用于处理铸铁工件的方法和由其形成的工件.pdf

一种用于处理铸铁工件以增加其使用寿命的方法包括机加工该工件以在其上提供成品表面并且通过抵靠钝工具（80，80'）摩擦该成品表面使得该工件的成品表面变形，从而形成纳米晶化表面层（70）。该工件被氮碳共渗，所述纳米晶化表面层加速氮原子和碳原子通过其扩散。氮碳共渗发生于：i）如果工件在机加工之前被应力消除，则在从大约550℃到大约570℃范围的温度下氮碳共渗大约1小时到大约2小时，或者ii）如果工件在机加工之前不被应力消除，则在从大约370℃到大约450℃范围的温度下氮碳共渗大约5小时到大约10小时。氮碳共渗使得纳米晶化表面层成为i）摩擦表面，或者ii）耐腐蚀表面。

1.  一种用于处理铸铁工件以增加其使用寿命的方法，所述方法包括：
或者i）使所述工件应力消除，或者ii）避免使所述工件应力消除；
机加工所述工件以在其上提供成品表面；
通过抵靠钝工具摩擦所述成品表面来使得所述工件的成品表面变形，从而在所述成品表面处形成纳米晶化表面层；以及
氮碳共渗所述工件，所述纳米晶化表面层加速氮原子和碳原子通过其扩散，所述氮碳共渗发生于：
　　i)如果所述工件被应力消除，则在从大约550℃到大约570℃范围的温度下氮碳共渗从大约1小时到大约2小时范围的时间段，或者
　　ii）如果所述工件不被应力消除，则在从大约370℃到大约450℃范围的温度下氮碳共渗从大约5小时到大约10小时范围的时间段，
从而通过所述氮碳共渗使得所述纳米晶化表面层成为i）摩擦表面，或者ii）耐腐蚀表面。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中所述工件是交通工具制动器的旋转构件。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中所述工件是轴或发动机缸体缸套。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中机加工通过从车削、铣削、喷砂、喷粒、研磨及其组合中选择的工艺来实现。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中氮碳共渗包括气体氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺或者盐浴氮碳共渗工艺。

6.  根据权利要求1所述的方法，其中所述氮碳共渗包括：
将所述工件的至少纳米晶化摩擦表面浸入氮碳共渗盐浴内；然后
将所述至少纳米晶化摩擦表面浸入到氧化盐浴内。

7.  根据权利要求1所述的方法，其中通过抵靠所述钝工具旋转所述成品表面来实现抵靠所述钝工具摩擦所述成品表面。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中使用所述钝工具在所述成品表面上行进四遍。

