用于處理鑄鐵工件的方法和由其形成的工件的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開總體上涉及用于處理鑄鐵工件的方法和由其形成的工件。
【背景技術】
[0002]鑄鐵材料可以被用于希望抵抗由于摩擦產(chǎn)生的表面磨損的應用中。當被暴露于其所使用的環(huán)境中時未處理的鑄鐵材料通常易于腐蝕。例如噴涂的一些表面處理易于快速磨損和/或可能對于鑄鐵材料的正常功能是有害的。

【發(fā)明內容】

[0003]一種用于處理鑄鐵工件以增加其使用壽命的方法包括機加工該工件以在其上提供成品表面并且通過抵靠鈍工具摩擦該成品表面使得該工件的成品表面變形從而形成納米晶化表面層。該工件被氮碳共滲，所述納米晶化表面層加速氮原子和碳原子通過其擴散。氮碳共滲發(fā)生于:i)如果工件在機加工之前被應力消除，則在從大約550°C到大約570°C范圍的溫度下氮碳共滲從大約I小時到大約2小時范圍的時間段，或者ii)如果工件在機加工之前不被應力消除，則在從大約370°C到大約450°C范圍的溫度下氮碳共滲從大約5小時到大約10小時范圍的時間段。氮碳共滲使得納米晶化表面層成為i)摩擦表面，或者ii)耐腐蝕表面。
【附圖說明】
[0004]通過參考下述具體說明和附圖將顯而易見到本公開的示例的特征和優(yōu)點，附圖中同樣的附圖標記對應于相似的但可能不相同的部件。出于簡明的原因，具有被在先描述的功能的附圖標記或特征可以或可以不結合其所存在的其他附圖被描述。
[0005]圖1示出了在本公開示例中的盤式制動器組件的透視圖。
[0006]圖2示出了在本公開示例中的鼓式制動器組件的側視圖。
[0007]圖3是示出工件和其上操作的工具的示例的示意性透視圖。
[0008]圖3A是圖3的工件和工具的一部分的放大橫截面不意圖，其不出了工具正在形成納米晶化表面層。
[0009]圖4是示出處于氮碳共滲環(huán)境的工件的示例的放大橫截面示意圖。
[0010]圖4A是以顯微放大示出在鐵素體氮碳共滲之后化合物層的示例的截面圖的示意繪圖。
[0011]圖5是本公開示例中的制動盤的透視圖。
[0012]圖6是掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，其類似于圖4的視圖，不過示出了描繪基體和納米晶化表面層的微觀結構的實際工件的示例。
[0013]圖7是本公開示例中的制動鼓的透視圖。
[0014]圖8是示出圖7中所示的制動鼓的內部的透視圖。
[0015]圖9是鼓內帽式旋轉構件的透視圖。
[0016]圖10是圖9中所示的鼓內帽式旋轉構件的橫截面圖。
[0017]圖1lA是示出根據(jù)本公開的方法的示例的流程圖。
[0018]圖1lB是示出根據(jù)本公開的方法的另一示例的流程圖。
[0019]圖12是本公開示例中的軸的透視圖。
[0020]圖13是本公開示例中的發(fā)動機缸體缸套的透視圖。
[0021]圖14是示出圖8中所示的制動鼓的內部的透視圖且其具有在其上操作的工具的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]本公開的示例有利地提供了用于鑄鐵的更快速且更具有能量效率的鐵素體氮碳共滲(FNC)處理的表面納米晶化過程。
[0023]大體而言，根據(jù)本公開示例的方法包括通過例如抵靠鈍工具變形而表面納米晶化，以及氮和碳原子穿過納米晶化表面層的加速擴散，以便在鑄鐵部件/工件上形成基本無銹且高度耐磨/耐疲勞的殼體。
[0024]應該理解的是，在本公開的示例中，抵靠鈍工具的變形是局限于鈍工具和工件之間的接觸部位的劇烈的塑性變形。在基本不形成碎肩且在變形過程中不去除材料的情況下發(fā)生該變形。進一步地，本公開的示例的局部變形不同于在拉絲或板材金屬軋制中會發(fā)生的全局變形。雖然本公開的變形發(fā)生在鈍工具附近，但是通過向整個表面系統(tǒng)地應用鈍工具可以納米晶化工件的較大表面。在示例中，可以通過旋轉汽缸且同時沿汽缸軸線移動鈍工具來納米晶化汽缸表面。在示例中，鈍工具將在汽缸的整個表面上采用螺旋路徑。將進一步理解的是可以使用鈍工具在成品表面上行進一遍以上。在示例中，使用鈍工具在成品表面上行進四遍。
