公开/公告号CN101573206A
专利类型发明专利
公开/公告日2009-11-04
原文格式PDF
申请/专利号CN200780039024.6
申请日2007-10-19
分类号B23K26/06;B23K26/00;C23C14/06;F01L1/047;F01L1/16;F16C33/10;
代理机构中国专利代理(香港)有限公司;
代理人段家荣
地址 法国昂德雷济约-布泰翁
入库时间 2023-12-17 22:57:19
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2013-11-20
授权
授权
2009-12-30
实质审查的生效
实质审查的生效
2009-11-04
公开
公开
本发明涉及在润滑介质中的摩擦学的技术领域。
更具体地,本发明涉及用于减少磨损和将切向力传递降至最低的涂 层和表面处理。
曾提出许多技术方案以改进机械部件的摩擦性能。基本上分为传统 的表面硬化处理和通过不同方法得到的硬薄层沉积物,所述方法如PVD 方法(物理气相沉积)或PACVD方法(等离子体增强化学气相沉积)。
在这些硬薄层沉积物中,可以列举过渡金属氮化物(TiN、CrN、TiAIN 等)沉积物,无定形碳涂层(DLC)等。由于技术的原因,但也有机械的原 因,显示出这些表面涂层沉积物一般不超过5μm。超过这个厚度,可能 出现该沉积物的脆化和鳞片状脱落的危险。获得该薄层的完美粘附和随 时间推移的强度也很重要。因此,本技术领域的技术人员要求具有约 0.04μm粗糙度(Ra)的极少不平的表面状态。
因此,由现有技术可知,表面处理和真空沉积物的摩擦性能只是保 证具有低粗糙度的表面。
例如可以参考专利US 6 886 521的教导,它根据DLC沉积物硬度 及其本身厚度提出了表面粗糙度参数(Rz)的最大值。
在摩擦学领域中,人们曾就接触表面形貌对建立流体动力学润滑状 态的影响进行过大量研究。因此,提出对轴承或止推轴承进行组织化处 理(texturation)以便通过改进的润滑剂承载能力促进表面的分离。例如可 以参考文件US 5 952 080和WO 2004/063533的教导。
不过,对表面形貌定尺寸并不简单,使得这种方案与苛刻的接触条 件不相适应,在高负荷摩擦部件的情况下也是如此,即接触压力引起所 谓流体弹性动力学状态的操作。事实上,相当于在接触表面上蚀刻图案 的这种组织化处理会引起支撑表面积明显减少,因此不适当的组织化处 理必然导致油膜压力降低,还导致这些表面受到损害,这与所期望目的 是背道而驰的。
由此得出,仅仅在润滑介质中的轻微负载摩擦部件的情况下,本技 术领域的技术人员应用表面组织化原理。
根据对该现有技术的分析,本发明提出解决的其中一个问题是能够 应用摩擦表面组织化原理,以便延长在润滑且重负载的介质中(即在例如 200Mpa以上的接触压力下工作)摩擦部件之间的流体弹性动力学润滑状 态的存在。
事实上,超过一定接触压力阈值,该润滑剂粘度的指数增加(几个数 量级)根本性地改变其物理性能。于是该润滑剂改变状态,表现出更接近 固体状态,而不是流体状态。这时在变得极粘稠的润滑剂的作用下,通 过相对表面的弹性变形使接触表面完全分离。其处于所谓的流体弹性动 力学状态中。由于该润滑剂和相对表面的物理性能在流体弹性动力学状 态中是基本不相同的,所以解释了为什么与其它润滑界面的情况不同地 来进行对该接触表面组织化的最佳化。
本发明的独创性于是在于对于至少部分地以流体弹性动力学状态 工作的对接触表面组织化的摩擦和磨损的成功最佳化。
为了解决这个问题,让该接触表面接受能产生确定形状和尺寸的测 微空腔(cavités micrométrique)周期性网络的操作,且其周期适合接触表 面的宽度,以便有利于达到流体弹性动力学的润滑状态。