9.  根据权利要求7所述的方法，其中变形还包括使得所述钝工具前进到所述工件的旋转成品表面内超出旋转工件和所述钝工具之间的第一接触部大约0.03 mm。

10.  根据权利要求1所述的方法，其中所述钝工具包括与其操作地关联的钝小球，所述小球摩擦地接触所述成品表面。

11.  根据权利要求10所述的方法，其中所述小球由选自铁-钨合金、碳化硅、氮化硼、氮化钛、金刚石和硬化工具钢的材料形成。

12.  根据权利要求10所述的方法，其中所述小球具有从球形、球冠形、辊形和抛物线形中选择的形状。

13.  根据权利要求1所述的方法，其中所述纳米晶化表面层的厚度在从大约3 μm到大约15 μm的范围。

14.  一种由权利要求1所述的方法形成的旋转构件，其中所述旋转构件包括制动转子、制动鼓或其组合。

15.  根据权利要求14所述的旋转构件，其中所得到的表面是摩擦表面，并且其中所述摩擦表面呈现在大约56 HRC和大约64 HRC之间的硬度。

用于处理铸铁工件的方法和由其形成的工件
技术领域
本公开总体上涉及用于处理铸铁工件的方法和由其形成的工件。
背景技术
铸铁材料可以被用于希望抵抗由于摩擦产生的表面磨损的应用中。当被暴露于其所使用的环境中时未处理的铸铁材料通常易于腐蚀。例如喷涂的一些表面处理易于快速磨损和/或可能对于铸铁材料的正常功能是有害的。
发明内容
一种用于处理铸铁工件以增加其使用寿命的方法包括机加工该工件以在其上提供成品表面并且通过抵靠钝工具摩擦该成品表面使得该工件的成品表面变形从而形成纳米晶化表面层。该工件被氮碳共渗，所述纳米晶化表面层加速氮原子和碳原子通过其扩散。氮碳共渗发生于：i）如果工件在机加工之前被应力消除，则在从大约550℃到大约570℃范围的温度下氮碳共渗从大约1小时到大约2小时范围的时间段，或者ii）如果工件在机加工之前不被应力消除，则在从大约370℃到大约450℃范围的温度下氮碳共渗从大约5小时到大约10小时范围的时间段。氮碳共渗使得纳米晶化表面层成为i）摩擦表面，或者ii）耐腐蚀表面。
附图说明
通过参考下述具体说明和附图将显而易见到本公开的示例的特征和优点，附图中同样的附图标记对应于相似的但可能不相同的部件。出于简明的原因，具有被在先描述的功能的附图标记或特征可以或可以不结合其所存在的其他附图被描述。
图1示出了在本公开示例中的盘式制动器组件的透视图。
图2示出了在本公开示例中的鼓式制动器组件的侧视图。
图3是示出工件和其上操作的工具的示例的示意性透视图。
图3A是图3的工件和工具的一部分的放大横截面示意图，其示出了工具正在形成纳米晶化表面层。
图4是示出处于氮碳共渗环境的工件的示例的放大横截面示意图。
图4A是以显微放大示出在铁素体氮碳共渗之后化合物层的示例的截面图的示意绘图。
图5是本公开示例中的制动盘的透视图。
图6是扫描电子显微镜（SEM）图像，其类似于图4的视图，不过示出了描绘基体和纳米晶化表面层的微观结构的实际工件的示例。
图7是本公开示例中的制动鼓的透视图。
图8是示出图7中所示的制动鼓的内部的透视图。
图9是鼓内帽式旋转构件的透视图。
图10是图9中所示的鼓内帽式旋转构件的横截面图。
图11A是示出根据本公开的方法的示例的流程图。
图11B是示出根据本公开的方法的另一示例的流程图。
图12是本公开示例中的轴的透视图。
图13是本公开示例中的发动机缸体缸套的透视图。
图14是示出图8中所示的制动鼓的内部的透视图且其具有在其上操作的工具的示意图。
具体实施方式
本公开的示例有利地提供了用于铸铁的更快速且更具有能量效率的铁素体氮碳共渗（FNC）处理的表面纳米晶化过程。
