专利名称:机械零件的制作方法
本发明涉及一种具有耐磨表面的机械零件，该零件能与由纸、橡胶、塑料、树脂、陶瓷和金属组成的集合里挑选的构件实行接触。
众所周知，由于钢铁具有优良的机械性能，例如强度，延展性，韧性，硬度等等，因此相对其它金属来说，它被当作机械材料，结构材料等最基本的材料来用。
钢铁根据它们的含碳量可分为铁，钢和铸钢。再进一步，钢可以分为碳钢和合金钢，合金钢是通过在碳钢里加入各种元素而获得的并具有特殊的性能。根据它们的性能合金钢可有各种不同的用途。
由钢制成的机械零件或结构零件除了机械强度外根据它们的使用条件或环境因素还必须具有所需的性能。当钢制零件使用时并与其它零件摩擦接触时，需要耐磨和一个光滑的表面。例如，当零件(如机器的轴承零件或滑动零件)互相摩擦接触时，或当工具与其它零件接触时，就需要耐磨性和光滑的表面以便防止零件的磨损和改进相对其它零件的滑动性能。当钢制零件在有腐蚀性的诸如水、酸性物、碱性物等环境里使用时，例如就潜水泵的传动轴和转子来说就需要高的防化学变化的性能。
近年来，曾经尝试过在零件的表面形成一层不同于基体的表层，以便除了该材料原有的性能外再根据使用条件或环境因素提供给钢制零件所需的性能。这种表层必须具有与其它零件磨擦的耐磨性和改进相对其它零件滑动性能的光洁度，必须不损伤其它零件，必须具有防化学变化的性能并足以不在腐蚀性环境里被腐蚀。再进一步，表层必须以很高的机械强度形成于零件的基体表面上，不会因形成而降低基体的性能并且不需在形成后进行研磨等精加工。
作为在铁或钢制零件的基体表面形成表层的一种方法，电镀，物理蒸敷法，化学蒸敷法，火焰喷涂法等等是众所周知的。然而，这些方法不能完全满足上面提到的所有的需求，而且实际应用起来也不能尽如人意。更具体地说，用这种方法形成的表层不具有足够的致密度，耐磨性和光洁度。表层和基体之间的联结强度也不是足够的，表层经常会从基体上脱落。此外还需要表层形成后的研磨工序。
由于上述原因，提供本发明以便制成一种具有良好的耐磨性，光洁度和抗化学变化的表层的机械零件，该表层具有很高的机械强度并在不损伤基体的情况能很容易地形成于基体上，该零件能与由纸、橡胶、塑料、树脂、陶瓷和金属组成的集合里挑选的构件实行接触。
根据本发明，提供一种能与由纸、橡胶、塑料、树脂、陶瓷和金属组成的集合里挑选的构件实行接触的机械零件，它包括一铁基金属的基体和一形成于所述的基体表面并含有氧化铬(Cr2O3)作为主要成份的表层。氧化铬(Cr2O3)是一种通过加热铬化合物转变而成的物质，一个含有基体和表层里的氧化铬之间的反应生成物的中间层形成于表层和基体之间的界面上。
本发明的机械零件包括各种能与由纸、橡胶、塑料、树脂、陶瓷或金属组成的集合中挑选的构件接触的机械零件。这种机械零件包括诸如机器上的轴承或滑动零件等零件，例如，发动机的汽缸或泵体，它们都与由橡胶或合成树脂组成的O型密封圈接触。
机械零件的基体可以是碳钢、不锈钢或其它铁合金。
根据本发明形成于机械零件基体上的表层具有氧化铬(Cr2O3)颗粒的致密结构，该颗粒是通过加热铬化合物转变而来的并互相完全粘结。表层是光滑的并具有良好的耐磨性。由于析出的Cr2O3陶瓷颗粒的尺寸非常小(1微米或更小)，表层就能是致密的、完全没有微孔的光洁层，并能形成非常薄的一层，而且基体的原有性能(例如弹性)依然能有效地利用。表层的硬度高达HV500或更高。作为材料和氧化铬之间的反应生成物的中间层形成于表层和基体之间的界面上。表层可以很高的粘附强度(500公斤力/厘米2)形成于基体上。中间层的厚度介于0.5微米至3.0微米的范围内。表层还有很高的抗腐蚀性，隔离外界物质的性质和高的防化学变化性能。
表层里包含的氧化铬(Cr2O3)可以增加硬度和减少摩擦系数。
具有这种表层的机械零件可通过以下的方法制成。根据该方法，铬化合物溶液，例如CrO3的水溶液通过涂或浸的手段涂敷于基体的表面。将涂有CrO3溶液的基体在500℃到600℃(最好约550℃)的温度下烘焙作反应处理，由此在基体的表面区域内形成一含有以Cr2O3作为主要成分的表层。500℃至600℃的烘焙温度使CrO3转变为Cr2O3。多次重复涂敷和烘焙CrO3的操作循环就能在基体的表面形成一层含Cr2O3的致密的硬的陶瓷涂层。该涂层的厚度是1到50微米。在这种方法里，厚度是由上述的操作循环重复的次数控制的。机械零件表层的厚度推荐的是1到10微米，最好是2到6微米。由于烘焙温度介于500℃到600℃范围之间，基体的性能不会降低。
任何铬化合物，包括通过加热可以转变为CrO3的CrO3均可使用，这种铬化合物如Na Cr O4·10H2O，Na2Cr2O7·2H2O，K2CrO4，K2Cr2O7和(NH4)2Cr2O7。此外，所述的溶液不局限于水溶液，还可以用熔盐来代替。溶液的浓度最好在10-85%之间。
