CN1032263C - 电动机转轴的制造方法 - Google Patents

Abstract

按本发明的电动机转轴仅在轴颈部分表面上构成有硬氮化层，这样的电动机转轴与就整个电动机转轴使用硬材料的情况相比成本低，不那么重且有优良的耐久性。按本发明制造电动机机转轴的方法，氮化处理前使用氟化处理以把轴颈部分表面上惰性表层，如氧化层，转换为氟化物层，氟化物层保护该表面。因此，甚至在轴颈部分表面上氯化形成和氮化处理间有时间间隔，该氟化物层保护且保持轴颈部分表面在有利的情况下，结果是阻止了其表面上氧化层的再形成。

Description

电动机转轴的制造方法

本发明涉及电动机转轴，它包括有显著改进性能(如耐久性)的硬氮化层的轴颈部分，且涉及电动机转轴的制造方法。

通常要求在工业自动装置以及诸如此类的装置中用作执行机构的直流或交流伺服电动机对装置的控制位置以高准确性快速响应，还要求其有足够的耐久性，以经受频繁重复地启动，停机和正反转变化的工作。图4举例说明了包括这种伺服电动机通用结构的一种直流伺服电动机。该伺服电动机20有带左、右侧壁的电动机壳21，各侧壁有用以可旋转支撑钢制转轴22的轴颈部分22a的支承金属23。电动机转轴22带有电枢24，电枢线圈25，换向器26等。在面对电枢24处的机壳21上固定永磁铁27，转轴22的一端与位置/速度检测器30相连，其另一端的输出部分22b处与减速器29如齿轮相连。为满足上述要求，有上述结构的伺服电动机20在与支承金属23相连系的轴颈部分22a处需有高的耐久性。

由此，为改进其轴颈部分22a的耐久性，选用各种有高耐久性的钢材料作为电动机转轴22。这就导致了材料成本和重量增加的问题。因此本发明的一个目的是在不增加材料成本和重量的情况下，改进电动机转轴的轴颈部分的耐久性。

为完成上述目的，本发明的第一要点在于把电动机转轴轴颈部分的表面层加工成硬氮化层，本发明的第二要点在于电动机转轴的制造方法，其中转轴的轴颈部分保持在氟或含氟化物气的气氛中在加热情况下在轴颈部分的表面上形成氟化层，而后进一步保持在氮化物气体气氛中在加热情况下在轴颈部分的表面上形成硬氮化层。

详细地说，本发明的电机转轴在轴颈部分的表面层构成有硬氟化物层，但不是对整个电机转轴使用硬材料，由此使电机转轴有低的成本，不那么重而有极好的耐久性，另外，在根据本发明电机转轴的制造方法中，轴的轴颈部首先保持在氟或含氟化物气体的气氛中，在加热情况下在轴颈部分表面上形成氟化层，进一步保持在氮化气氛中，在加热情况下从轴颈部分除去形成的氟化层且同时在除去的部分(轴颈部分的表面层上)形成硬氮化层。在处理过程中，氮化前在轴颈部分的表面上氟化层的形成以净化且同时活化轴颈部分的表面，从而在轴颈部分表面上均匀地形成有相当深度的氮化层，由此硬的氮化层在厚度上将是均匀而密集的。

其次，本发明的细节在下面将予以说明。

用于本发明氟化过程的氟和含氟化物气体是一无活性的气体，如包括含氟组分(如NF₃、BF₃、CF₄、HF、SF₆、F₂、NF₃)之至少一种的N₂对本目的相应的活动性和处理性能是最可取和适用的。

根据本发明的制造方法的氮化过程，电动机转轴(钢制的，如不锈钢，且除轴颈部分外涂以公知的抗硬化剂)如上述保持在氟或氟化物气体气氛中，在加热情况下，如250-400℃，当使用NF₃时在轴颈部分的表面上生成氟化层，然后氮化或碳氮化，使用一种公知的氮化气体，如氨。在氟化气体中的含氟组分，(如NF₃)的浓度比如是1000-100000ppm，更好是20000-70000ppm，最好是30000-50000ppm。在氟或含氟化物气体中的保持时间可以相应于电动机转轴的各种钢材料，尺寸，加热温度或诸如此类的因素加以选定，通常是几分钟或好几十分钟。

本发明的加工过程将进一步详述。图4所示的电动机转轴22是钢制的且除轴颈部分外加以遮蔽，其轴颈部分22a可清扫除油再置于如图1所示的热处理炉1中。加热炉1是一种坑炉，它包括外壳2，壳中有加热器3和设置在加热器3内侧的内槽4。气体引入管5和排气管6插入在坑炉中、气体从气瓶15、16经流量计17、阀18等由气体引入管导入。坑炉内部的气体由电动机7带动的风扇8搅动。电动机转轴22装在置于炉内的金属容器11中。图中标号13表示真空泵和14表示有害物质的消除装置。氟或含氟化物的气体，如NF₃和N₂的混合气体，注入炉中且加热至预定反应温度。在250-400℃ NF₃产生活性的氟，以致在轴颈部分22a表面上的有机和无机沾染物被清除且所产生的氟同时与在轴颈部分22a表面上的铁、铬质或氧化物如FeO、Fe₃O₂、Cr₂O₃起反应，如下面的化学式所示，由此在轴颈部分22a表面上形成包括组分如FeF₂、FeF₃、CrF₂、CrF₄的非常薄的氟化物层。