大体而言，根据本公开示例的方法包括通过例如抵靠钝工具变形而表面纳米晶化，以及氮和碳原子穿过纳米晶化表面层的加速扩散，以便在铸铁部件/工件上形成基本无锈且高度耐磨/耐疲劳的壳体。
应该理解的是，在本公开的示例中，抵靠钝工具的变形是局限于钝工具和工件之间的接触部位的剧烈的塑性变形。在基本不形成碎屑且在变形过程中不去除材料的情况下发生该变形。进一步地，本公开的示例的局部变形不同于在拉丝或板材金属轧制中会发生的全局变形。虽然本公开的变形发生在钝工具附近，但是通过向整个表面系统地应用钝工具可以纳米晶化工件的较大表面。在示例中，可以通过旋转汽缸且同时沿汽缸轴线移动钝工具来纳米晶化汽缸表面。在示例中，钝工具将在汽缸的整个表面上采用螺旋路径。将进一步理解的是可以使用钝工具在成品表面上行进一遍以上。在示例中，使用钝工具在成品表面上行进四遍。
常规铁素体氮碳共渗（FNC）通常在大约570℃时进行大约5到6小时以便在金属零件（例如制动转子）的表面上获得10微米厚的硬质层以实现更好的耐磨损、耐疲劳和耐侵蚀。相比之下，本公开的方法的示例可以有利地将FNC时间减小到大约1到2小时来获得相同硬质层厚度且因此显著降低处理能量的成本。
首先参考图11A，本公开的方法的示例100包括铸造铸铁（例如，灰铸铁、球墨铸铁等等）工件，如附图标记102处所示；使铸铁工件应力消除，如附图标记104处所示；机加工工件以在其上提供成品表面，如附图标记106处所示；通过抵靠钝工具（在本文被进一步描述）摩擦（例如通过旋转）成品表面来使得工件的成品表面变形，从而在成品表面处形成纳米晶化表面层，如附图标记108处所示；以及，在从大约550℃到大约570℃范围的温度下氮碳共渗工件从大约1小时到大约2小时范围的时间段，如附图标记110处所示。
纳米晶化表面层加速/促进氮原子和碳原子通过其扩散。应该理解的是纳米晶化表面层（在下文中在附图标记70处被进一步描述）具有任意合适的厚度。不过，在本公开的示例中，纳米晶化表面层70的厚度在从大约3 μm到大约15 μm的范围。在进一步的示例中，纳米晶化表面层70的厚度是大约8 μm。
现在参考图11B，本公开的方法的示例100'包括铸造铸铁工件，如附图标记102处所示；机加工工件以在其上提供成品表面，如附图标记106处所示；通过抵靠钝工具（在本文被进一步描述）摩擦（例如通过旋转）成品表面来使得工件的成品表面变形，从而在成品表面处形成纳米晶化表面层，如附图标记108处所示；以及，在从大约370℃到大约450℃范围的温度下氮碳共渗工件从大约5小时到大约10小时范围的时间段，如附图标记110'处所示。纳米晶化表面层加速/促进氮原子和碳原子通过其扩散。
在本方法的每种上述示例中，FNC使得纳米晶化表面层成为i）摩擦表面（在下文中在附图标记46、46'处被进一步描述）或者ii）耐腐蚀表面（例如，图4A和图12中的附图标记86、86'）。如本文所用，应该理解的是"摩擦"表面也可以是耐腐蚀表面（除了耐磨损和耐疲劳之外）；不过"耐腐蚀"表面不必一定是摩擦表面。应该进一步理解的是，在示例中，"耐腐蚀"表面可以是自由（非接触）表面。
这种在FNC之前形成纳米晶化表面层允许氮和碳进入铸铁工件的扩散速率更高，这导致显著更高效的FNC过程。
在不受任何理论约束的情况下，认为使用本公开的方法至少改善了如下三个方面：1.在常规的FNC温度（例如，方法100），FNC处理时间可以（从常规的5到6小时）减少到大约1小时到2小时；2.替代性地（例如，方法100'），FNC可以在常规FNC不能热动地产生硬质氮化物层的低温下被执行。该低温处理可以导致更好的尺寸稳定性，从而在一些情况下消除对于应力消除步骤的需求；以及3.表面纳米晶化微观结构本身可以有助于工件具有更好的磨损和疲劳性能。