本发明将通过下述例子来描述例1用奥氏体不锈钢(ASTM304)和铁素体不锈钢(ASTM430)作为基体，有八个试样，包括一个不具有表层，一个具有根据本发明形成的表层，一个具有根据普通方法形成的表层，如下面表1所示
表1
试样1和试样2的基体表面需要精加工，而形成表层后的试样3和试样4不需精加工。试样5到试样8则在表层形成后需要精加工。
由于试样3和试样4的表层是如下所述那样地形成于基体的表面。更具体地说，基体是被浸在50%的铬酸(CrO3)溶液里持续1到2分钟。当基体干燥后，在500℃到600℃温度的空气里被烘焙。将上述加工的操作过程重复16次，由此在基体表面形成约5微米厚的表层。该表层由含有基体和CrO3的反应生成物(FeO·Cr2O3)和作为主要成份的Cr2O3的中间层，及含有作为主要成份的CrO3转变而来的Cr2O3的一层组成。
试验这些试样是为了检查它们的耐磨性和抗化学变化性能。
耐磨性试验通过一种高速的纤维滑动试验来检查耐磨性，其试验条件如下纤维聚酯50d/48f速度3.5m/sec
拉力65g试验时间24小时试验结果如表2所示。
表2
从表2可得知，本发明的试样没有磨损痕迹并在丝运动24小时后依然不断。
耐腐蚀性试验试样的耐腐蚀性是通过将它们浸入盐酸溶液里然后测出样品重量的减少来进行的。
试验条件如下所述溶液浓度5%，10%温度环境温度浸渍时间24小时试验结果如表3所示
表3
从表3中可以得知，本发明的试样具有良好的耐腐蚀性能。
例2一奥氏体不锈钢(ASTM304)泵体被作为基体来用，其外径为34毫米，内径为30毫米，长为100毫米，共准备两个试样。一个试样具有根据本发明形成的表层，另一个试样具有根据一般方法形成的表层。
更具体地说，试样9有一根据本发明形成的表层。将基体浸在80%CrO3水溶液里持续1到2分钟。然后，将基体放在500℃到600℃温度的空气里烘焙。上述操作过程重复15次，由此在基体上形成一5微米厚的表层。
试样10有一根据一般方法形成的表层。通过镀铬在基体上形成一30到40微米厚的铬层。
两个试样作为泵体安装在一个试验柱塞泵里，然后就可以做内表面的耐磨试验了。具体地说，就是通过柱塞泵不断地输送2%熟石灰的水溶液。然后在300小时后测出泵体内表面表层的磨损，并观察内表面的状态。注意在泵运转期间，由橡胶制成的并安装在传动轴末端的滑动部件以每分钟120次的速率在汽缸内往复运动。
结果是，试样9内表面的磨损是2微米，且其内表面状态没有发生变化。但试样10内表面的磨损是45微米，而且表层几乎完全破坏并露出了基体。
根据上述的本发明，可以提供一种具有表层的机械零件，该表层具有良好的耐磨性、光洁度和抗化学变化性能，并能很容易地以很高的机械强度并在不削弱基体性能的情况下形成于基体之上，该机械零件能实现与某种构件的接触，所说的构件选自由纸、橡胶、塑料、树脂、陶瓷和金属组成的集合。
权利要求
1.能与由纸、橡胶、塑料、树脂、陶瓷和金属组成的集合中桃选的构件实现接触的一种机械零件，包括一铁基金属的基体，一形成于所述基体的表面并含有作为主要成份的氧化铬(Cr2O3)的表层，氧化铬是通过加热由铬化合物转变而来的，和一个含有所述表层里的氧化铬和所述基体之间的反应生成物并形成于所述表层和所述基体之间的界面上的中间层。
2.根据权利要求
1所述的机械零件，其特征在于所述表层有一1到50微米的厚度。
3.根据权利要求
1所述的机械零件，其特征在于所述表层有一1到10微米的厚度。
4.根据权利要求
1所述的机械零件，其特征在于所述表层有一2到6微米的厚度。
5.根据权利要求
1所述的机械零件，其特征在于铬化合物是CrO3。
6.根据权利要求
1所述的机械零件，其特征在于所述中间层有一0.5到3.0微米的厚度。
7.根据权利要求
1所述的机械零件，其特征在于所述的中间层含有FeO·Cr2O3和Cr2O3。
8.根据权利要求
1所述的机械零件，其特征在于所述机械零件是机器的轴承零件。
9.根据权利要求
1所述的机械零件，其特征在于所述机械零件是发动机或泵里的滑动零件。
专利摘要
一种能与由纸、橡胶、塑料、树脂、陶瓷和金属组成的集合中挑选的构件接触的机械零件，包括一铁基金属的基体和一形成于基体表面的表层。该表层含有作为主要成分的氧化铬(Cr
文档编号C23C22/05GK87101667SQ87101667
公开日1987年9月9日 申请日期1987年2月28日
发明者只井乔, 小浜一, 矢部久雄 申请人:东芝株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan