专利名称：粉冶零件的水蒸汽氧化的制作方法
技术领域：
本发明涉及粉末冶金，更具体地涉及在粉冶零件上形成保护层的过程。
背景技术：
在许多应用中，粉末冶金是铁金属与有色金属零件传统制造方法合乎需要的替代。粉末冶金过程包括混合元素态或合金态粉末，在压模中压制混合物，烧结制得的零件使粉末金属颗粒冶金结合。采用这种方法可以制造包括具有复杂轮廓的各种零件，而不会产生机械加工方面的成本。
但是随着粉冶零件应用的拓展，粉冶零件在摩擦应力环境(比如，包括摩擦，磨损，碰擦，或其他物理应力)中的应用日益增加。但是粉冶零件具有较低的耐磨损和耐碰擦性，会导致过早损坏，特别是在许多滑动应用中。
可以通过粉末冶金制造应用于摩擦应力环境中的零部件，比如止推轴颈和止推垫圈。这些零部件可以在各种旋转与滑动应用，碰撞力应用和其他应用中提供支撑面。止推垫圈和止推轴颈可以被用于机器的传动系中，使传动系统中各零部件(比如行星齿轮架，行星垫座，中心齿轮，内齿轮，侧齿轮，驱动轴等)的碰擦和摩擦滑动所产生的磨损最小或防止出现磨损现象。由于粉冶止推轴颈和止推垫圈的耐磨损和耐碰擦性比较低，这些零部件可能需要频繁更换。因此，需要提高粉冶零件的耐磨损和耐碰擦性，以延长粉冶止推垫圈和止推轴颈零部件的使用寿命。
已经提出了至少一种提高粉冶零件耐磨损性的方法。如“ASM手册粉冶技术和应用(第7卷)”中所述，可以对粉冶零件进行水汽氧化，以提高这些零件的耐磨损性。在所述过程中，以510到570℃之间的温度在水蒸汽中加热粉冶零部件，形成氧化物表面层。该层明显比粉冶基体材料更硬，能够填充零部件的表面孔隙。但是如ASM手册中所述，表面层对下方粉冶基体材料的粘性受到水汽氧化过程中处理时间和温度的强烈影响。处理温度超过570℃时，表面氧化层会发生剥落。而且，ASM手册指出，为了防止表面层因为表面拉伸应力而发生剥落，表面氧化层的最大厚度应当不超过7微米。
虽然ASM手册中所公开的水蒸汽氧化过程能够提高某些粉冶零件的耐磨损和耐碰擦性，但是，由上述过程形成的表面氧化层不足以满足许多应用的要求。比如，止推轴颈和止推垫圈等许多零件所暴露的环境可能是小于7微米的表面氧化层提供的耐磨损和耐碰擦性所无法满足的。所以，ASM手册中所述的水蒸汽氧化过程可能无法明显地延长某些粉冶零件的使用寿命。
本发明涉及克服现有水蒸汽氧化技术一种或多种缺陷的方法。
发明概述本发明一方面包括在粉冶零件上形成氧化层的方法。该方法包括对粉冶零件进行水蒸汽氧化处理，在粉冶零件上形成氧化层。该氧化层的厚度大于7微米。
本发明另一方面包括具有至少一个耐磨损表面(wear surface)的粉冶零部件。氧化层位于粉冶零部件的至少一个耐磨损表面上。该氧化层的厚度大于7微米。
附图简要说明附
图1所示为用于本发明粉冶零件水蒸汽氧化过程的炉。
附图2所示为具有水蒸汽氧化所形成保护氧化层的粉冶零部件的截面显微照片。
附图3所示为用于采集耐碰擦性能数据的设备。
附图4所示为没有保护氧化层的粉冶零部件的耐碰擦数据。
附图5所示为具有水蒸汽氧化所形成保护氧化层的粉冶零部件的耐碰擦性数据。
具体说明附图1所示为对粉冶零件进行水蒸汽氧化处理的炉10。炉10包括温度控制器12，与水蒸汽源(未示出)相连的水蒸汽供应阀14，排气阀16，炉膛18和一个或多个加热单元(未示出)。
