專利名稱：滑動(dòng)件及其制造法的制作方法
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及一種滑動(dòng)件，如內(nèi)燃機(jī)的氣門挺桿，和滑動(dòng)件的制造方法。
相關(guān)技術(shù)簡介日本公開實(shí)用新型公開H4-121404公開了一種氣門挺桿，該氣門挺桿有一個(gè)墊片，它與驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣/排氣閥的凸輪滑動(dòng)接觸。氣門挺桿墊片需要有一個(gè)表面粗糙度足以能使摩擦降到最低限度的滑動(dòng)面。同時(shí)該滑動(dòng)面必須達(dá)到足夠的硬度，以防止滑動(dòng)面過度磨損和防止由于磨損造成滑動(dòng)面的表面粗糙度增大而使摩擦增大。
因此，人們已知通過研磨加工使滑動(dòng)件(例如氣門挺桿)的基體金屬變得平滑，且具有高精度，隨后再通過物理汽相沉積法(PVD)，在該滑動(dòng)件的表層滑動(dòng)面上形成一個(gè)硬金屬保護(hù)層，如氮化鈦層。
需要一種與上述現(xiàn)有技術(shù)相比，摩擦更小、耐用性更高、成本更低的滑動(dòng)件。本發(fā)明致力于滿足先行技術(shù)的這一需要和對(duì)熟悉本發(fā)明公開技術(shù)的人們將會(huì)顯得更加明顯的其他一些需要。
發(fā)明簡介已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過物理汽相沉積法在滑動(dòng)面上形成硬金屬鍍層時(shí)，需要用真空爐完成這一過程。相應(yīng)地，一次只能處理有限數(shù)量的工件。因此，使滑動(dòng)件或凸輪從動(dòng)件的制造成本很高。正是上述問題孕育出本發(fā)明。
本發(fā)明的目的之一是提供一種摩擦小、耐用性高和成本低的滑動(dòng)件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，制造的滑動(dòng)件包括基體金屬、擴(kuò)散層和復(fù)合層。擴(kuò)散層具有第一預(yù)定厚度并覆蓋基體金屬。復(fù)合層具有第二預(yù)定厚度并覆蓋擴(kuò)散層。擴(kuò)散層和復(fù)合層是通過滲氮過程在基體金層上形成。復(fù)合層的第二預(yù)定厚度通過對(duì)復(fù)合層最外層部分進(jìn)行拋光過程而形成，因而使通過滲氮過程形成的復(fù)合層的初始厚度減小而成為復(fù)合層的第二預(yù)定厚度，以便保持一個(gè)光滑的頂部滑動(dòng)表面。
本發(fā)明的這些和其他目的、特征、方面和優(yōu)點(diǎn)都將通過下列詳細(xì)說明使對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見。詳細(xì)說明結(jié)合附圖公開了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
附圖簡介現(xiàn)在參看成為本發(fā)明首次公開的一部分附圖

圖1是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制造的具有氣門挺桿(滑動(dòng)件)的內(nèi)燃機(jī)用閥動(dòng)器組件部分示意圖；圖2是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制造的氣門挺桿(滑動(dòng)件)的橫斷面圖；圖3是氣門挺桿表層滑動(dòng)面上完成磨輪拋光過程之前、氣門挺桿選擇部分的部分放大橫斷面圖；圖4是氣門挺桿表層滑動(dòng)面上完成磨輪拋光過程以后、氣門挺桿選擇部分的部分放大橫斷面圖；圖5是氣門挺桿選擇部分的部分放大橫斷面圖，表示氣門挺桿表層滑動(dòng)面利用氣體氮碳共滲處理形成的擴(kuò)散層和復(fù)合層；以及圖6是氣門挺桿硬度(取決于氮濃度)與氣門挺桿表層滑動(dòng)面厚度的關(guān)系特性曲線圖。
