CN1032296C - 非铁金属机械零件 - Google Patents

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Abstract

一种具有耐磨性和光滑表面的非铁金属机械零件，包括选自由铝，铝合金，镍和镍合金组成的集合的金属基体，和形成于所述基体表面的含有作为主要成分的氧化铬(Cr2O3)的表层。氧化铬(Cr2O3)是通过在450°到600℃范围内加热涂敷于基体表面的铬化合物转变而来的一种物质，而且一个含有基体和表层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。

Description

非铁金属机械零件
本发明涉及一种具有耐磨表面的非铁金属机械零件。
铝的重量较轻，在空气中有较好的耐腐蚀性，具有高的导电率和导热率，而且很容易机械加工。通过在铝中加入各种元素可以得到一种铝合金，以便改善铝的性能而用于各种场合。铝和具有上述性能的铝合金作为一种材料已被广泛地用于化工装备，电子仪表，光学仪表，卫生器皿，建筑物，船舶，汽车，家用物品等方面。
另一方面，镍则在耐热性和耐腐蚀性这两方面占优势，因此它作为一种材料以板材和棒材的形式被用于食品工业，化学工业，电子仪表等方面。通过在镍里加入各种元素可以得到一种镍合金，以便改善镍的性能，作为耐热材料，防腐蚀材料和磁性材料来使用。
铝，铝合金，镍和镍合金已被广泛地用作制造诸如与运动着的纸，塑料薄膜，纤维材料等接触的轧辊的机械零件的材料，和被用来制造与其它机械零件接触的轴承零件或滑动零件等机械零件的材料。这样，为了防止表面磨损和改善与其它零件的滑动性能，就需要有良好的耐磨性和表面光洁度。这种与其它零件发生摩擦的机械零件必须由根据它所需要的性能选择的材料来制造，并且这种性能能始终保持在高水平上。
另外，铝和铝合金被广泛地用作化工厂的零件，而镍和镍合金被广泛地用作泵的轴和叶片。然而，这些零件主要是在腐蚀性的环境里，例如水，酸，或碱等处使用，因此需要耐腐蚀性能。在这种腐蚀性环境里使用的机械零件必须选择适当的材料来制造，这种材料要具有耐腐蚀性，并且这种耐腐蚀性能必须始终保持在高水平上。
近年来，曾经尝试过在基体的表面上形成一层不同于基体的表层，这样除了该材料原有的性能外，根据使用条件或环境因素再提供所需的性能给由铝，铝合金，镍或镍合金所制成的零件。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。此外，表层必须以很高的机械强度形成于零件的基体表面上，不会因此而降低基体的性能，并且不需在形成后进行研磨等精加工。
作为在由铝，铝合金，镍或镍合金等制造的零件的基体表面形成表层的一种方法，电镀，物理汽相沉积，化学汽相沉积，火焰喷涂法等是众所周知的。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。表层和基底之间的结合强度也不是足够的，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表层的机械零件，该表层能以很高的机械强度并在不损伤基体的情况下很容易地形成于基体上。
根据本发明，提供一种含有选自由铝，铝合金，镍和镍合金组成的集合里的金属基体的非铁金属机械零件，一表层成于所述基体的表面并以氧化铬(Cr2O3)为其主要成分。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。
在本发明里，任何铝合金可用作基体。例如，铸造铝合金中的铝—铜合金或铝—硅合金；防锈铝合金中的铝—锰合金；硬铝合金中的铝—铜—镁—锰合金。
同样，任何镍合金，例如镍—铜合金，镍—铁合金，镍—铬合金，或镍—钼合金也可用作基体。
根据机械零件的用途来选择基体的材料和形状。
本发明的机械零件包括各种与由纤维材料、纸、橡胶、塑料、树脂、陶瓷或金属组成的构件接触的零件。这种机械零件包括诸如机器上的轴承或滑动零件，例如编织机零件，或发动机和水泵的缸体等。高级自动织机的纬线长度测量鼓即是编织机零件的一个例子。另外，本发明的机械零件可在腐蚀性的环境里使用，例如化工机械零件，化纤设备的离心卷绕机的斗形弯管等，并特别适宜于用作与纤维材料，纸，塑料带等高速滑动接触的轧辊等零件。
形成在根据本发明的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)，表层就会是致密的、完全没有微孔的光洁层，并能形成非常薄的一层。而且基体的固有性能(例如弹性)依然能有效地利用。表层的硬度高达HV500或更高。作为基体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，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Cr2O3的CrO3均可使用。这种铬化合物的例子有NaCrO4·10H2O，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。
附图是一个示意图，表示了在例1中所采用的耐腐蚀试验的过程。
本发明的例子描述如下：
例1：
将一种铝—锰合金(Mn：1.0～1.5％，Si：0.6％以下，Fe：0.7％以下，Zn：0.10％以下，其余是Al)作为基体，共准备四个试样，即具有根据本发明形成的表层的试样(试样1和试样2)，具有通过一般方法获得的表层的试样(试样3和试样4)，如表1所示。
根据如下方法准备试样1。在一外径为100毫米，厚度为30毫米的圆盘状试样的外表面通过浸渍涂上一层准备好的含有〔CrO3＋(Al2O3＋ZrO2＋SiO2＋ZnO)＋H2O〕成分的稀浆。在涂料干燥后，在500℃到600℃温度的空气里被烘焙，从而形成由基体材料与Cr2O3的反应物(Al2O3·Cr2O3)、Cr2O3和各种附加的陶瓷物组成的多孔层。然后，多孔层再浸入H2CrO4水溶液里。待涂料干燥后，再在450℃至500℃温度的空气里烘焙。将这种浸渍过程重复约12次，由此在试样的表面形成约40微米厚度的致密的表层。这个表层是一含有Cr2O3＋Al2O3＋ZrO2＋SiO2的陶瓷层。