现在参考图3，工件的示例（例如，旋转构件/制动转子12、39）和在其上操作的硬质钝工具80被示出（这发生在铸铁工件的精加工之后）。工件被示为绕轴线旋转，且同时包括小球82（例如由铁-钨合金、碳化硅、氮化硼、氮化钛、金刚石、硬化工具钢等制成）的工具80接触成品表面。应该理解的是，根据本公开的示例，在工具80、80'正在工件上操作时，工件、工具80、80'（见图14）或者二者可以正在旋转。进一步地，在本公开的示例中，工具80、80'和工件可以均不旋转，而是工具80、80'可以移动，例如前后横向移动，且同时工件纵向平移，或者反之亦然。应该进一步理解的是，设想到在本公开范围内的使得工具80、80'与工件变形地摩擦接触的其他方法。
工具80、80'向工件的成品表面施加变形力。在示例中，可以通过旋转丝杠使得钝工具80、80'前进，该丝杠控制钝工具80、80'前进到工件的旋转成品表面内超出旋转工件和钝工具80的第一接触部大约0.03 mm。应该理解的是，使得钝工具80、80'前进大约0.03 mm不必在零件内产生0.03 mm的刺入，这是因为工件、小球82和钝工具80的保持器具具有弹性变形。进一步地，小球82不是尖锐的并且不切割成品表面。钝工具80改造成品表面的晶体结构而基本不会从其去除材料。应该理解的是成品表面的变形可能是肉眼不可见的。不过，肉眼可以观察到成品表面的反射特性的变化。
在示例中，工具80可以导致小球82相对于工件振动（如图3中以虚线示出的双向箭头V所示）。振动可以以超声频率（例如，大约10,000 Hz至大约100,000 Hz）来实现。
图3A是示出在工件基体84的表面处形成纳米晶化表面层70的工具80的小球82的放大示意图。应该理解的是，小球82可以是球形、球冠形、辊形、抛物线形或者在成品表面上产生局部刻痕并且当在工件上操作（例如通过抵靠其旋转工件）时产生大变形的任意形状。
在本公开的示例中，可以向工具和/或工件施加冷却剂。应该理解的是，冷却剂的导热特性可以提高工具寿命和纳米晶化特性，不过在一些情况下润滑会对本文公开的方法产生有害效果。适当冷却剂的示例是水、空气、二氧化碳气体和氮气，其通常不具有高润滑性但是具有良好的导热特性。
图4是示出处于氮碳共渗环境的工件的示例的放大横截面示意图。纳米晶化表面层70例如由于具有大量的晶界而促进氮和碳在FNC过程（FNC）110、110'期间通过其朝向基底材料基体84的扩散。
本公开的方法的示例的执行是相对简单的并且能够被应用到许多工件（其中一种示例是具有在金属加工期间能够旋转的轴向对称的部件，例如具有盘形或圆棒形的部件）。图12示出了根据本公开的示例生产的铸铁轴。铸铁轴37具有根据本公开的示例形成的耐腐蚀表面86'。图13示出了根据本公开的示例生产的铸铁发动机缸体缸套。铸铁发动机缸体缸套35具有（根据本公开的示例形成的）内部表面87，其抵抗由与活塞环摩擦产生的磨损并且抵耐腐蚀。
铸铁工件的一种示例是交通工具制动器的旋转构件。制动器10是用于减速、停止或固定交通工具的能量转换系统。虽然交通工具广义上可以包括宇宙飞船、飞行器和地面交通工具，不过在本公开中，制动器10被用于相对于地面减速、停止或者固定轮式交通工具。更具体地，如本文公开的，制动器10被构造成减速、停止或者固定轮式交通工具的至少一个轮。地面可以通过铺路来改善。