優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)說明現(xiàn)參照附圖解釋選定的本發(fā)明實(shí)施例。顯然，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本公開提供下列本發(fā)明實(shí)施例描述的目的只是為了說明，而不是為了限制如所附權(quán)利要求及其同等內(nèi)容所規(guī)定的本發(fā)明。
首先參看圖1，概略地表示內(nèi)燃機(jī)(未示出)閥動(dòng)器組件10的一部分，以便解釋本發(fā)明的第一實(shí)施例。閥動(dòng)器組件10包括一個(gè)凸輪軸上的凸輪11，它與以氣門挺桿12形式出現(xiàn)的凸輪從動(dòng)件(滑動(dòng)件)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行接觸，從而帶動(dòng)進(jìn)氣/排氣閥13運(yùn)動(dòng)。
從圖2可看出，成品氣門挺桿12呈下開式圓柱形。氣門挺桿12按傳統(tǒng)方法與進(jìn)氣/排氣閥13聯(lián)接。氣門挺桿12位于進(jìn)氣/排氣閥13和凸輪軸上的凸輪11之間，凸輪軸與曲軸(未示出)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。氣門挺桿12有一個(gè)起著凸輪滑動(dòng)面作用的表層滑動(dòng)面12a，該表層滑動(dòng)面與凸輪軸上的凸輪11滑動(dòng)接觸。上述表層滑動(dòng)面12a的表面精加工按下面所述完成。
由圖3和5看出，按照本發(fā)明制造的滑動(dòng)件或氣門挺桿12包括由覆蓋在基體金屬16上的復(fù)合層14和擴(kuò)散層15構(gòu)成的表層滑動(dòng)面12a。特別是，表層滑動(dòng)面12a最好用滲氮過程在氣門挺桿12的基體金屬16上形成。復(fù)合層14和擴(kuò)散層15都具有初始預(yù)定厚度，該厚度是通過滲氮過程在氣門挺桿12的基體金屬16上最初形成的。復(fù)合層14的初始預(yù)定厚度在圖3中以“t0”示出。在基體金屬16上完成滲氮過程后，在復(fù)合層14的最外層部分14a上進(jìn)行輕微的拋光過程，從而僅僅保留復(fù)合層14的分層14b和分層14c。換言之，經(jīng)過拋光過程，復(fù)合層14的最外層部分14a被完全去除。從而，由滲氮過程形成的復(fù)合層14的初始厚度“t0”(圖3)減小到復(fù)合層14的最終預(yù)定厚度“t”(圖4)，從而保留光滑的滑動(dòng)面12a?？梢哉f，是用按表層滑動(dòng)面12a的輪廓加工的方法輕微地拋光復(fù)合層14，形成表層滑動(dòng)面12a，從而獲得均勻的面層。
上述滲氮過程是一種使氮擴(kuò)散到基體金屬16內(nèi)，以硬化外表面的方法。本發(fā)明設(shè)想的一些滲氮過程包括只使氮滲入的純滲氮過程和使氮和碳同時(shí)滲入的氮碳共滲處理。更確切地說，使用氨氣的氣體滲氮過程；使用氰化物鹽浴和氰酸鹽浴的鹽浴滲氮過程；使用氰酸的液體滲氮過程；使用氨氣和滲碳?xì)獾臍怏w氮碳共滲處理和電離氮高速撞入基體金屬的電離滲氮過程。特別是氣體氮碳共滲是一種無污染處理方法，因?yàn)椴粫?huì)產(chǎn)生氰。此外，氣體氮碳共滲處理能以穩(wěn)定而連續(xù)的方式進(jìn)行。所以，能保持很低的制造成本。因此，氣體氮碳共滲更適用于本發(fā)明。
透過圖5示出的這種滲氮過程可看出，擴(kuò)散層15和復(fù)合層14是用層疊法在基體金屬16上形成的。從這一滲氮過程看出，擴(kuò)散層15中的氮(N)濃度較低，復(fù)合層14中的氮(N)濃度較高。由于金屬的硬度隨氮濃度的增大而增大，故復(fù)合層14的硬度大于擴(kuò)散層15的硬度。從而使滑動(dòng)表面12a的硬度隨滲入深度的增加而減小，因?yàn)槿鐖D6中曲線所示，氮濃度在減小。