试样2是通过如下方法制备的。将同试样1一样大小的一块试样浸入H2CrO4(铬酸)水溶液里1到2分钟。待涂料干燥后，在450℃至500℃温度的空气里烘焙。将这个操作过程重复约10次，由此在基体的表面形成一层约5微米厚度的表层。这个表层是一含有铝与CrO3反应物和Cr2O3成分的陶瓷层。
                                    表1
 试样编号   表层形成方法   表层材料  表层厚度(μm)   表层硬度(HV)   基体材料
    1      本发明    Cr2O3＋陶瓷粉末   20～50  1300～1500   铝-锰合金
    2      本发明     Cr2O3    3～5   500～600   铝-锰合金
    3  等离子火焰喷涂     Cr2O3  100～150      900   铝-锰合金
    4       喷镀       Cr     10      700   铝-锰合金
然后对这些试样作耐磨性和耐腐蚀性的试验。试验方法和试验结果如下所述。试验是在下列条件下通过如附图所示的方法进行。即将一根线(聚酯50d/48f)浸入一稀释的盐酸溶液，然后引入并绕过作为试样的轧辊。这个试验的结果如表2所示。从试验结果中可以清楚地看到，相对于这根线来说，根据本发明的轧辊试样具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。(对于试样3和试样4，线在试验中拉断，当这种线织进布里时，会产生不平整)。
试验条件：
试样的旋转速度：    1,000rpm
溶液浓度：          存在盐酸离子
卷绕速度：          0.5米/分钟
试验时间：          500小时
                                 表2
 试样编号   表层形成方法     磨损情况    腐蚀情况
    1      本发明 ◎无磨损痕迹 ◎无腐蚀痕迹
    2      本发明 ◎无磨损痕迹 ◎无腐蚀痕迹
    3  等离子火焰喷涂 ◎无磨损痕迹 ×部分剥落
    4       喷镀 ×较大的磨损痕迹 ×表面凹凸不平
例2：
将镍—铁合金(Ni：79％，Mo：4％，Cr：0.7％，其余是Fe)和镍—铬合金(Ni：58—63％，Cr：21—25％，其余是Fe)作为基体，准备八块试样，其中一类没有表层，一类具有根据本发明形成的表层，一类具有根据一般方法形成的表层，如表3所示。
                                表3
 试样编号  表层形成方法   表层材料 表层厚度(μm)   表层硬度(HV) 基体材料
    5     无表层      —     —   300～400 镍-铁合金
    6     无表层      —     —   350～500 镍-铬合金
    7     本发明     Cr2O3    4至5   600～700 镍-铁合金
    8     本发明     Cr2O3    4至5   800～900 镍-铬合金
    9  物理汽相沉积      TiC    2至3     2,000 镍-铁合金
    10  物理汽相沉积      TiC    2至3     2,000 镍-铬合金
    11  化学汽相沉积      TiN    6至7     3,000 镍-铁合金
    12  化学汽相沉积      TiN    6至7     3,000 镍-铬合金
表层形成后，试样5和试样6的基体表面需要精加工，而试样7和试样8不需要精加工。试样9至试样12在表层形成后需要精加工。
至于试样7和试样8，以如下所述的方法在基体的表面形成表层。首先，将基体浸入50％的铬酸(CrO3)水溶液里持续1到2分钟。待基体干燥后，在500℃到600℃温度的空气里烘焙。将上述的操作过程重复16次，由此在基体的表面形成5微米厚的表层。表层由具有基体和Cr2O3的反应物(NiO·Cr2O3)的中间层，作为主要成分的Cr2O3，和由CrO3转变的Cr2O3并作为主要成分的一层组成。
这些试样将用来检验它们的耐磨性和防化学变化的性能。
耐磨性试验通过一种高速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：        3.5米/秒
拉力：        65克
试验时间：    24小时试验结果如表4所示。
                           表4
 试样编号  表层形成方法  表层材料     破坏情况
    5     无表层    — ×较大的磨损痕迹持续24小时线不断
    7     本发明   Cr2O3 ◎无磨损痕迹持续24小时线不断
    9  物理汽相沉积    TiC △较小的磨损痕迹20小时后线断
    11  化学汽相沉积    TiN △中等磨损痕迹12小时后线断
从表4可得知，本发明的试样没有磨损痕迹并在线运动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试样重量的减少来进行的。
试验条件如下：
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5所示。
                            表5
试样编号 表层形成方法            盐酸浓度
      5％       10％
    5     无表层   0.72mg/cm2     2.5mg/cm2
    7     本发明        0     0.1mg/cm2
从表5可得知，本发明的试样具有良好的耐磨蚀性能。
本发明诚如上述，提供了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。

