Направляющая деталь, механическая система, содержащая такую направляющую деталь, и способ изготовления такой направляющей детали

Изобретение относится к направляющей детали. Направляющая деталь содержит корпус, снабженный отверстием для установки подвижного элемента. Корпус состоит из металлического материала. Отверстие имеет поверхностный слой, обработанный против заклинивания на глубину (P16) диффузии, меньшую либо равную 0,6 мм. Поверхностный слой имеет твердость, большую либо равную 500 Hv1, на глубину (P18) от 5 до 50 мкм. Достигается повышение устойчивости к абразивному износу. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к направляющей детали, механической системе, содержащей такую направляющую деталь, и способу изготовления такой направляющей детали.

Область техники изобретения – это механические системы, работающие в режиме колебаний, поступательного движения или вращения под высокими нагрузками и подверженные воздействиям в абразивной среде.

Уровень техники

Обычно такая система содержит направляющую деталь и подвижный элемент, как описано в документе WO 2006087498.

Например, система может образовывать узел для строительства общественных сооружений или горнодобывающей машины, сельскохозяйственного транспортного средства, производственной установки и т. д.

Кольца, изготовленные из бронзы, композитного материала или полимерного материала, обладают тем преимуществом, что, когда они подвергаются высоким нагрузкам, они способны адаптироваться к геометрии вала и, таким образом, снижать нормальные давления. Уменьшение коэффициента p.V (произведение диаметрального давления p в Н/мм² и окружной скорости V в м/с) приводит к уменьшению износа кольца.

Однако их низкая поверхностная твердость приводит к низкой устойчивости к абразивному износу.

В результате для применений, подверженных высоким нагрузкам и высокому абразивному действию, обычно используются стали с высокими механическими свойствами (Re > 800 МПа) и высокой твердостью. Эти стали подвергаются термообработке и имеют бейнитную или мартенситную структуру.

Однако из-за своих выраженных механических свойств эти кольца не могут адаптироваться к изгибанию осей. Это приводит к очень высоким локальным коэффициентам p.V и, следовательно, к износу, а затем и к заклиниванию.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения заключается в предоставлении усовершенствованной направляющей детали, позволяющей преодолеть вышеуказанные недостатки.

С этой целью изобретение относится к направляющей детали, содержащей корпус, снабженный отверстием для установки подвижного элемента, причем корпус выполнен из металлического материала, характеризующейся тем, что отверстие имеет поверхностный слой, обработанный против заклинивания на глубину диффузии, меньшую либо равную 0,6 мм, причем поверхностный слой имеет твердость, большую либо равную 500 Hv1, на глубину от 5 до 50 мкм.

Таким образом, изобретение позволяет получить направляющую деталь с высокими эксплуатационными характеристиками в области применения при высоких нагрузках и воздействиях в абразивной среде, с отличным компромиссом между сопротивлением заклиниванию, устойчивостью к абразивному износу и адаптацией. Направляющая деталь имеет высокие эксплуатационные характеристики, обычно достигаемые с гораздо более дорогими категориями сталей, а также более длительными и глубокими обработками поверхности. Предлагаемое решение более конкурентоспособно, с улучшенным соотношением эксплуатационные характеристики / стоимость.

Согласно другим преимущественным характеристикам изобретения, взятым отдельно или в сочетании:

- металлический материал является материалом, представляющим собой черный металл;

- металлический материал выбран из конструкционных сталей или низколегированных сталей;

- металлический материал корпуса имеет предел текучести Re от 200 до 600 МПа;

- металлический материал имеет предел текучести Re от 300 до 600 МПа;

- металлический материал имеет предел текучести Re от 400 до 500 МПа;

- поверхностный слой обработан против заклинивания на глубину диффузии, меньшую либо равную 0,3 мм;

- поверхностный слой имеет твердость, большую либо равную 500 Hv1, на глубину от 25 до 50 мкм;

- поверхностный слой имеет твердость, большую либо равную 550 Hv1, на глубину от 5 до 50 мкм;

- поверхностный слой имеет твердость, большую либо равную 550 Hv1, на глубину от 25 до 50 мкм.

Изобретение также относится к механической системе, содержащей направляющую деталь по любому из предыдущих пунктов и подвижный элемент, расположенный в отверстии этой направляющей детали.