在所公开的实施例中，可以将粉冶零部件置于炉膛18中，使用温度控制器12在炉膛18中产生要求的时间-温度曲线。可以手动调节温度控制器12，或者用计算机或其他控制器自动调节温度控制器12，与炉膛18中的预定或程序设定时间-温度曲线一致。
可以调节水蒸汽供应阀14，控制进入炉膛18中的水蒸汽量。在所公开的水蒸汽氧化过程中，水蒸汽供应阀14可以处于完全打开位置，完全关闭位置，或者任何部分打开位置。而且与温度控制起12相同，可以手动或自动(比如使用控制器和一个或多个执行机构)调节水蒸汽供应阀14，在炉膛18中产生要求的水蒸汽对时间曲线。
类似的，可以通过调节排气阀16进一步控制炉膛18内的水蒸汽量。比如，处于关闭位置时，排气阀16使流出炉膛18的水蒸汽最少，或者在理想状态，为零。处于部分到完全打开状态时，可以通过排气阀16来控制通过炉膛18的水蒸汽流量。在一个实施例中，可以与水蒸汽供应阀14一起，独立或串联地手动或自动调节排气阀16，提供通过炉膛18的符合要求的水蒸汽流量。采用这种方式，能够在零和最大值之间调节水蒸汽流量。在某些应用中，根据预定的时间-流量曲线控制水蒸汽流量。
所公开的水蒸汽氧化过程可以用于任何合适的粉冶零部件。可以用于制造粉冶零部件的金属包括，比如铝，锑，铍，铋，黄铜，青铜，碳钢，铬，钴，铜，铜合金，渗铜钢，铜钢，渗铜铁，金，铁，铁钢，铁-铜-钢，铁-镍-钢，低合金钢，镁，锰，钼，镍，镍银，镍钢，钯，铂，银，烧结硬化钢，不锈钢，钢，钽，锡，钛，钨，碳化钨，和这些物质的其他适用合金。
对于铁金属粉冶零件，所公开的水蒸汽氧化过程能根据以下化学反应式形成氧化铁层。
因此，通过这个反应，在铁金属粉冶零件上形成的氧化层中可能含有铁的氧化物(Fe3O4)。
所公开的水蒸汽氧化过程中可能包括以预定方式加热粉冶零件和将粉冶零部件暴露于水蒸汽中。可以将该零部件在水蒸汽中暴露一段时间进行加热。
在一个公开的实施例中，水蒸汽氧化过程包括将一个或多个粉冶零件置于炉10的炉膛18中。将炉膛18升温至第一温度，并保持第一预定时间。第一温度在大约350到390℃的范围内。在一个实施例中，第一温度约为360℃。第一预定时间为大约1到2小时。在一个实施例中，第一预定时间约为1.5小时。
接着，用水蒸汽供应阀14将水蒸汽引入炉膛18中。打开排气阀16，使水蒸汽通过水蒸汽供应阀14流入炉膛中，保持水蒸汽流。进入炉膛18中的水蒸汽量足以在其中维持正压。
引入水蒸汽之后，将炉膛18升温至第二温度，并保持第二预定时间。第二温度在大约460到500℃的范围内。在实施例中，第二温度可以约为482℃。第二预定时间可以在大约10到30分钟之间。在实施例中，第二预定时间约为20分钟。
接着，关闭排气阀16，维持炉膛18中的水蒸汽环境，但是不存在连续的水蒸汽供应流(比如，可以保持打开水蒸汽供应阀14，但是关闭排气阀16)。使水蒸汽在炉膛18内保持第三预定时间。第三预定时间可以在大约15到45分钟之间。在实施例中，第三预定时间约为30分钟。
然后升高炉膛18内的温度至第三温度，并保持第四预定时间。第三温度在大约570到610℃的范围内。在实施例中，第三温度约为593℃。第四预定时间在大约30分钟到1小时之间。在实施例中，第四预定时间约为45分钟。
然后，降低炉膛18内的温度至第四温度，关闭水蒸汽供应阀14，打开排气阀16使过量水蒸汽逸出。最后，在油中淬冷粉冶零件。第四温度可以在大约350到390℃的范围内。在实施例中，第四温度约为371℃。