交通工具制动器10可以是盘式制动器20、鼓式制动器50及其组合。图1示出了交通工具制动器（具体是盘式制动器20）的示例。在盘式制动器20中，旋转构件12通常在轮毂40处通过与轮爪螺母（未示出）配合地接合的多个车轮双头螺栓24被可去除地附接到轮（未示出）。盘式制动器20中的旋转构件12可称为制动盘（或转子）39。转子39可以包括通风槽38来改善冷却并增加制动盘39的刚性。当液压流体在制动软管34中被加压时，卡钳28的活塞外壳32内部的活塞（未示出）导致卡钳28挤压制动闸片36之间的制动盘39，从而接合盘式制动器20。制动闸片36可以包括当制动盘20被接合时接触制动盘39的摩擦表面46的摩擦材料。如果轮在盘式制动器20被接合时正在旋转，则运动的交通工具的动能通过制动闸片36和制动盘39之间的摩擦被转换成热。一些热能会暂时地升高制动盘39的温度，不过随着时间流逝，热会耗散到交通工具周围的大气。
现在参考图2，示出了鼓式制动器50的示例。旋转构件12'是制动鼓56（也见图7和图8）。制动鼓56被可去除地紧固到轮（未示出）。制动鼓56可以包括散热片68来改善冷却并增加制动鼓56的刚性。当液压流体在轮缸52中被加压时，活塞54导致制动闸瓦62将制动衬片66压抵于制动鼓56，从而接合鼓式制动器50。应该理解，制动衬片66是摩擦材料。替代性地，鼓式制动器50可以通过经由紧急制动线58致动紧急制动杆64被机械地接合。紧急制动杆64导致闸瓦62将制动衬片66压抵于制动鼓56。如果轮在鼓式制动器50被接合时正在旋转，则运动的交通工具的动能通过制动衬片66和制动鼓56之间的摩擦被转换成热量。一些热能会暂时地升高制动鼓56的温度，不过随着时间流逝，热会耗散到交通工具周围的大气。
图7示出了在旋转构件12'的示例中的制动鼓56的透视图。图8是图7所示的制动鼓56的旋转透视图，其示出制动鼓56的内部视图。在图8中可看到摩擦表面46'。在本公开的示例中，工件可以在与参考图3和图3A在本文所公开的过程相类似的过程中被纳米晶化。如图14所示，钝工具80'的示例可以具有直角构造以便提供通向制动鼓56的内壁上的摩擦表面46'的通路。当摩擦表面46'如图7和图8中所示的制动鼓示例中那样是圆筒形时，通过径向向外移动钝工具80'并使得小球82接合于成品表面且将成品表面转变成纳米晶化表面层70（在图14中未示出）且之后在铁素体氮碳共渗（FNC）之后转变成摩擦表面46'，钝工具80'（见图14）前进到成品表面内。如图7和图8所示，制动鼓56的示例可以包括散热片68。
应该理解的是，盘式制动器20可以与鼓式制动器50相结合。如图9和图10中所示，鼓内帽式旋转构件12''可以被包括在这样的组合中。在鼓内帽式制动器中，小的制动闸瓦可以作为紧急制动器被机械制动/线缆致动，而凸缘部分用作典型的盘式制动器。
旋转构件12、12'、12''包括被制动闸片36或制动闸瓦62的摩擦材料接合的摩擦表面46、46'。因为制动器被接合以减速交通工具，所以机械磨损和热会导致少量的摩擦材料和旋转构件12、12'、12"被磨损掉。可能的是通过减小在旋转构件12、12'、12"和摩擦材料之间的摩擦系数来减少旋转构件或摩擦材料的磨损率，不过较低的摩擦系数会使得制动器10在减速交通工具时的效率减小。
在铸铁情况下，腐蚀主要是氧化铁的形成。氧化铁是多孔的、易碎的且易于剥离。进一步地，摩擦表面上的腐蚀会是不一致的，从而有害地影响制动器性能和使用寿命。因此，腐蚀会导致摩擦表面46、46'和对应的摩擦材料的不良快速磨损。
铁素体氮碳共渗产生抵耐腐蚀和磨损的摩擦表面46、46'。在本公开的示例中，铁素体氮碳共渗用于使得纳米晶化表面层70成为在工件（例如制动器10）的旋转构件12、12'、12"上的化合物层70'。在示例中，旋转构件12、12'、12"具有化合物层70'，其被置于摩擦表面46、46'、耐腐蚀表面86、86'处。化合物层70'可以具有接触大气（例如空气）的暴露表面。