该反应把在轴颈部分22a表面上的氧化物层转换成氟化物层且除去所在表面上吸附的O₂。在温度低于600℃情况下氟化物层是稳定的，当不存在氧，氢、水时使氧化物的形成及金属基质上氧的吸附得以防止。按照氟化过程，炉子材料表面上在开始阶段生成氟化物层，所以其后氟化物层防止了由于使用氟或含氟化物气体对炉子材料表面损害的可能性。用氟或含氟化物气体适当地处理轴颈部分22a是进一步加热至氮化温度480-700℃且在这个阶段施加NH₃气体或NH₃和含碳组分(如RX气体)气体的混合气体，使上述氟化物层被氢或微量水所减少或破碎，如下面的化学式所示，由使此活性的金属质形成和露出。

同时随着活化了金属质的形成，活性氮原子进入金属并在其中扩散，结果是在金属质表面上形成了包括氮化物如CrN、Fe₂N，Fe₃N，Fe₄N的固态化合物层(氮化层)。其次，对转轴22的上述遮蔽加以适当清除。

惯用的氮化处理形成类似于上述的氮化层，但由于从一般室温升至氮化温度期间氧化物层的形成或在这时氧的吸附，在基质表面上有较低的活性，以致在基质表面上氮原子的吸附程度低且不均匀。实际上难于保持炉子中NH₃分解的均匀程度加剧了上述的不均匀性。按本发明的制造过程，提供固态的氮化层消除了上述问题，氮原子在轴颈部分表面上的吸附得以均匀而快速地完成。

这样制成的电动机转轴22，其中它的轴颈部分22a的表面层包括如图2所示的硬氮化层A，因而有优良的耐久性。

图3所示的伺服电动机20，除用滚珠轴承31表示电动机转轴支承23外基本上与图4的电机相同。在这种情况下，按本发明氮化处理时滚珠轴承31(特别是滚动件，如滚珠和轴承圈)与电动机转轴22的轴颈部分22a一起氮化，由此减小了滚珠轴承自身的摩擦阻力且刚性地装于轴颈部分22a。

除钢外的金属材料如铝，钛亦可使用作电动机转轴且能得到上述相同的效果。

从上述可以看出，本发明的电机转轴在轴颈部分的表面层构成硬氮化层而不是就整个电机转轴使用硬材料，所以能得到低成本，不那么重且有优良耐久性的曲轴。

因此，本发明的曲轴有固态的氮化层可以减少滑动阻力到约1/3，由此能实现节省冷却剂或其它同类的东西。

另外，如上所述，按本发明的制造方法，氮化处理之前实施氟化，以把轴颈部分表面上的惰态表层，如氧化物层，转换为保护该表面的氟化层。甚至在轴颈部分A氟化物层的形成和氮化处理间有时间间隔，氟化物保护且保持轴颈部分表面处于有利的状况，结果是防止了在其表面上氧化物层的再组成。在后来的氮化处理中氟化物层被分解和除去，以使轴颈部分表面露出。由于露出的金属表面被活化，氮化处理中的氮原子容易深深而又均匀地渗透且扩展轴颈部分，由此把轴颈部分表面层加工成密集而又均匀的硬氮化层。

图1是用于本发明一个实施例中的热处理炉的断面示意图，

图2形成在电动机转轴的轴颈上的氮化层情况的断面示意图。

图3-4带有各自电动机转轴的电动机的断面示意图。

其次，本发明将涉及一个实施例。

由SUS316不锈钢制的电动机转轴(150×φ25mm)的轴颈部分用三氯乙烷加以清洗。清洗过的轴除轴颈部分外的其余部分加以遮蔽，而后置于如图1的热处理炉1中，保持在包括5000ppm NF₃的氮气体气氛中300℃15分钟，接着加热至530℃且把50％NH₃＋50％N₂的混合气体导入热处理炉1中，实施轴的氮化3小时。而后，轴被空冷且从炉中取出。电动机转轴轴颈部分氮化层的厚度为10-70μm，而氮化层的表面硬度为1000-1350Hv且该硬度实质上高于以惯用氮化方法所得到的硬度。

Claims (1)

1.一种制造电动机转轴的方法，包括掩盖轴颈以外电动机转轴部分的步骤，将电动机转轴的轴颈部分置于加热条件下的含氟或氟化物的气体中，在轴颈部分的表面上形成氟化层，然后进一步置于加热条件下的氮化气体中，在轴颈部分的表层形成硬质氮化层，和然后除去所说的掩盖。

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