然而，由于復(fù)合層14的初始厚度“t0”非常小(最好為5微米至15微米)，如果采用傳統(tǒng)的研磨加工使表層滑動(dòng)面12a達(dá)到均勻平滑的話，則整個(gè)復(fù)合層14都可能被磨掉，從而可能使擴(kuò)散層15部分外露。
因此，本發(fā)明僅僅是拋光復(fù)合層14的最外層部分14a，而復(fù)合層14的另外兩個(gè)部分14b和14c則保留。換言之，用按滑動(dòng)面12a輪廓加工的方法輕微地拋光復(fù)合層14的表面。因此，保留的復(fù)合層14能起到高硬度保護(hù)膜的功能。相應(yīng)地，也能以低成本加工出具有高滑動(dòng)性和高耐用性的氣門挺桿12。
可以使用不同的鋼材，例如碳素鋼、合金鋼、工具鋼和其他鋼材，作為基體金屬16。典型的是采用經(jīng)過滲碳、淬火和回火處理的鉻鉬合金鋼。事先在要進(jìn)行滲氮過程的外表面上完成適當(dāng)?shù)难心ズ?或拋光過程。
在優(yōu)選實(shí)施例中，基體金屬16最好是一種經(jīng)過鍛造、滲碳、淬火和回火，從而使表面硬度等于或大于58HRC，有效厚度達(dá)到0.7-1.1毫米的鍛造鋼(SCM420H)。然后對(duì)其進(jìn)行表面拋光過程，以使外表面的表面粗糙度大約為Ra0.02。此后，再進(jìn)行氣體氮碳共滲處理，以使外表面的表面硬度等于或大于660HV，使復(fù)合層14的厚度等于或大于7微米。采用這種方法時(shí)，如圖3所示，擴(kuò)散層15和復(fù)合層14都具有初始預(yù)定厚度，這些厚度都是用層疊法在基體金屬上形成的。
其次，如圖4所示，進(jìn)行磨輪拋光過程，以使最終表層滑動(dòng)面12a的表面粗糙度等于或小于Ra0.02，并使保留的復(fù)合層14厚度“t”最好等于或大于2.5微米。在進(jìn)行磨輪拋光過程中，用按表層滑動(dòng)面12a輪廓加工的方法完成拋光，以使復(fù)合層14具有大約2.5微米至10微米的保留厚度或最終厚度“t”。所以，只對(duì)復(fù)合層14的最外部分進(jìn)行輕微均勻地拋光。換言之，被磨輪拋光所磨掉的復(fù)合層14的厚度是非常小的，大約為3微米至5微米。
在按照本發(fā)明制造的氣門挺桿12中，在基體金屬16上保留著堅(jiān)硬的復(fù)合層14，以形成滑動(dòng)表面12a，因此，與研磨加工后用物理汽相沉積法單獨(dú)鍍的堅(jiān)硬膜相比，其制造費(fèi)用在保證摩擦減小效果和耐用性基本相同的條件下大約可減少一半。
此外，通過對(duì)閥挺件12的表層面12a進(jìn)行磨輪拋光過程，該表層面12a的周邊棱角被完全磨圓。因而，不再需要單獨(dú)進(jìn)行倒棱工序。
能夠依照表面輪廓進(jìn)行的表面處理方法之一是磨輪拋光法。磨輪拋光是一種在研磨過程中使用磨粒的表面精制法。不過，磨輪拋光使用的是由軟彈性的布料、氈或皮革制成的磨輪，而不是硬金屬研磨具。因此，如上所述，僅能輕微地拋光最外層部分，以符合表面的輪廓。所以，磨輪拋光過程適用于本發(fā)明。
換言之，如果在上述復(fù)合層14上完成研磨具拋光過程，雖然能使表面很好地變得光滑，但卻很難為復(fù)合層14保留一個(gè)薄薄的均勻?qū)?，因此不能達(dá)到本發(fā)明的效果。
再參閱圖5，滲氮過程在復(fù)合層14的最外層部分14a中形成ε相(Fe2N-Fe3N)，而滲氮過程也在ε相內(nèi)形成ε+γ′相和γ′相。復(fù)合層14的ε相的韌性低于留下的復(fù)合層14的分層14b和14c的韌性。因此，復(fù)合層14的最外層部分14a作為氣門挺桿12的滑動(dòng)面12a不是最佳的。所以，在本發(fā)明中，上述拋光過程充分磨掉了這個(gè)最外層部分14a，其結(jié)果是使具有ε+γ′相和γ′相的分層14b和14c外露。因而滲氮過程形成的ε相不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。