Изобретение также относится к способу изготовления направляющей детали, описанной выше, при этом указанная направляющая деталь содержит корпус, снабженный отверстием для установки подвижного элемента, при этом способ характеризуется тем, что он включает следующие последовательные этапы:

- изготовление корпуса из металлического материала;

- выполнение обработки поверхности отверстия с целью защиты направляющей детали от заклинивания, при этом обработка поверхности воздействует на поверхностный слой отверстия на глубину диффузии, меньшую либо равную 0,6 мм, при этом после обработки поверхности поверхностный слой имеет твердость, большую либо равную 550 Hv1, на глубину от 5 до 50 мкм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение станет более понятным из следующего описания, приведенного исключительно в качестве неограничивающего примера и выполненного со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:

фиг. 1 – вид в продольном разрезе механизированной системы согласно изобретению, содержащей направляющую деталь согласно изобретению и подвижный элемент;

фиг. 2 – увеличенный вид детали II на фиг. 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 и 2 показана механическая система 1 согласно изобретению, содержащая кольцо 10 согласно изобретению и вал 20, расположенный в кольце 10 вдоль продольной оси X1.

Система 1 выполнена с возможностью выдерживать высокие нагрузки и/или воздействия в абразивной среде. Система 1 представляет собой, например, узел для строительства общественных сооружений или горнодобывающей машины, сельскохозяйственного транспортного средства, производственной установки для сталелитейной промышленности и т. д.

Кольцо 10 содержит корпус 12 и отверстие 14 с цилиндрическим профилем, образованным в корпусе 12. Отверстие 14 выполнено с возможностью вмещать вал 20, который двигается с возможностью вращения относительно оси X1 и/или поступательного движения вдоль оси X1 в соответствии с непрерывным или возвратно-поступательным движением. Кольцо 10 образует деталь для направления вала 20 при его вращении и/или поступательном движении.

Область фрикционного контакта между кольцом 10 и валом 20, более конкретно между отверстием 14 и внешней поверхностью вала 20, предпочтительно содержит смазочный материал. Отверстие 14 может быть гладким или может содержать полости, действующие в качестве источника смазочного материала, как описано в документах EP 0987456 и WO 2006087498.

Корпус 12 выполнен из металлического материала, имеющего предел текучести Re от 200 до 600 МПа. Предпочтительно металлический материал может быть выбран из конструкционных сталей или низколегированных сталей (содержащих по меньшей мере 95 % железа и углерода). Это значительно снижает стоимость изготовления кольца 10, обеспечивая при этом ряд преимуществ, подробно описанных ниже. Металлический материал имеет предел текучести Re предпочтительно от 300 до 600 МПа и еще более предпочтительно от 400 до 500 МПа.

В качестве неограничивающих примеров материал корпуса 12 может быть выбран из следующих металлических материалов:

[Таблица 1]

Согласно изобретению отверстие 14 имеет поверхностный слой 16, обработанный против заклинивания на глубину P16 диффузии, меньшую либо равную 0,3 мм. Поверхностный слой 16 имеет твердость, большую либо равную 500 Hv1, на глубину P18 от 10 до 50 мкм. Твердость может составлять от 500 до 650 Hv1, предпочтительно более 550 Hv1. Глубина P18 предпочтительно составляет от 20 мкм до 50 мкм. Например, глубина P16 диффузии обработки поверхности для предотвращения заклинивания, применяемой к отверстию 14, может составлять 0,2 мм при твердости, равной 600 Hv1, на глубину P18 30 мкм. Глубины P16 и P18 на фиг. 2 для упрощения не соответствуют масштабу.

Предпочтительно обработкой для предотвращения заклинивания является азотирование.

Если глубина P18 упрочнения слишком мала (< 10 мкм), износостойкость будет слишком низкой. Если глубина P18 слишком велика (> 50 мкм), поверхностный слой 16 становится хрупким и менее упругим, и, следовательно, подвержен отслаиванию, и имеет меньшую способность к адаптации.

Глубина P16 диффузии обработки поверхности для предотвращения заклинивания ограничена до 0,3 мм, чтобы сохранить свойства максимальной адаптации. Таким образом, обработка поверхности будет иметь преимущество в том, что она не будет отслаиваться, когда она подвергается сжатию по меньшей мере на 4 %.

Предпочтительно поверхностный слой 16 имеет твердость, большую либо равную 500 Hv1, более предпочтительно большую либо равную 550 Hv1, на глубину P18 от 25 до 50 мкм. Глубина, составляющая по меньшей мере 25 мкм, позволяет еще больше увеличить срок службы направляющей детали за счет увеличения износостойкости.

Согласно конкретному варианту осуществления поверхностный слой 16, обработанный против заклинивания, содержит комбинированный слой (также называемый белым слоем) на глубине P18 и слой диффузии на глубине P16.