如图4A所示，化合物层70'还可以包括具有被置于暴露表面（摩擦表面46、耐腐蚀表面86）处的Fe₃0₄的氧化物层72。包括ε Fe₃N氮化铁和γ′ Fe₄N氮化铁的氮化铁层74可通常在氧化物层72的下方并且包含大部分ε Fe₃N氮化铁。进一步地，氧化物层72可以具有从氮化铁层74的厚度75的大约5%到大约50%范围的厚度73。如图4A所示，扩散层77在氮化铁层74的下方并且是在氮化铁层74和工件（例如，旋转构件）的超出铁素体氮碳共渗（未示出）的部分之间的过渡。
在示例中，具有通过本公开的方法形成的摩擦表面46、46'的铁素体氮碳共渗的旋转构件12、12'、12"呈现在大约350℃下小于每1000次停止0.4 mm的摩擦材料磨损。可以使用由SAE International出版于2005年2月的Surface Vehicle Recommended Practice J2707中的试验过程来进行实验。Akebono NS265 Non Asbestos Organic（NAO）摩擦材料可以被用于实验。
现在参考图5，示出了示例中的制动盘39的透视图。旋转构件12是具有通风槽38的制动盘39。
图6是扫描电子显微镜（SEM）图像，其示出了描绘工件基体和纳米晶化表面层（在这种示例中纳米晶化表面层70的厚度是大约8微米）的微观结构的实际工件的示例。图6中提供了比例尺来有助于估计相对尺寸。
工件/旋转构件12、12'、12"可以由铸铁制成。摩擦表面46、46'可以呈现在大约56 HRC和大约64 HRC之间的硬度。硬度直接地相关于耐磨性。
可以通过例如车削、铣削、喷砂、喷粒、研磨及其组合来实现机加工106。
应该理解的是，氮碳共渗包括气体氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺或者盐浴氮碳共渗工艺。盐浴氮碳共渗工艺可以包括至少将旋转构件12、12'、12"的摩擦表面46、46'浸入氮碳共渗盐浴内，且之后至少将旋转构件12、12'、12"的摩擦表面46、46'浸入到氧化盐浴内。
应该理解的是，旋转构件12、12'、12" 可以包括制动盘39、制动鼓56或其组合。
进一步地，本方法100、100'的示例可以类似于执行FNC方法改善耐腐蚀性而不需要首先形成纳米晶化表面层70。
总之，本公开的方法的示例可以将FNC循环时间减小到大约1/5到1/10（例如，在570℃时从大约5到6个小时减小到大约1到2个小时）。替代性地，示例可以使得能够实现低温FNC（从570℃减小到大约400℃-450℃）以便减少零件扭曲。本公开的示例进一步产生具有改善的耐磨损/耐疲劳和耐腐蚀性的工件。相比于其他表面纳米晶化过程，可以实现增加的生产率。例如，通过喷丸硬化实现的纳米晶化每平方厘米会需要大约36秒。形成鲜明对比的是，本文公开的方法的示例每平方厘米会用大约2秒。
在本文中已经以范围形式表述了数值数据。应该理解的是，这个范围形式仅是为了使用方便和简明并且应该被灵活地解释为不仅包括作为范围的界限被明确列出的数值，还应该包括在这个范围内所涵盖的所有单个数值或子集范围，就如同每个单个数值和子集范围均被明确列出一样。例如，从大约5小时到大约10小时范围的时间段应该被解释为不仅包括大约5小时到大约10小时的明确列出的界限，而且包括例如5.5小时、7小时、8.25小时等等的单个量和例如8小时到9小时等的子集范围。此外，当使用"大约"来描述值时，这意味着包含所述值的微小变化（达到+/-10%）。
在描述和声明本文公开的示例时，单数形式"一"、"一种"和"该"包括复数个指代对象，除非上下文明确指出不可。
虽然已经具体描述了多个示例，不过本领域技术人员将显而易见到可以修改所公开的示例。因此，上文描述将被看作是非限制性的。