SE526501C2 - Metod för att ytmodifiera ett utskiljningshärdat rostfritt stål - Google Patents

Description

20 25 30 526 501 2 sätthärdningsprocesser utförs vid höga temperaturer; medan uppkolningsprocesser utförda vid temperaturer runt 540 °C eller högre (för rostfria stâllegeringar) kan gynna bildning av karbider i ytan av det nämnda rostfria stålet.

I många mekaniska applikationer är inte bara hårdhet utan även den statiska friktionen av stålytan, vilket indikerats ovan, ett känt problem. Även om smörjning görs kan den statiska friktionen orsaka avsevärd friktionsförlust, speciellt i fall där en växelverkande rörelse förekommer. Exempel på sådana applikationer är stötdämpare för fordon, hydrauliska system inom process industrin och inre delar av förbränningsmotorer, så som ventillyftare. Vid högfrekventa ändringar av rörelsetyp eller riktning kan den statiska friktionen orsaka en lokal temperaturhöjning, vilket leder till försämrad prestanda, livslängd och risk för läckage.

För att minska den statiska friktionen beläggs vanligtvis utsatta ytor med någon form av lager med bättre egenskaper än det underliggande stålsubstratet. Förutom att ge en minskad friktion är en önskad egenskap hos sagda lager att skydda substratet mot mekanisk nötning. Därför ska det pålagda lagret vara så hårt som möjligt. l hydraulisk styrningskontrollutrustning inom processindustrin kan en hög statisk friktion orsaka ett rörelsemotstånd, vilket försämrar precisionen hos den hydrauliska komponenten. Nämnda problem med statisk friktion kan uppkomma till exempel i förbränningsmotorer, ventillyftare för inlopps- och utloppsventiler.

Ytan på vilken lyftaren verkar utsätts för en mycket hög lokal last, vilket kan resultera i betydande nötningsproblem.

Ett konventionellt sätt att minska den statiska friktionen och att öka hårdheten är att bereda en mycket jämn yta och därefter att applicera hård krombeläggning på denna yta. Därmed uppnås en hårdhetsnivå för låglegerat smidesstål till omkring 1000 Hv. För att stödja lagret görs ofta en ythärdning innan den hårda krombeläggningen. Denna process är relativt komplicerad 10 15 20 25 30 526 501 3 och involverar flera omflyttningar av arbetsmaterialet till följd av de dimensionsförändringar det genomgår under härdningen.

En möjlig lösning på problemet med skillnaden i hårdhet mellan substratet och den applicerade beläggningen är att applicera ett system av skikt. Ett behandlat arbetsstycke består till exempel av en baskropp eller substrat av stål och ett hårt materiallagersystem bredvid substratet, pålagt ett metallager och slutligen ett glidlagersystem, varvid det sistnämnda företrädesvis är gjort av karbid, speciellt wolframkarbid eller kromkarbid och dispergerat kol. Även om bra hårdhetsvärden och låg statisk friktion uppnås är komposit-systemet av flera lager komplicerat, tidskrävande och dyrt att tillverka.

Ett annat alternativ är att bilda ett skiktsystem vilket består av ett adhesivt lager som placeras pâ ett substrat, ett övergångslager som placeras på det adhesiva lagret och ett yttre lager vilket är gjort av diamant-liknande kol. Det adhesiva lagret består av åtminstone ett element från gruppen bestående av 4:e, 5:e och 6:e subgruppen och kisel. Övergångslagret består av diamant-liknande kol. Skiktsystemet har en hårdhet av åtminstone 15 GPa, företrädesvis av åtminstone 20 GPa, och en adhesiv styrka av åtminstone 3 HF enligt VDl 3824 ("Quality Assurance in the Case of PVD and CVD Hard Coatings"), blad 4.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Med bakgrund av det ovanstående är det ett primärt syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma en låg statisk friktions och nötningsbeständig rostfritt stålyta.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma låg statisk friktion på en mycket hård och nötningsbeständig rostfritt stålyta på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt, med så få processteg som möjligt. 10 15 20 25 30 526 501 Ytterligare ett syfte med föreliggande uppfinning är att producera komponenter med avancerad geometri av nämnda rostfria stål med en låg statisk friktion på en mycket hård och nötningsbeständig yta.

Dessa och andra syften har på ett överraskande sätt uppnåtts genom användning av ett specifikt rostfritt stål och ett rostfritt stål i sig självt enligt de självständiga patentkraven. Föredragna utföringsformer av uppfinningen definieras i de osjälvständiga patentkraven.

Föreliggande uppfinning avser metoder för applicering av en beläggning med låg statisk friktion på en specifik klass av rostfria stål.

