CN104561464A - 一种高性能法兰轴的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能法兰轴的制备方法，属于法兰轴制备技术领域。本发明在常规添加Cr、Mn、Ni的基础上，从提高法兰轴显微硬度，细化法兰轴晶粒以达到法兰轴组织细化的角度出发，进一步增加了N、Al、Zr等元素。本发明的制备步骤为：按化学元素组分配比铸出铸坯；对法兰轴进行退火处理；采用真空气淬炉对法兰轴进行分段加热；向真空气淬炉内充入氩气，将法兰轴快速冷却；将法兰轴置于控冷装置中，控制法兰轴旋转，同时在法兰轴表面涂覆纳米陶瓷涂层，当法兰轴表面温度低于150℃时出炉空冷后精加工。本发明增加了法兰轴的组织均匀性、硬度落差小，耐磨性更好，有效改善了法兰轴失圆变形问题，提高了生产合格率。
Description
技术领域
本发明涉及法兰轴制备技术领域，更具体地说，涉及一种高性能法兰轴的制备方法。
背景技术
法兰轴适用于各类工业设备，小到打印机、传真机等办公器械，大到回转电机、汽车变速箱等均需用到法兰轴。法兰轴的工作条件非常复杂，在工作过程中会受到如弯曲、扭转、振动、摩擦和热应力等各种周期性应力的交互作用。因此，若想提高法兰轴的使用效果和使用寿命，就要求法兰轴的组织更加均匀、硬度落差小，耐磨性更好，而现有技术制备得到的法兰轴并不能达到理想效果。
此外，使用传统工艺制备得到的法兰轴在淬火后，易出现表面精度不够或尺寸偏差等现象，尤其是其失圆变形的现象较严重，需后期修正，严重时甚至会导致法兰轴直接报废，如何改善法兰轴的失圆变形问题，是对其进行热处理的一大难点。
经检索，中国专利号ZL201110388059.9，授权公告日为2013年12月18日，发明创造名称为：汽车驱动桥内齿圈热处理工艺，该申请案包括碳氮共渗→淬火→清洗→回火→矫正变形处理步骤，在低温碳氮共渗工序之后、淬火工序之前，立即将控制内齿圈变形的心轴装入内齿圈的步骤，所述心轴直径尺寸为低温碳氮共渗并直接淬火后的内齿圈齿顶圆直径的100.02％～ 100.03％。所述心轴外圆上加工形齿；解决了内齿圈渗碳淬火热处理后失圆变形超差问题，提高了热处理的产品合格率，该申请案较适用于重型载重汽车用驱动桥内齿圈的热处理。但该申请案工艺较为复杂，制造成本较高。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服传统工艺制备得到的法兰轴性能不理想且失圆变形现象严重，合格率低的不足，提供了一种高性能法兰轴的制备方法；本发明通过对法兰轴化学成分配比及制备工艺进行改进，增加了法兰轴的组织均匀性、硬度落差小，耐磨性更好，有效改善了法兰轴失圆变形问题，提高了生产合格率。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种高性能法兰轴的制备方法，其步骤为：
步骤一、按化学元素组分配比进行熔炼，铸出法兰轴铸坯；
步骤二、对法兰轴进行退火处理，具体退火处理工艺为：将法兰轴加热至890~910℃保温2~4h，炉冷至720~760℃，保温4~6h，再炉冷至500℃以下出炉空冷，然后对法兰轴进行粗加工；
步骤三、采用真空气淬炉对法兰轴进行分段加热，第一段随炉升温至650~700℃，保温h1分钟；第二段加热至960~1020℃，保温h2分钟；其中：
h1=20+K1D
h2=25+K1D
式中，D为法兰轴平均直径，mm；D=（D1+D2）/2，D1为法兰轴直径最大值，D2为法兰轴直径最小值；K1为保温系数，min/mm；当法兰轴平均直径小于等于300mm时，K1取0.15，当法兰轴平均直径大于300mm时，K1取0.25；
步骤四、以不大于105Pa的充气压力向所述真空气淬炉内充入氩气，将法兰轴快速冷却至低于300℃；