Предпочтительно поверхностный слой 16, обработанный против заклинивания, также содержит промежуточный слой, расположенный между комбинированным слоем и слоем диффузии.

Промежуточный слой предпочтительно расположен на глубине от 20 до 50 мкм, а более предпочтительно от 25 до 50 мкм. Глубина P18, составляющая по меньшей мере 25 мкм, продлевает срок службы промежуточного слоя, а следовательно и направляющего элемента за счет увеличения износостойкости. Глубина 50 мкм или менее увеличивает упругость промежуточного слоя и, таким образом, направляющего элемента, улучшает способность к адаптации и сокращает отслаивание.

Промежуточный слой имеет твердость, большую либо равную 500 Hv1, предпочтительно большую либо равную 550 Hv1, на глубину P18 от 20 до 50 мкм, предпочтительно от 25 до 50 мкм.

Промежуточный слой образован при обработке против заклинивания, в частности азотированием или нитроцементацией, когда указанную обработку проводят при высокой температуре, то есть температуре выше либо равной 592 °C.

Температура 592 °C ограничивает ферритную фазу аустенитной фазы на диаграмме железо-азот. При температуре выше 592 °C образуется фаза γN (аустенит, обогащенный азотом), что соответствует промежуточному слою, описанному выше.

После постобработки отверстия 14 можно проверить твердость промежуточного слоя. Посредством высокотемпературной постобработки можно получить промежуточный слой с высокой твердостью, а с помощью более низкотемпературной обработки можно получить промежуточный слой с более низкой твердостью. Примерами постобработки, которая может быть использована, являются окисление, например, в ваннах с расплавленными солями при температуре от 350 °C до 500 °C, газовое окисление при температуре от 350 °C до 500 °C или окисление в соленой воде при температуре кипения от 120 °C до 160 °C.

Поскольку металлические материалы разрушаются, когда они подвергаются нагрузкам, превышающим их пределы текучести, после того как адаптация выполнена, сопротивление нагрузке механически напряженных зон будет выше.

По сравнению с кольцами из металлических материалов, обладающих выраженными механическими свойствами (Re > 600 МПа), использование кольца 10 из металлического материала, имеющего менее выраженные механические свойства (Re < 600 МПа), позволяет снизить нормальное давление в области контакта между кольцом 10 и валом 20 за счет адаптации их обращенных друг к другу поверхностей, и, следовательно, снизить коэффициент p.V, и, следовательно, снизить износ в механической системе 1.

После адаптации материала осуществляют обработку поверхности и обеспечивают высокую твердость поверхности, что позволяет получить хорошую устойчивостью к абразивному износу и сопротивление заклиниванию.

Неожиданно оказалось, что механическая система 1 в итоге более эффективна с кольцом 10 согласно изобретению, изготовленным из материала Re < 600 МПа, чем с кольцом, изготовленным из материала Re > МПа.

По сравнению с кольцами, изготовленными из композитных материалов и полимерных материалов, кольцо 10 имеет лучшее сопротивление нагрузке после механического упрочнения поверхностного слоя и лучшую устойчивость к абразивному износу за счет твердости поверхности поверхностного слоя 16, подвергнутого обработке поверхности.

По сравнению с кольцами из бронзы (125 < Re < 175 МПа), латуни (Re ≈ 180 МПа) и медно-алюминиевыми кольцами кольцо 10 имеет лучшую устойчивость к абразивному износу.

По сравнению с кольцами, изготовленными из стали, упрочненной в массе или поверхностно (высокочастотная индукционная пропитка, цементация), кольцо 10 имеет лучшее сопротивление заклиниванию и лучшую способность адаптироваться к нагрузке.

По сравнению с кольцами, имеющими жесткое покрытие для предотвращения заклинивания, нанесенное в отверстии (термическое напыление, PVD, химический Ni, твердый Cr и т. д.), требующими материал, обладающий выраженными механическими свойствами (Re > 600 МПа), для предотвращения отслаивания покрытия, подвергаемого абразивному износу и воздействиям, кольцо 10 может быть выполнено из металлического материала, имеющего менее выраженные механические свойства (Re < 600 МПа), что обеспечивает различные преимущества, представленные выше.

Сравнительное испытание проводят с использованием двух механических систем, содержащих кольцо и вал, который может вращаться в кольце в течение 1000 часов.

Когда кольцо изготовлено из стали с Re > 600 МПа, адаптация недостаточна, нагрузки плохо распределяются, коэффициент p.V высок в местах, где нагрузки максимальны, что приводит к значительному износу вала.