Dessutom resulterar denna beläggning med låg statisk friktion också i en mycket hård och nötningsbeständig yta. Beläggningen appliceras enligt den väl kända PVD-tekniken (”Physical Vapour Deposition”) i enlighet med den ovan refererade bakgrundstekniken. Stålet har visat sig ha den överraskande egenskapen att uppnå en betydande inre hårdhetsökning när beläggningen appliceras, varvid det nödvändiga hårda och bärande ytlagret skapas för att bära den håra och lågfriktions toppbeläggningen. Eftersom PVD-förfarandet utförs vid relativt låg temperatur bibehålls dimensionerna hos arbetsmaterialet utan nâgra forrnförändringar. Användningen av PVD-tekniken på några specifika rostfria stållegeringar ger ett antal fördelar vid produktionen av, till exempel, cylindriska rör och kolvstänger för stötdämpare, kolvar för hydrauliska styrningsanordningar och ventillyftare för förbränningsmotorer.

Innan några ytmodifieringar gjorts valdes en passande grupp av stål ut för föreliggande uppfinning. Den har de följande kompositionsintervallen (i vikts-%): Kol max 0,1 max 0,1 0,5 - 4 Kväve Koppar 526 501 5 Krom 10 - 14 Molybden 0,5 - 6 Nickel 7 - 11 Kobolt 0 - 9 Tantal max 0,1 Niob max 0,1 Vanadin max 0,1 Wolfram max 0,1 Aluminium 0,05 - 0,6 Titan 0,4 - 1,4 Kisel max 0,7 Mangan max 1,0 Järn resten jämte normalt förekommande ståltillverkningstillsatser samt föroreningar.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN För att åstadkomma en ytbehandling enligt föreliggande uppfinning valdes ett specifikt utskiljningshärdat stål med följande sammansättning (i vikts-%): C + N max 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 Resten 10 15 20 25 30 526 501 6 På detta stål appliceras en beläggning med låg statisk friktion, sagda beläggning bestående av huvudsakligen titannitrid eller DLC som appliceras med PVD-teknik. Detta inkluderar att metallbiten exponeras för temperaturer mellan 450 och 500 °C under ett par timmar. Inom samma temperaturregion, och efter bestämda intervall, sker en härdning av stålet varvid en hårdhet i storleksordningen 650 Hv uppnås. På detta sätt uppnås ett utmärkt stöd för beläggningen under samma arbetssteg. Tack vare den relativt låga behandlingstemperaturen behåller arbetsstycket sin form och dimensioner med stor noggrannhet, vilket resulterar in en betydligt förenklad framställningsprocess. På samma gång åstadkommes, trots ett tunnare skikt, tjockleken av vilken är i storleksordningen 6 um, en överlägsen nötningsbeständighet ijämförelse med konventionella 25 um tjocka hårda kromlager på en härdad yta. Därmed är den stora fördelen med föreliggande uppfinning att appliceringen av den låg statisk friktions- och nötningsbeständiga beläggningen och den nödvändiga ythärdningen är frambringad i ett och samma förfarande.

En annan betydande fördel av föreliggande uppfinning är då arbetsstycket är i rörform för framställning av rörformade artiklar. Tack vare en utmärkt kallbearbetbarhet hos det rostfria stålet enligt uppfinningen, framställs enkelt rörfonniga produkter. Kostsamma långhålsborrningsförfaranden vilka annars krävs för vanligt förekommande stavformade produkter elimineras därmed.

Det ska påpekas att när extremt hårda och nötningsbeständiga ytor krävs, till exempel i vissa motorkomponenter, skulle det vara en möjlig modifiering av föreliggande uppfinning att inkludera ett plasmanitrerat mellan nämnda substrat och PVD beläggningen enligt föreliggande uppfinning.

Plasma nitriering är en alternativ sätthärdningsprocess, vilken utförs i en glimurladdning i en kvävgas-innehållande blandning vid ett tryck av 100 till 10 15 20 25 30 526 äüi 1000 Pa (1 till 10 mbar). Det är en av de använda metoderna för att behandla ytor hos rostfria stål, vilket leder till ett diffusionslager av kväve som har en hög hårdhet och utmärkt nötningsbeständighet. Nitreringshärdning är inducerad av utskiljningen av nitrider i ytskiktet. Plasmanitrering är den senast utvecklade ythärdningsprocessen. Denna process ersätter traditionella nitreringsprocesser så som gasnitrering och uppkolningsnitrering (korttids gasnitrering, badnitrering och tenifer behandling), eftersom identiska termokemiska förhållanden kan uppnås i denna process. Plasmanitrering åstadkommer högre hårdhet och nötningsbeständighet, och orsakar mindre formförändring. Dessutom är plasmanitrering mycket konstnadseffektivt. Detta beror på att efterföljande bearbetning, färdigbearbetning och borttagning av rester ofta inte krävs. På samma sätt behövs kanske inga ytterligare skyddande vidtaganden, så som polering, fosfatering, etc.