所公开的水蒸汽氧化过程能在粉冶零件表面上形成氧化层。在实施例中，该氧化层的厚度超过7微米。在另一个实施例中，该氧化层的厚度在大约8和11微米之间。在另一个实施例中，该氧化层的厚度在大约9和10微米之间。
附图2所示为所公开水蒸汽氧化方法形成的粉冶样品20的截面显微照片。附图2的显微照片是使用Olympus AX-70光学显微镜获得的。如图所示，样品20中包括粉冶基体材料22和形成于基体材料22上的保护氧化层24。氧化层24基本均匀地覆盖基体材料22的表面。氧化层24的厚度大于7微米，氧化层24的平均厚度在大约8到11微米之间。如附图2所示，氧化层24主要部分的平均厚度约为9微米。
工业适用性所公开的水蒸汽氧化过程能提高粉冶零部件的摩擦性能。比如，在这些零部件表面上形成的氧化层比下方粉冶材料更耐磨损和碰擦。因此，本发明的粉冶零件和过程能被用于要求粉冶零件具有提高的耐磨损和耐碰擦性的应用中。所公开水蒸汽氧化过程的保护层的某些应用包括止推垫圈，止推轴颈，止推轴承，套筒轴承，燃料泵转子，链轮，齿轮，凸轮，辊子，小齿轮，活塞，轴承板，阀导承，阀座，阀齿轮，阀板，转子，转子保持架，蜗轮，转换凸轮，滑动套筒，启动齿轮，法兰，汽缸，连杆，磁性执行器，机械二极管，正齿轮，和其他适用零部件。
在粉冶零件上通过水蒸汽氧化所形成氧化层的物理性质取决于加工条件和形成该层的步骤。比如，与现有技术的水蒸汽氧化过程相比，所公开的水蒸汽氧化过程能形成比传统方法更厚的氧化层。这些更厚的氧化层能为粉冶零部件提供额外的耐磨损和其他物理应力的保护。而且，由所公开的水蒸汽氧化过程形成的更厚氧化层(比如大于7微米)不会象传统过程形成的氧化层那样，从粉冶基体材料上发生剥落。
具有所公开水蒸汽氧化过程形成的保护氧化层的粉冶零部件对碰擦表现出明显的承受能力。附图3所示为用于测量耐碰擦性的”环上块”测试设备40。当两个表面在滑动接触和负载下紧密配合时会产生碰擦。表面之间的摩擦所产生的热量会导致局部熔化和/或粘接。结果是物质从一个表面被转移到另一表面，反之亦然，紧密配合的表面会变粗糙。粗糙度提高会导致更大的摩擦，从而产生更多热量，进一步产生碰擦。
“环上块”测试设备40中包括固定的样品块44，其中包括待测量的材料样品。样品块44与旋转环46接触。通过使用已知作用力将旋转环46按压在样品块44上，监控旋转环46和样品块44之间滑动界面50的阻力，能够确定样品块44的摩擦系数。以预定的时间间隔，逐渐增加旋转环46上的负载，能够观察到对摩擦系数的影响。碰擦开始即所观察到的样品块44摩擦系数突然增加时。
附图4是在没有保护氧化层的粉冶零部件上获得的耐碰擦性数据。曲线56表示作为时间函数的旋转环46上所施加负载。具体地说，以大约1分钟的间隔，每次以5磅作用力逐渐增加负载，直到发生碰擦破坏。测试时的滑动速度为1.84米/秒。测试条件的汇总如下表中所示。
测试条件
附图4中的曲线58，表示不包括水蒸汽氧化所形成氧化层的粉冶零部件的摩擦系数。如曲线58所示，无涂层样品的摩擦系数约为0.06到0.08，直到应用负载增加到55磅作用力。在该负载条件下，曲线58中表现出无涂层粉冶样品的摩擦系数急剧增加。因此，对于没有保护氧化层的粉冶样品，在大约6.5分钟和55磅作用力的负载下发生碰擦破坏。