根据一些其它特征,这些测微空腔有利地而非限制性地包括孔和/ 或槽。空腔的深度小于或等于10μm,有利地小于3μm,小于1μm。这 些空腔的主要长度是5-500μm。
为了根据本发明的特征解决获得组织化的表面所带来的问题,这些 空腔的周期性网络特别地是采用飞秒激光脉冲加工方法、采用离子束方 法、采用显微机械加工、塑性变形、化学侵蚀或电侵蚀法得到的。
有利地,其表面被组织化的摩擦部件在组织化前后进行具有摩擦功 能的表面硬化处理。有利地通过沉积无定形碳(DLC)的薄层获得这种处 理,以便在高负载摩擦部件进入流体弹性动力学润滑之前限制表面损 害,降低摩擦系数。
如所指出的,可以按照不同方法得到这种摩擦表面组织化。这些飞 秒激光脉冲允许通过升华作用除去物质而不显著改变微观结构。然而应 该指出,显微机械加工(光刻、微侵蚀)或表面塑性变形(滚花、微撞击) 或电化学技术(化学侵蚀,电侵蚀)能够得到类似的结果。在这些组织化 表面上制成的周期性图案(motifs)构成了可以根据下述四个基本参数进 行限定的空腔:
-在该表面平面中的形状(圆形、椭圆形、方形、三角形、槽等);
-沿着材料厚度的轮廓(圆柱、半球、锥体等);
-尺寸(直径、宽度、深度等);
-沿着任何方向并相对于表面摩擦方向所考虑的周期。
该空腔深度有利地小于3μm,以便限制损害这些薄层并使其对该润 滑状态的影响最大化,同时对于大约500nm±250nm深度的图案观察到 最佳结果(avec un résultat optimum constatépar des motifs autour de 500nm plus ou moins 250nm de profondeur)。提醒的是,本发明的经组织 化的部件可以在组织化前后采用传统热化学处理方法(渗碳处理,碳氮共 渗处理以及其它扩散或转化处理)或使用以PVD(物理气相沉积)或 PACVD(等离子体增强化学气相沉积)方法得到的真空沉积物(例如过渡 金属氮化物或碳化物)或无定形碳(DLC)沉积物进行处理。
根据这些接触表面的尺寸、滑动方向和速度、所处理部件的接触压 力和曲率,让这些不同图案尺寸与取向适合于这些待处理部件。例如, 在经受非常高接触压力的机械部件上,例如在汽车领域中的活门操纵机 构(culbuterie)部件上,必需提供深度约500nm的浅图案。
应该注意,如前面所指出的,提供硬层,相对于无涂层的组织化表 面,尤其能够显著地降低图案随着时间的损害,因此保持组织化表面的 摩擦性能。还观察到,除对其润滑状态的影响外,这种组织化还能够意 想不到地阻止因该沉积物局部剥离而出现的裂纹蔓延。
下面通过附图将更详细地说明本发明,其中:
-图1是显示由组织化表面图案带来的增益的图;
-图2显示用孔网络组织化的表面的实例;
-图3显示当最大接触压力保持在2.4GPa不变时得到的摩擦测量结 果;
-图4表示显示示微组织化(micro-texturation)对摩擦水平的影响的三 条摩擦曲线。
下面参考处理实施例1:
这些处理部件是用摩擦精制(tribofinis)X85WCrMoV6-5-4-2钢制成 的直径50mm的具有球形支承面的滚轮(galets a portée sphérique de 50mm de diamétre)。这些部件已涂敷()了厚度2μm的DLC沉积 物,其中已采用飞秒激光脉冲法打孔(圆形微腔)。这些表面通过孔网络 被组织化,孔的直径为79μm、深度400nm、间隔125μm,如图2所示。 该网络包括在以该滚轮摩擦轨道为中心设置的宽度1mm的带上的一系 列多排孔,每排具有7和8个分开孔。
