具有增强的耐磨性以及低的静摩擦特性的表面硬化不锈钢

摘要

本发明涉及使用PVD技术、在与不锈钢表面硬化处理相同的操作或同一中，在不锈钢上施加低的静摩擦并且耐磨的涂层，该涂层主要由氮化钛或者添加或未添加碳化钨的类钻碳DLC构成。这样在一个单独的操作中，在非常坚硬并且耐磨的表面上获得低的静摩擦特性。而且，工件的尺寸得以保持而未发生变化，从而使得本发明非常适用于制造例如凸轮随动件、用于减震器的圆筒管和活塞杆等。所使用的不锈钢具有如下的成分(以重量百分比给出)：碳，最多约0.1；氮，最多约0.1；铜，约0.5至约4；铬，约10至14；钼，约0.5至约6；镍，约7至约11；钴，0至约9；钽，最多约0.1；铌，最多约0.1；钒，最多约0.1；钨，最多约0.1；铝，约0.05至约0.6；钛，约0.4至约1.4；硅，最多0.7；锰，最多约1.0；铁，平衡量；以及包括通常出现的一般的炼钢添加剂和杂质成分。

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面硬化不锈钢，其具有低的静摩擦系数和增强的耐磨性能。而且，还涉及对所述不锈钢的表面进行物理气相沉积(PVD)处理，其中，与所述PVD处理同时实现表面硬化。本发明例如在机械工业、汽车工业、摩托车工业、自行车工业、减震器制造业以及在用于内燃机和液压系统的部件中具有很多的应用。

背景技术

通常，不锈钢合金比其它的钢材更软。因此，经常对它们施加硬化处理，该处理基本可分为整体处理或者表面处理。整体处理在于对钢材例如钢板或者钢丝在材料的整个横截面上进行匀质硬化，而表面处理则在于仅硬化构件的表面而使得基底基本上不受影响。

例如在其整体结合在本发明所公开内容中以作参考的US-A-5,632,826(和WO-A-95/09930)中，披露了一种析出硬化型不锈钢，其中强化作用是基于在全部材料上析出微粒实现的。强化微粒具有准晶结构，基本在长达约1000小时的时效时间和高达约650℃的回火处理条件下获得所述结构。这种强化作用在抗拉强度方面至少提高了200Mpa。

在WO-A-93/07303、WO-A-01/36699和WO-A-01/14601中披露了其它用于析出硬化型不锈钢的工艺和/或由所述钢材制造的构件，其全部结合在本发明公开内容中以作参考。例如，根据WO-A-01/38699，该材料生产在时效/硬化之前应该如此进行，即将材料制件进行冷成型处理以使其产生的变形程度足以实现至少50％、优选至少70％的马氏体含量。

不同于整体并且匀质的影响钢材的硬化处理，在很多应用中，在不锈钢构件上设置硬化表面，通常称为“表面硬化”。表面硬化的目的在于将位于部件表面的较薄材料层转化为富含碳或者其它成分的层，以使得该表面比基底更加坚硬，作为钢材主体的基底不受表面变化的影响。

经常利用渗碳作用对不锈钢进行表面硬化。通过该过程使得碳原子在溶液中扩散到构件的表面。已知的表面硬化工艺在高温下进行。在约540℃或者稍高(对于不锈钢合金)的温度下施行渗碳工艺。然而，这种温度处理能够促进在硬化表面中形成碳化物。

钢材工具、耐磨件以及通常在强度和/或韧性和耐磨性方面具有较高要求的部件经常涂覆有涂层以延长其使用寿命并且改进操作条件。已知的工艺例如CVD或者PVD等可用于涂覆各种部件。所使用的层为通常由钛或铪或锆或其合金的氮化物、碳化物或碳氮化物形成的硬质层。在下述出版物中提及初步涂覆有涂层的工具的各种应用：Proceedings of the 13th Plansee-Seminar，Plansee，May 1993和Proceedings of the 20^th International Conference on MetallurgicalCoatings，San Diego，April 1993。而且，对于成形工具，这些硬质涂层在静摩擦方面也得以降低。

在很多机械应用中，如上所指出的，不仅钢材表面的硬度而且还有其静摩擦也是已知的问题。即使进行润滑，静摩擦也会引起相当大的摩擦损耗，尤其是在存在有往复运动的情况下。这种应用的实例有用于汽车的减震器、加工工业中的液压系统、以及内燃机的内部部件如凸轮随动件等。在高频率运动变化情况下，静摩擦可在减震器中的密封金属表面上引起局部温度升高而导致性能水平降低以及液压油发生渗漏的风险。

为了降低静摩擦，暴露表面通常涂覆有某种形式的涂层，与其下面的钢材基底相比该涂层具有更优的特性。除了赋予更低的摩擦特性，所述层的一个期望特性是形成抵抗机械磨损的保护。因此，所施加的涂层应该是尽可能坚硬的。在加工工业中，在液压传动控制设备中，高的静摩擦会引起运动阻力从而降低液压构件的精度。内燃机则成为另一个应用，其中需要尽力使得这种静摩擦最小化。例如，一个重要的构件是用于进口和出口阀的凸轮随动件。该随动件所作用其上的表面被暴露在非常高的局部载荷的作用之下，从而可导致严重的磨损问题。