附图5是具有所公开水蒸汽氧化方法形成的保护氧化层的粉冶零部件的耐碰擦数据。曲线60表示作为时间函数的施加于旋转环46的负载。具体地说，以大约1分钟的间隔以每次10磅作用力逐渐增加负载，直到发生碰擦破坏。测试时的滑动速度为1.84米/秒。曲线62表示氧化物涂层粉冶零部件的摩擦系数数据。如曲线62所示，样品的摩擦系数约为0.07到0.1，直到应用负载增加到大约400磅作用力。在该负载条件下，曲线62表现出涂层粉冶样品的摩擦系数急剧增加。因此，对于具有所公开水蒸汽氧化过程形成的保护氧化物涂层的粉冶样品，在大约43分钟和400磅作用力的负载下发生碰擦破坏，几乎比附图4中曲线58所示无涂层样品的耐碰擦性能提高了8倍。
可以在不超过所公开范围的情况下，对该水蒸汽氧化方法和氧化层进行各种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。另外，参考本说明书之后，水蒸汽氧化方法和氧化层的其他实施例对于本领域技术人员而言也是显而易见的。说明和实例仅作为例证，所公开的确切范围由以下权利要求及其等同项所确定。
权利要求
1.在粉冶零件上形成氧化层的方法，包括对粉冶零件进行水蒸汽氧化处理；和在粉冶零件上形成氧化层；其特征在于氧化层的厚度超过7微米。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于氧化层的厚度在大约8到11微米之间。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于对至少一个粉冶零件进行水蒸汽氧化处理进一步包括将粉冶零件置于炉中；将炉升温至第一温度并在该第一温度保持第一预定时间；和向炉中引入水蒸汽。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于第一温度在大约350到390℃之间，第一预定时间为1到2小时，向炉中引入水蒸汽包括使水蒸汽流过炉。
5.如权利要求3所述的方法，进一步包括将炉升温至第二温度并在该第二温度保持第二预定时间；保持炉中的水蒸汽处于基本不流动的状态，维持第三预定时间；将炉升温至第三温度并在该第三温度保持第四预定时间；将炉降温至第四温度；和对粉冶零件进行淬冷。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于第二温度在大约460和500℃之间，第二预定时间在10到30分钟之间，第三预定时间在15到45分钟之间，第三温度在大约570和610℃之间，第四预定时间在30分钟和1小时之间，第四温度在大约350和390℃之间。
7.粉冶零部件，包括至少一个耐磨损表面；和位于粉冶零部件该耐磨损表面上的氧化层；其特征在于该氧化层的厚度大于7微米。
8.如权利要求7所述的粉冶零部件，其特征在于粉冶零部件包括止推轴颈。
9.如权利要求7所述的粉冶零部件，其特征在于粉冶零部件包括止推垫圈。
10.如权利要求7所述的粉冶零部件，其特征在于氧化层包括铁的氧化物，该氧化层厚度在大约8到11微米之间。
全文摘要
在粉冶零件上形成氧化层的方法，包括对粉冶零件进行水蒸汽氧化过程。在粉冶零件上形成氧化层。该氧化层的厚度大于7微米。
文档编号C23C8/16GK1727515SQ20051008935
公开日2006年2月1日 申请日期2005年7月29日 优先权日2004年7月29日
发明者H·K·永恩, T·E·克莱门茨, D·P·韦坦藤, D·A·丘萨克 申请人:卡特彼勒公司