Plasma nitrering utförs i en vakuumugn. Behandlingstemperaturer inom intervallet 400 till 580 °C används beroende på kraven för processen ifråga.

Typiska behandlingstemperaturer liggeri intervallet 420 till 500 °C.

Behandlingstider varierar mellan 10 minuter och 70 timmar beroende på komponenten som ska behandlas och den önskade strukturen och tjockleken av det formade lagret(en). De mest använda processgaserna är ammoniak, kväve, metan och väte. Syre och koldioxid används i det korrosionsskyddande steget av post-oxidation. Utöver de typer av processgaser som används är tryck, temperatur och tid huvudparametrarna av behandlingsprocessen.

Genom att varierar dessa parametrar kan plasmanitreringsprocessen finjusteras till att uppnå de exakta önskade egenskaperna i vilken behandlad komponent som helst.

Vilket järnbaserat material som helst kan utsättas för plasmanitrering.

Processen kräver inte användning av speciella typer av nitreringsstål.

Dessutom kan de uppnådda resultatet av plasmanitrering reproduceras med exakt noggrannhet. Detta är speciellt viktigt vid framställning av serieprodukter. Däremot reducerar inte plasmanitrering den statiska friktionen 10 15 20 25 30 526 501 betydligt. Det skulle inte förorsaka några problem att utsätta det rostfria stålet för temperaturer inom intervallet 450 till 500 °C eftersom det enkelt kommer att motstå dessa temperaturer utan att visa tendenser till att mjukna.

Mekaniska egenskaper Draghållfasthet, Rm 1700 MPa 2000 MPa Sträckgräns, Rpog 1500 MPa 1800 MPa Töjning 8 % 6 % Elasticitetsmodul 200 000 MPa Generell hårdhet 450 till 650 Hv10, omkring 45 till 58 HRC Ythårdhet omkring 3000 Hv10 Seghet slaghållfasthet (Charpy V) min 27 J vid -20 °C Stålet enligt föreliggande uppfinning bevarar sina mekaniska egenskaper även efter lång användning vid förhöjda temperaturer upp till 400 °C.

Värmeutvidgningskoefficienten för stålet enligt föreliggande uppfinning är omkring 10 % lägre än den för kolstål och mer än 30 % lägre än den för konventionellt rostfritt stål, så som ASTM 304L. Stålet enligt föreliggande uppfinning är kallbearbetbart och böjbart till en snäv radie. Det är också användbart för vanliga bearbetningsoperationer så som fräsning, svarvning och slipning.

Dessutom har stålet goda svetsegenskaper vid användning av TIG och MIG svetsningsmetoder. En annan fördel hos stålet enligt föreliggande uppfinning är det förbättrade korrosionsmotståndet jämfört med till exempel standard stål ASTM 304L.

Claims (3)

10 15 20 25 30 526 501 PATENTKRAV

1. Metod för att framställa ett rostfritt stål med en låg statisk friktion på en mycket hård och nötningsbeständig yta, kännetecknat av att PVD- teknik används för applicering av en beläggning med låg statisk friktion, så som en beläggning huvudsakligen beståendes av diamant-liknande kol (DLC), diamant-liknande kol med en tillsats av wolframkarbid eller en beläggning av huvudsakligen titannitrid, på nämnda rostfria stål, i ett och samma förfarande som en ythärdning av det rostfria stålet, där nämnda rostfria stål har följande sammansättning (i vikts-%) : Kol max 0,1 Kväve max 0,1 Koppar 0,5 - 4 Krom 10 - 14 Molybden 0,5 - 6 Nickel 7 - 11 Kobolt 0 - 9 Tantal max 0,1 Niob max 0,1 Vanadin max 0,1 Wolfram max 0,1 Aluminium 0,05 - 0,6 Titan 0,4 - 1,4 Kisel max 0,7 Mangan max 1,0 Järn resten jämte normalt förekommande ståltillverkningstillsatser samt föroreningar.

2. Metod enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda rostfria stål är i plasmanitrerat tillstånd. 526 501 /0

3. Metod enligt krav 1 kännetecknat av att nämnda rostfria stål utsätts för en temperatur mellan 450 °C och 500 °C varvid nämnda ythärdning åstadkommes.