在高接触压力(1-3.2Gpa的最大接触压力)、0.2-2m/s的滑动速度和 接触时低润滑剂卷吸速度(vitesse de)(滑动速度的10%)条 件下,这些滚轮用于在“Amsler”机器上进行的摩擦试验(本技术领域的 技术人员的参比摩擦试验)。每个经组织化的部件面对未被涂敷和未经组 织化的滚轮进行试验,以便观察这种组织化对润滑状态下(10W40机油) 的摩擦系数的影响,以及研究在不同接触压力下涂层的使用性能(tenue en service)。还试验了面对未涂敷和未经组织化滚轮的涂敷DLC但未经 组织化的滚轮,以便用作参考,并且精确地显示出试验的组织化对接触 性能的影响。
为了量化由微组织化获得的增益,在施加负载不变时,通过逐渐降 低滑动速度以中断油膜来进行摩擦试验。
对有涂层的光滑表面进行试验(其已经得到与没有DLC沉积物的相 同表面相比的摩擦系数增益,有这种图案的涂敷有DLC的表面在2Gpa 接触压力下显示出显著的摩擦系数的增益。
附图1的图显示了由这种特定图案对摩擦系数(与在无组织化时进 行的同样试验比较)带来的增益随在油浴中的相对部件滑动速度的变化。 注意到,在2Gpa接触压力下,与未组织化的涂敷表面相比,该摩擦系 数可以通过这种图案被降低30%。而且,与未处理的抛光钢制表面相比, 未经组织化的DLC沉积物的制备已经能够降低摩擦系数15%。
在这个精密构型中,应用经组织化的沉积物导致减少了30W因摩 擦而浪费的功率,还能够减少对表面和油的加热,这有利于组件的耐用 性。
处理实施例2:
无论对于测试滚轮(galet de test)的摩擦轨道的涂敷还是组织化,严 格按照与处理实施例1相同的程序,如为了进行在Amsler机器上的试 验(comme pour la réalisation des essais sur machine Amsler),在不同的接 触压力下进行了第二组摩擦试验。
图3显示了在最大接触压力保持2.4Gpa不变时并且在规定的不同 滑动速度下所得到的摩擦测量结果。
具有球形支承面的第一滚轮被涂敷有DLC,然后按照如处理实施例 1所描述的圆形微腔网络进行组织化。使微腔深度为5μm,这个值是本 技术领域的技术人员通常采用的代表性实例。在施用垂直施加的接触力 启动试验后,在仅仅25秒后就发生因DLC沉积物的剥离而破坏相对表 面,表面咬死。通常实施的表面组织化因此不适合这种流体弹性动力学 接触。
然后在这个2.4Gpa接触压力下进行的其它三个试验列于图3中。 得到的摩擦曲线于是清楚地显示,尺寸的优化,特别是对于有利地设定 在800nm的值,还有利地设定在450nm的微腔深度“d”的优化,能够 使接触中产生的摩擦显著降低。
事实上,它涉及根据与这些接触表面分开的油膜厚度确定微腔深度 尺寸,其通过由流体弹性动力学润滑理论的传统的分析式计算进行计 算。这个深度有利地是理论计算的润滑剂膜厚度的0.1-10倍。
出乎意料地,图3因此清楚地表明,与无微组织化的相同表面相比, 选择设定为450nm的空腔深度能够系统地降低由摩擦消耗的能量达 15%-35%。
然后,通过将最大接触压力设定在较高值,即2.6GPa、2.8GPa、3GPa 和3.2GPa时,在表面涂敷有未组织化的DLC的滚轮与表面涂敷了具有 450nm组织化深度的DLC的滚轮之间进行对比试验。
当在压力保持在2.6GPa不变的第一个试验时,参比滚轮的未组织 化的涂敷表面因DLC沉积物剥离、随后相对表面咬死而立刻被破坏。 因此,值2.6GPa保持为无组织化的参比表面所能承受的最大接触压力 极限。
相比较而言,使用有组织化深度450nm的涂敷表面完成的在严格相 同条件下进行的试验而没有损害。
类似地,然后使用具有450nm深度的经组织化的这种滚轮,并且通 过将接触压力增加到第一次2.8GPa,第二次3.0GPa和第三次3.2GPa并 在这些压力下保持不变重复这个试验三次。
出乎意料地,具有最有利组织化的这种滚轮摩擦表面在这组试验结 束后没有被损害,于是由此得出结论,按照本发明优化的组织化能够显 著提高表面承受施加在其上的接触压力的能力。