用于降低静摩擦并且提高硬度的传统方法是制备非常光滑的表面并且随后在该表面上施加硬铬镀层。由此对于低合金锻钢所获得的硬度水平约为100Hv。为了支撑所述层，在施加硬铬镀层之前经常进行表面硬化处理。该过程是比较复杂的并且由于在硬化期间工件所经历的尺寸变化而涉及多个工件位置。

在US-A-5,830,531中，披露了一种为具有硬化的和摩擦降低的表层构造的工具进行涂层的方法。首先，在真空处理例如PVD工艺中为工具涂覆直接位于工具材料之上的第一硬质涂层，并且随后在该硬质涂层上覆盖外部的降低摩擦层。硬质的和降低摩擦的层的晶粒尺寸具有小于1∶m的线性平均宽度，由此可获得良好的硬度和长的工具寿命。然而，为了实现理想的硬度，在进行涂层之前，需要首先对钢材进行硬化处理。这两种处理的必要性使得生产成本更高。

在US-A-5,707,748中，披露了一种与US-A-5,830,531所公开方法非常类似的方法。这两个美国专利的公开内容整体结合在本发明内容中以作参考。

在WO-A-99/55929中，描述了一种用于提高工具或者机械构件的耐磨性的方法。根据该专利文献，提供一种层状系统，该系统尤其设计为用于在未进行充分润滑或者干运行(dry-running)状况下所操作的工具或者机械构件。处理过的工件由钢材基体或者基底以及靠近该基底的硬质材料层系统构成，利用金属层并且最后利用滑层系统予以辅助，其中后者优选由碳化物、尤其是碳化钨或碳化铬以及分散碳制成。虽然实现了良好的硬度值和低的静摩擦，由多个层构成的该“合成”系统制造过程复杂、耗时并且成本高昂。

进而，在WO-A-01/7958中披露了一种DLC(类钻碳，Diamond-Like Carbon)层状系统，用于生产耐磨并且改进摩擦特性等的层状系统。所述层状系统包括置于基底之上的粘结层、置于该粘结层之上的过渡层以及由类钻碳制成的外层。该粘结层包括由第4、5、6族和硅所构成的组中选出的至少一种元素。该过渡层由类钻碳构成。该层状系统具有至少为15Gpa、优选至少为20Gpa的硬度，以及根据VDI 3824sheet 4的至少3HF的粘结强度。同样，该现有技术要求有多个层，由此变得耗时和复杂。

离子氮化是一种可选的表面硬化工艺，在约100至约1000Pa(约1至约10mbar)的压力下，该工艺在含有氮气的混合物的辉光放电中进行，并且该工艺是处理不锈钢表面所采用的方法之一，由此形成具有高的硬度和优良的耐磨性的氮扩散层。通过在表层中析出氮化物而导致氮化硬化。离子氮化是最新提出的表面硬化工艺并且已在现有技术中得以描述。该工艺取代了传统的氮化方法例如气体渗氮和碳氮共渗(nitrocarburation)(短期气体渗氮、盐浴渗氮和软氮化(一种盐浴渗氮工艺，有时称为“Tuffride工艺”)处理)，因为在该工艺中可以建立相同的热化学条件。离子氮化实现了更高的硬度和耐磨性，同时形成低的变形。而且，离子氮化具有非常高的成本有效性。这是由于经常的并不需要进行随后的加工、精整以及残余物去除过程。同样的，辅助的保护性措施例如磨光、渗磷等处理也是不需要的。

在真空炉中进行离子氮化。根据该工艺的要求使用范围为约400至约580℃的处理温度。典型的处理温度范围为约420至约500℃。根据所需处理的构件以及所形成的一个或者多个层的理想构造和厚度，处理时间在约10分钟和约70小时之间变化。最为经常使用的工艺气体为氨气、氮气、甲烷和氢气。在氧化后处理的防腐蚀步骤中使用氧气和二氧化碳。除了所使用的工艺气体类型，压力、温度和时间是该处理工艺的主要参数。通过改变这些参数，离子氮化工艺可以精确控制以在任何所处理构件中实现准确的、理想的特性。

可对任何铁基材料施行离子氮化工艺。该工艺无需使用特定类型的氮化钢。而且，离子氮化工艺所实现的效果能够以高度准确性重现。这在序列产品制造中是尤为重要的。但是，离子氮化工艺并未明显的降低静摩擦。