[0025]常規(guī)鐵素體氮碳共滲(FNC)通常在大約570°C時進行大約5到6小時以便在金屬零件(例如制動轉子)的表面上獲得10微米厚的硬質層以實現(xiàn)更好的耐磨損、耐疲勞和耐侵蝕。相比之下，本公開的方法的示例可以有利地將FNC時間減小到大約I到2小時來獲得相同硬質層厚度且因此顯著降低處理能量的成本。
[0026]首先參考圖11A，本公開的方法的示例100包括鑄造鑄鐵(例如，灰鑄鐵、球墨鑄鐵等等)工件，如附圖標記102處所示；使鑄鐵工件應力消除，如附圖標記104處所示；機加工工件以在其上提供成品表面，如附圖標記106處所示；通過抵靠鈍工具(在本文被進一步描述)摩擦(例如通過旋轉)成品表面來使得工件的成品表面變形，從而在成品表面處形成納米晶化表面層，如附圖標記108處所示；以及，在從大約550°C到大約570°C范圍的溫度下氮碳共滲工件從大約I小時到大約2小時范圍的時間段，如附圖標記110處所示。
[0027]納米晶化表面層加速/促進氮原子和碳原子通過其擴散。應該理解的是納米晶化表面層(在下文中在附圖標記70處被進一步描述)具有任意合適的厚度。不過，在本公開的示例中，納米晶化表面層70的厚度在從大約3 Mm到大約15 Mm的范圍。在進一步的示例中，納米晶化表面層70的厚度是大約8 Mm。
[0028]現(xiàn)在參考圖11B，本公開的方法的示例100’包括鑄造鑄鐵工件，如附圖標記102處所示；機加工工件以在其上提供成品表面，如附圖標記106處所示；通過抵靠鈍工具(在本文被進一步描述)摩擦(例如通過旋轉)成品表面來使得工件的成品表面變形，從而在成品表面處形成納米晶化表面層，如附圖標記108處所示；以及，在從大約370°C到大約450°C范圍的溫度下氮碳共滲工件從大約5小時到大約10小時范圍的時間段，如附圖標記110’處所示。納米晶化表面層加速/促進氮原子和碳原子通過其擴散。
[0029]在本方法的每種上述示例中，F(xiàn)NC使得納米晶化表面層成為i)摩擦表面(在下文中在附圖標記46、46’處被進一步描述)或者ii)耐腐蝕表面(例如，圖4A和圖12中的附圖標記86、86’)。如本文所用，應該理解的是"摩擦"表面也可以是耐腐蝕表面(除了耐磨損和耐疲勞之外)；不過〃耐腐蝕〃表面不必一定是摩擦表面。應該進一步理解的是，在示例中，"耐腐蝕"表面可以是自由(非接觸)表面。
[0030]這種在FNC之前形成納米晶化表面層允許氮和碳進入鑄鐵工件的擴散速率更高，這導致顯著更高效的FNC過程。
[0031]在不受任何理論約束的情況下，認為使用本公開的方法至少改善了如下三個方面:1.在常規(guī)的FNC溫度(例如，方法100)，F(xiàn)NC處理時間可以(從常規(guī)的5到6小時)減少到大約I小時到2小時；2.替代性地(例如，方法100’)，F(xiàn)NC可以在常規(guī)FNC不能熱動地產(chǎn)生硬質氮化物層的低溫下被執(zhí)行。該低溫處理可以導致更好的尺寸穩(wěn)定性，從而在一些情況下消除對于應力消除步驟的需求；以及3.表面納米晶化微觀結構本身可以有助于工件具有更好的磨損和疲勞性能。
[0032]現(xiàn)在參考圖3，工件的示例(例如，旋轉構件/制動轉子12、39)和在其上操作的硬質鈍工具80被示出(這發(fā)生在鑄鐵工件的精加工之后)。工件被示為繞軸線旋轉，且同時包括小球82 (例如由鐵-鎢合金、碳化硅、氮化硼、氮化鈦、金剛石、硬化工具鋼等制成)的工具80接觸成品表面。應該理解的是，根據(jù)本公開的示例，在工具80、80’正在工件上操作時，工件、工