如果拋光過程前復(fù)合層14的初始厚度“t0”小于5微米，那就很難保證拋光過程后的被處理金屬層的厚度。如果復(fù)合層14的初始厚度“t0”大于15微米，則可能形成具有孔隙的多孔層。所以，滲氮過程形成的復(fù)合層14的初始厚度“t0”在拋光過程前最好是5微米至15微米。
此外，如果拋光過程后復(fù)合層14的最終預(yù)定厚度“t”小于2微米，則在使用過程中復(fù)合層14可能磨損。上述的ε相也可能被保留下。如果拋光過程后復(fù)合層14的最終預(yù)定厚度“t”超過10微米，則如上所述，在形成復(fù)合層14的時(shí)候可能形成多孔層。因此，拋光過程后復(fù)合層14的最終預(yù)定厚度“t”最好是2微米至10微米。
如果拋光過程后復(fù)合層14的表面12a的表面粗糙度小于Ra0.01，則難于以大規(guī)模生產(chǎn)方式來完成后續(xù)過程。另一方面，如果表面粗糙度大于Ra0.05，則不能獲得足夠的摩擦減小效應(yīng)。所以，拋光過程后復(fù)合層14的表面粗糙度最好是Ra0.01～0.05。
當(dāng)然，熟悉本發(fā)明公開技術(shù)的人們都會(huì)明白本發(fā)明的范圍不僅限于氣門挺桿，而是包括能采用本發(fā)明其他類型的滑動(dòng)件。因此，本發(fā)明的范圍不限于這些公開的實(shí)施例。其他一些滑動(dòng)件的實(shí)例包括與進(jìn)氣/排氣閥凸輪鄰接滑動(dòng)定位的墊片；凸輪從動(dòng)件，如搖臂等；活塞環(huán)和各種支承件。
然而，由于在本發(fā)明中是以按滑動(dòng)件表面輪廓加工的方法來完成輕微拋光過程，故本發(fā)明特別適用于像凸輪從動(dòng)件這樣的滑動(dòng)件。更準(zhǔn)確地說，對(duì)于凸輪從動(dòng)件，滑動(dòng)面的表面粗糙度減小比滑動(dòng)面的光滑度更重要。在任何情況下，采用本發(fā)明就能提供低成本、高滑動(dòng)性和高耐用性的滑動(dòng)件。
本文中使用的一些表示程度的術(shù)語，如“基本上”、“大約”和“近似于”等意指偏離所修飾的術(shù)語、而不會(huì)明顯改變其最終結(jié)果的合理程度。例如，這些術(shù)語可被解釋為包括至少是被修飾術(shù)語±5％以內(nèi)的偏差，如果該偏差不會(huì)否定它所修飾的詞的意義的話。
本申請(qǐng)要求給第2000-286497號(hào)日本專利申請(qǐng)書以優(yōu)先權(quán)。第2000-286497號(hào)日本專利申請(qǐng)書的全部公開內(nèi)容都作為依據(jù)包括在本申請(qǐng)書內(nèi)。
只是選擇一些選取的實(shí)施例來說明本發(fā)明，而熟悉本發(fā)明公開技術(shù)的人們都會(huì)明白在不違反本發(fā)明所附權(quán)利要求規(guī)定范圍內(nèi)，可以對(duì)文中實(shí)施例作出各種不同的變更和修改。此外，提供上述本發(fā)明實(shí)施例的描述的目的只是為了說明，而不是為了限制如所附權(quán)利要求及其同等內(nèi)容所規(guī)定的本發(fā)明。因此，本發(fā)明的范圍不限于公開的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種滑動(dòng)件，包括一個(gè)基體金屬；一個(gè)以預(yù)定厚度覆蓋所述基體金屬的擴(kuò)散層；和一個(gè)以第二預(yù)定厚度覆蓋所述擴(kuò)散層的復(fù)合層，通過滲氮過程在所述基體金屬的外表面上形成所述擴(kuò)散層和所述復(fù)合層，且通過在所述復(fù)合層的最外層部分上進(jìn)行拋光過程而形成所述復(fù)合層的所述第二預(yù)定厚度，使得通過所述滲氮過程形成的所述復(fù)合層的初始厚度減小到所述復(fù)合層的所述第二預(yù)定厚度，從而保留一個(gè)光滑滑動(dòng)表面。