Claims (11)

1.一种具有耐磨表面的非铁金属机械零件，包括：从由铝、铝合金、镍和镍合金组成的集合里选出的金属基体；形成于所述基体表面上的、含有氧化铬的表层；
其特征在于，所述表层上的氧化铬是通过加热铬化合物转变而来的；此外，还包括在所述表层和所述基体之间的界面上形成的、含有在所述表层里的氧化铬和所述基体材料之间的反应生成物的中间层；而所述机械零件是通过下述加工方法形成的，该方法包括：
(1)在所述金属基体表面涂敷一层通过加热能生成氧化铬的铬化合物水溶液，形成有涂层的基体；以及
(2)将所述有涂层的基体加热至450℃到600℃的温度，使在所述涂敷的水溶液里的铬化合物转变成氧化铬，在所述基体上形成致密的、坚硬的耐磨陶瓷层。
2.根据权利要求1所述的机械零件，其特征在于，所述的表层具有1至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，所述的表层具有1至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，所述的表层具有2至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，所述的中间层具有0.5至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，所述的基体包括铝或铝合金，所述的中间层含有Al2O3·Cr2O3和Cr2O3。
8.根据权利要求1所述的机械零件，其特征在于，所述的基体包括镍或镍合金，所述的中间层含有NiO·Cr2O3和Cr2O3。
9.根据权利要求1所述的机械零件，其特征在于，所述表层里含有具有1微米或更小尺寸颗粒的氧化铬。
10.根据权利要求1所述的机械零件，其特征在于，所述表层具有至少500维氏硬度。
11.根据权利要求1所述的机械零件，其特征在于，通过加热能生成氧化铬的所述铬化合物选自由CrO3，NaCrO4·10H2O，Na2Cr2O7·2H2O，K2CrO4，K2Cr2O7和(NH4)2Cr2O7组成的物组。
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