令人惊奇地,除减少由摩擦消耗的能量外,本发明因此还能够赋予 该表面更好的抗负载性,于是明显地增加其使用寿命。
处理实施例3:
这些经处理的部件是用X85WCrMoV6-5-4-2钢制成的尺寸为30mm ×18mm、厚度8mm的矩形平板。这些部件被涂敷了厚度2μm的DLC 沉积物,其中采用飞秒激光脉冲打孔(圆形微腔)。这些表面通过孔网络 进行组织化,孔的直径为79μm、间隔125μm,如图2所示。该网络包 括一系列多排分开孔,这些孔覆盖整个摩擦表面。两块板按照这种描述 进行组织化,一块具有1200nm深度的微腔,另一块具有600nm深度的 微腔。第三块参比板严格地涂敷有同样的DLC沉积物,但没有进行组 织化。因此,所实施的两种表面组织化对接触性能的影响通过与光滑的 涂敷板进行比较而精确表示。
然后将上述板用于在所谓“圆柱/平面”机器(“cylindre/plan”)上的 摩擦试验。这个设备用来让具有35mm直径、8mm宽度的外摩擦轨道的 由X85WCrMoV6-5-4-2钢制成的圆柱与如前段所定义的板接触。该圆柱 绕着其自身轴旋转。该板保持在使其沿主尺寸方向作水平来回运动的装 置上。在该圆柱外表面与该板表面之间形成的接触线于是在经处理的平 表面上作往返运动。气动缸能够对支撑该板的装置施加标准负载,因此 在该板与运动的圆柱之间产生很大的接触压力。将两个接触固体封在装 满10W40机油的、加热并温度调节的槽中。
通过以连续增量的方式将该圆柱的旋转速度从1000rpm降低到 100rpm(分别地得到2m/s至0.2m/s之间的滑动速度),相继地进行了对 接触部施加不同恒定力(即40daN、80daN、120daN,然后160daN)的所 描述试验。这种速度降低于是能够降低分开这些相对表面的油膜厚度, 并且还能够促进在流体弹性动力学润滑状态与混合状态之间的过渡。
对于保持在160daN不变的试验标准负载(产生最大接触压力 700MPa),图4绘制了所得到摩擦测量结果。
出乎意料地,与图4的三个摩擦曲线相比,可以看出根据本发明的 且有利地深度“d”等于600nm的优化的组织化在这里能够系统地降低测 量摩擦系数。当润滑条件最严格时,由摩擦消耗的能量的降低在这里达 到30%。
本文介绍的在本发明范围中的表面组织化的应用能够将在流体弹 性动力学状态与混合状态之间的过渡移向更严格的运行条件。
通过调整尺寸,特别是微腔深度“d”,能再次获得这种摩擦的降 低,该深度有利地应该是润滑剂膜厚度的0.1-10倍。
通过这三个实施例说明的本发明优点由所作的说明变得很清楚,特 别地强调和再提醒:
-通过促进转变(passage)为流体弹性动力学润滑状态大大降低在明 确定义的运行条件下的摩擦系数;
-在被破坏前增加该处理表面可接受的最大接触压力;
-通过限制所得到的图案的两个周期之间的碎片,和通过去除在这些 空腔中的磨损微粒,限制对沉积物的损害;
-通过限制磨损来增加机械部件的耐用性。
本发明特别有利地应用于在高负载摩擦部件(接触压力高于 0.2MPa,高于0.5MPa,高于0.8MPa)的流体弹性动力学状态中的润滑范 围内,特别地在汽车领域中,更特别地用于生产发动机组件,尤其生产 活门操纵机构(culbuterie)(如休闲或竞赛车辆领域内的杠杆(linquets)或 顶杆(poussoirs))。
本发明还有利地应用于在传递动力的高负荷摩擦部件的流体弹性 动力学状态的润滑范围内,特别地用于处理在休闲或竞赛车辆的变速箱 中起作用的齿轮系统中的轮齿。
机译: 在高于200MPA的接触压力下工作的润滑介质中的摩擦片
机译: 润滑介质中的摩擦件,在高于200 MPA的接触压力下工作
机译: 润滑介质中的摩擦件,在高于200 MPa的接触压力下工作