发明内容

本发明的一个主要目的在于获得具有低的静摩擦和耐磨特性的不锈钢表面。

本发明的另一个目的在于以简单和成本有效的方式、以尽可能少的处理步骤，在非常坚硬并且耐磨的不锈钢表面上实现低的静摩擦，

本发明的再一个目的在于，由所述的在非常坚硬并且耐磨的表面上具有低的静摩擦特性的不锈钢生产具有复杂几何形状的构件。

本发明的这些和其它目的已经意外通过如下方式而得以实现，即提供使用具有硬化表面的不锈钢，其中该不锈钢具有如下成分(以重量百分比给出)：

碳    最多约0.1

氮    最多约0.1

铜    约0.5至约4

铬    约10至14

钼    约0.5至约6

镍    约7至约11

钴    0至约9

钽    最多约0.1

铌    最多约0.1

钒    最多约0.1

钨    最多约0.1

铝    约0.05至约0.6

钛    约0.4至约1.4

硅    最多0.7

锰    最多1.0

铁    平衡量

以及通常出现的一般的炼钢添加剂和杂质成分，其改进包括使用具有低的静摩擦并且耐磨的涂层的不锈钢，该涂层在与表面硬化相同的操作中施加。在从属权利要求中对本发明的优选实施方式进行了限定。

具体实施方式

因此，本发明涉及在特定类型的不锈钢上施加低的静摩擦涂层的方法。而且，所述低的静摩擦涂层还体现为非常坚硬的并且耐磨的表面。根据在上面所参考的现有技术中为技术人员所熟知的PVD(“物理气相沉积”)技术施加该涂层。当施加涂层后，钢材可具有意外的特性即其内部硬度得到显著提高，由此形成所需的硬质承载表层以承载硬质低摩擦顶部涂层。由于该PVD工艺是在较低的温度下进行的，工件的尺寸得以保持而不发生任何变形。例如对于生产用于减震器的圆筒管和活塞杆、用于液压引导装置的活塞、以及用于内燃机的凸轮随动件而言，在某些特殊的不锈钢合金上施行PVD技术可带来很多优点。

作为示意性而非限制性的目的，现在更加详细的描述本发明的优选实施例。

在进行任何表面改性之前，选择一组适当的不锈钢以用于实现本发明的目的。其具有如下的组分范围(以重量百分比给出)：

碳    最多约0.1

氮    最多约0.1

铜    约0.5至约4

铬    约10至14

钼    约0.5至约6

镍    约7至约11

钴    0至约9

钽    最多约0.1

铌    最多约0.1

钒    最多约0.1

钨    最多约0.1

铝    约0.05至约0.6

钛    约0.4至约1.4

硅    最多0.7

锰    最多1.0

铁    平衡量

以及通常出现的一般的炼钢添加剂和杂质成分。

如在上面提及的现有技术参考文献US-A-5,632,826、WO-A-93/07303、WO-A-01/14601和WO-A-01/36699中所描述的，这种不锈钢因析出硬化作用而在马氏体微结构中含有准晶微粒。

为了根据本发明实现表面处理，选择一种具有如下组分(以重量百分比给出)的特定的析出硬化型不锈钢材(名称为“1RK91”)

C+N  最多约0.05

Cr     12.00

Mn     0.30

Ni     9.00

Mo     4.00

Ti     0.90

Al     0.30

Si     0.15

Cu     2.00

Fe    平衡量

在这种钢材上施加具有低静摩擦的涂层，所述涂层主要由氮化钛或者类钻碳DLC构成，该涂层利用PVD技术进行涂覆。这包括在几个小时的时间内将金属片暴露于在约450和500℃之间的温度下。在同样的温度区域中并且在确定的间隔之后对钢材进行硬化处理，由此获得650Hv大小的硬度。这样，在同一操作中涂层获得良好的支撑。由于较低的处理温度，该工件能够相当好的保持其形状，从而使得加工过程得到很大程度的简化。同时，与传统的在硬化表面上的25∶m厚的硬质铬层相比，尽管根据本发明的层更薄、其厚度水平为6∶m，但是却实现了更好的耐磨特性。因此，本发明的极大优点在于，在同一个操作中实现了低静摩擦并且耐磨涂层的施加以及所需的表面硬化处理。

本发明的另一个显著优点在于工件为管状以用于制造管状部件的情况。由于根据本发明的不锈钢具有优良的冷加工性，因此可容易的生产管状产品。这样可降低长孔钻探操作的成本，在通常的高成本长孔钻探操作中需要使用一般可以得到的棒形产品。

应当指出，当需要极度坚硬并且耐磨的表面时例如在某些发动机构件中，本发明的一个可行改变为在基底和根据本发明的PVD涂层之间设置根据上述有关技术的离子氮化层，这也在瑞典专利申请No.0202107-9中进行了披露。将该不锈钢在约450至500℃的范围内的温度下进行两次处理将不会产生任何问题，因为其易于经受此温度而不会呈现软化趋势。

在前面的说明中已经描述了本发明的原理、优选实施例以及操作方式。但是，这里欲申请得到保护的本发明不应理解为局限于所披露的具体形式，因为这些形式应该认为是示意性的而非限制性的。在不背离本发明精神的前提下，本领域普通技术人员可对本发明做出各种改变和修改。