本文中使用的一些表示程度的术语，如“基本上”、“大约”和“近似于”等意指偏离所修饰的术语、而不会明显改变其最终结果的合理程度。例如，这些术语可被解释为包括至少是被修饰术语±5％以内的偏差，如果该偏差不会否定它所修饰的词的意义的话。
本申请要求给第2000-286497号日本专利申请书以优先权。第2000-286497号日本专利申请书的全部公开内容都作为依据包括在本申请书内。
只是选择一些选取的实施例来说明本发明，而熟悉本发明公开技术的人们都会明白在不违反本发明所附权利要求规定范围内，可以对文中实施例作出各种不同的变更和修改。此外，提供上述本发明实施例的描述的目的只是为了说明，而不是为了限制如所附权利要求及其同等内容所规定的本发明。因此，本发明的范围不限于公开的实施例。
权利要求
1.一种滑动件，包括一个基体金属；一个以预定厚度覆盖所述基体金属的扩散层；和一个以第二预定厚度覆盖所述扩散层的复合层，通过渗氮过程在所述基体金属的外表面上形成所述扩散层和所述复合层，且通过在所述复合层的最外层部分上进行抛光过程而形成所述复合层的所述第二预定厚度，使得通过所述渗氮过程形成的所述复合层的初始厚度减小到所述复合层的所述第二预定厚度，从而保留一个光滑滑动表面。
2.如权利要求1所述的滑动件，其特征在于通过所述抛光过程形成的所述复合层的所述第二预定厚度具有基本上均匀的厚度，因为所述抛光过程是按所述基体金属的所述外表面轮廓进行的。
3.如权利要求1或2所述的滑动件，其特征在于形成所述光滑滑动表面的所述抛光过程是抛光轮抛光过程。
4.如权利要求1至3中任何一项所述的滑动件，其特征在于所述滑动件是一个凸轮从动件，它与驱动内燃机进气阀或排气阀的凸轮滑动邻接。
5.如权利要求1至4中任何一项所述的滑动件，其特征在于完成所述抛光过程前复合层的所述初始厚度为5微米至15微米。
6.如权利要求1至5中之一所述的滑动件，其特征在于完成所述抛光过程后所述复合层的所述第二预定厚度为2微米至10微米。
7.如权利要求1至6中任何一项所述的滑动件，其特征在于完成所述抛光过程后所述复合层的所述光滑滑动表面具有表面粗糙度为Ra0.01至0.05。
8.一种制造滑动件的方法，包括通过渗氮过程在所述滑动件的基体金属上形成具有预定厚度的扩散层和复合层；和在所述复合层的最外层部分上进行抛光过程，使得所述复合层的所述预定厚度被减小从而保留一部分所述复合层以便在所述滑动件上形成光滑滑动表面。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于所述抛光过程是抛光轮抛光过程。
10.如权利要求8或9所述的制造方法，其特征在于所述滑动件是凸轮从动件，该凸轮与驱动内燃机进气阀或排气阀的凸轮滑动邻接。
11.如权利要求8至10中任何一项所述的制造方法，其特征在于完成所述抛光过程前所述复合层的厚度为5微米至15微米。
12.如权利要求8至11中任何一项所述的制造方法，其特征在于完成所述抛光过程后所述复合层的所述预定厚度为2微米至10微米。
13.如权利要求8至13中任何一项所述的制造方法，其特征在于完成所述抛光过程后所述复合层的所述光滑滑动表面具有的表面粗糙度为Ra0.01至0.05。
全文摘要
公开一种具有高滑动性、高耐用性和低成本的滑动件(12)。该滑动件(12)的表层滑动面(12a)通过渗氮过程形成，这种处理使在滑动件(12)的基体金属(16)上形成复合层(14)和扩散层(15)。在复合层(14)的最外层部分(14a)上进行轻微地磨轮抛光过程，从而保持一个复合层部分(14b和/或14c)。
文档编号C23C8/80GK1392918SQ01802832
公开日2003年1月22日 申请日期2001年8月13日 优先权日2000年9月21日
发明者石原基固 申请人:日产自动车株式会社