2.如權(quán)利要求1所述的滑動(dòng)件，其特征在于通過所述拋光過程形成的所述復(fù)合層的所述第二預(yù)定厚度具有基本上均勻的厚度，因?yàn)樗鰭伖膺^程是按所述基體金屬的所述外表面輪廓進(jìn)行的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的滑動(dòng)件，其特征在于形成所述光滑滑動(dòng)表面的所述拋光過程是拋光輪拋光過程。
4.如權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的滑動(dòng)件，其特征在于所述滑動(dòng)件是一個(gè)凸輪從動(dòng)件，它與驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣閥或排氣閥的凸輪滑動(dòng)鄰接。
5.如權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述的滑動(dòng)件，其特征在于完成所述拋光過程前復(fù)合層的所述初始厚度為5微米至15微米。
6.如權(quán)利要求1至5中之一所述的滑動(dòng)件，其特征在于完成所述拋光過程后所述復(fù)合層的所述第二預(yù)定厚度為2微米至10微米。
7.如權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)所述的滑動(dòng)件，其特征在于完成所述拋光過程后所述復(fù)合層的所述光滑滑動(dòng)表面具有表面粗糙度為Ra0.01至0.05。
8.一種制造滑動(dòng)件的方法，包括通過滲氮過程在所述滑動(dòng)件的基體金屬上形成具有預(yù)定厚度的擴(kuò)散層和復(fù)合層；和在所述復(fù)合層的最外層部分上進(jìn)行拋光過程，使得所述復(fù)合層的所述預(yù)定厚度被減小從而保留一部分所述復(fù)合層以便在所述滑動(dòng)件上形成光滑滑動(dòng)表面。
9.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其特征在于所述拋光過程是拋光輪拋光過程。
10.如權(quán)利要求8或9所述的制造方法，其特征在于所述滑動(dòng)件是凸輪從動(dòng)件，該凸輪與驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣閥或排氣閥的凸輪滑動(dòng)鄰接。
11.如權(quán)利要求8至10中任何一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于完成所述拋光過程前所述復(fù)合層的厚度為5微米至15微米。
12.如權(quán)利要求8至11中任何一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于完成所述拋光過程后所述復(fù)合層的所述預(yù)定厚度為2微米至10微米。
13.如權(quán)利要求8至13中任何一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于完成所述拋光過程后所述復(fù)合層的所述光滑滑動(dòng)表面具有的表面粗糙度為Ra0.01至0.05。
全文摘要
公開一種具有高滑動(dòng)性、高耐用性和低成本的滑動(dòng)件(12)。該滑動(dòng)件(12)的表層滑動(dòng)面(12a)通過滲氮過程形成，這種處理使在滑動(dòng)件(12)的基體金屬(16)上形成復(fù)合層(14)和擴(kuò)散層(15)。在復(fù)合層(14)的最外層部分(14a)上進(jìn)行輕微地磨輪拋光過程，從而保持一個(gè)復(fù)合層部分(14b和/或14c)。
文檔編號(hào)C23C8/80GK1392918SQ01802832
公開日2003年1月22日 申請(qǐng)日期2001年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月21日
發(fā)明者石原基固 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社