Когда кольцо 10 выполнено в соответствии с изобретением, с Re < 600 МПа и обработкой поверхности для предотвращения заклинивания, адаптация удовлетворительная, нагрузки лучше распределяются, коэффициент p.V ограничен, и видно, что износ вала 20 намного меньше, чем в приведенном выше случае.

Для более конкретной характеристики кольца 10 показано сечение корпуса 12 в радиальной плоскости. Это позволяет показать механическое упрочнение кольца 10 и повышение его механических характеристик. Корпус 12 подвергся деформации на 3 %, т. е. диаметр отверстия 14 увеличился на 3 %. Твердость корпуса 12, измеренная на глубину 0,6 мм от поверхности деформированного отверстия 14, составляет 295 Hv0,1 против 265 Hv0,1 до испытания, то есть предел текучести при растяжении Re составляет от 850 МПа до 950 МПа.

Кроме того, механическая система 1 может иметь форму, отличную от системы по фиг. 1 и 2, не выходя за пределы объема настоящего изобретения.

В варианте, который не показан, система 1 может содержать направляющую деталь 10, отличную от кольца.

Согласно другому варианту (не показан) система 1 может содержать элемент 20, отличный от вала, причем этот элемент 20 двигается в элементе 10 с возможностью вращения относительно оси X1 и/или поступательного движения вдоль оси X1.

Согласно другому варианту (не показан) элемент 10 может содержать несколько отверстий 14, имеющих поверхностный слой 16 согласно изобретению.

Кроме того, технические характеристики различных вариантов осуществления и вариантов, упомянутых выше, могут полностью или частично сочетаться. Таким образом, механическая система 1 и направляющая деталь 10 могут быть приспособлены применительно к стоимости, функциональности и техническим характеристикам.

1. Направляющая деталь (10), содержащая корпус (12), снабженный отверстием (14) для установки подвижного элемента (20), причем корпус (12) выполнен из металлического материала, отличающаяся тем, что металлический материал корпуса (12) имеет предел текучести Re от 200 до 600 МПа и отверстие (14) имеет поверхностный слой (16), обработанный против заклинивания на глубину (P16) диффузии, меньшую либо равную 0,6 мм, причем поверхностный слой (16) имеет твердость, большую либо равную 500 Hv1, на глубину (P18) от 5 до 50 мкм.

2. Направляющая деталь (10) по п. 1, отличающаяся тем, что металлический материал является материалом, представляющим собой черный металл.

3. Направляющая деталь (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что металлический материал выбран из конструкционных сталей или низколегированных сталей.

4. Направляющая деталь (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что металлический материал имеет предел текучести Re от 300 до 600 МПа.

5. Направляющая деталь (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что металлический материал имеет предел текучести Re от 400 до 500 МПа.

6. Направляющая деталь (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что поверхностный слой (16) обработан против заклинивания на глубину (P16) диффузии, меньшую либо равную 0,3 мм.

7. Направляющая деталь (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что поверхностный слой (16) имеет твердость, большую либо равную 500 Hv1, на глубину (P18) от 25 до 50 мкм.

8. Направляющая деталь (10) по любому из пп. 1–6, отличающаяся тем, что поверхностный слой (16) имеет твердость, большую либо равную 550 Hv1, на глубину (P18) от 5 до 50 мкм.

9. Направляющая деталь (10) по любому из пп. 1–6, отличающаяся тем, что поверхностный слой (16) имеет твердость, большую либо равную 550 Hv1, на глубину (P18) от 25 до 50 мкм.

10. Механическая система (1), содержащая направляющую деталь (10) по любому из предыдущих пунктов и подвижный элемент (20), расположенный в отверстии (14) указанной направляющей детали (10).

11. Способ изготовления направляющей детали (10) по любому из пп. 1–9, содержащей корпус (12), снабженный отверстием (14) для установки подвижного элемента (20), отличающийся тем, что способ включает следующие последовательные этапы:

- изготовление корпуса (12) из металлического материала, имеющего предел текучести Re от 200 до 600 МПа;

- выполнение обработки поверхности отверстия (14) с целью защиты направляющей детали (10) от заклинивания, при этом обработка поверхности воздействует на поверхностный слой (16) отверстия (14) на глубину (P16) диффузии, меньшую либо равную 0,6 мм, при этом после обработки поверхности поверхностный слой (16) имеет твердость, большую либо равную 550 Hv1, на глубину (P18) от 5 до 50 мкм.