步骤五、将步骤四所得法兰轴置于控冷装置中，控制法兰轴旋转，同时在法兰轴表面涂覆纳米陶瓷涂层，在冷却过程中测量法兰轴表面温度，当法兰轴表面温度低于150℃时出炉空冷后精加工至规定尺寸。
更进一步地，步骤一所述的化学元素质量百分比组成如下：C 2.2~2.8%；Si 0.7~2.3%；Mn 0.3~0.7%；P ≤0.05%；S ≤0.03%；Cr 3.4~4.2%；Ni 0.08~0.14%；B 0.7~1.3%；N ≤0.4%；Mg 0.07~0.11%；Al 0.06~0.2%；Zr 0.05~0.1%；Mo 0.15~0.24%；Cu 0.06~0.20%；Nb 0~0.08%；V 0.3~0.7%；Ti 0.08~0.2%；余量为Fe和不可避免的杂质；其中Mn/ Zr＞4，且0.25%≤Cu+ Mo≤0.35%，3.5%≤Al + N+ Cr≤4.5%。
更进一步地，所述的化学元素质量百分比组成如下：C 2.5%；Si 1.6%；Mn 0.5%；P 0.05%；S 0.03%；Cr 3.8%；Ni 0.11%；B 1.0%；N 0.4%；Mg 0.09%；Al 0.14%；Zr 0.08%；Mo 0.19%；Cu 0.12%；V 0.5%；Ti 0.14%；余量为Fe和不可避免的杂质。
更进一步地，步骤五中法兰轴旋转速度与法兰轴平均直径之间满足：
N=K2/D
式中，N为法兰轴旋转速度，r/min；K2为旋转系数，当法兰轴平均直径小于等于300mm时，K2取9000 mm.r/min，当法兰轴平均直径大于300mm时，K2取6000 mm.r/min。
更进一步地，步骤五中纳米陶瓷涂层的厚度为1~2mm，导热系数小于0.15W/m.k。
更进一步地，步骤二中将法兰轴加热至900℃保温3h，炉冷至735℃，保温5h，再炉冷至500℃出炉空冷，然后对法兰轴进行粗加工。
更进一步地，步骤三中第一段随炉升温至675℃，第二段加热至990℃。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
（1）本发明的一种高性能法兰轴，通过对法兰轴化学成分配比及制备工艺的改进，达到了法兰轴内部晶粒细化的目的，进而增加了法兰轴的组织均匀性、硬度落差小，耐磨性更好；且制备工艺简便、能耗低生产周期短，制备得到的法兰轴使用安全系数高，便于推广应用；
（2）本发明的一种高性能法兰轴的制备方法，对法兰轴进行分段加热，并根据法兰轴的具体情况设置保温时间，缩小法兰轴内部与外部温度差，减小热应力和相变应力，以到达减小法兰轴变形的目的，热处理步骤简单、投入成本低、易于控制，提高了产品合格率。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
本发明的一种高性能法兰轴，化学元素质量百分比组成如下：C 2.2~2.8%；Si 0.7~2.3%；Mn 0.3~0.7%；P ≤0.05%；S ≤0.03%；Cr 3.4~4.2%；Ni 0.08~0.14%；B 0.7~1.3%；N ≤0.4%；Mg 0.07~0.11%；Al 0.06~0.2%；Zr 0.05~0.1%；Mo 0.15~0.24%；Cu 0.06~0.20%；Nb 0~0.08%；V 0.3~0.7%；Ti 0.08~0.2%；余量为Fe和不可避免的杂质；其中Mn/ Zr＞4，且0.25%≤Cu+ Mo≤0.35%，3.5%≤Al + N+ Cr≤4.5%。
本发明法兰轴组分的优化设计思想如下：本发明在常规添加Cr、Mn、Ni的基础上，从提高法兰轴显微硬度，细化法兰轴晶粒以达到法兰轴组织细化，提高法兰轴质量的角度出发，进一步增加了N、Al、Zr等其他元素。其中，法兰轴组分原料中加入N，通过冶炼其易于Al、V和Cr等形成氮化物，以小颗粒形态均匀分布于组织中，在结晶过程中，作为外来结晶的核心，抑制晶粒长大和碳化物在晶界移动，从而细化铸态组织，改善碳化物的分布，因而可提高法兰轴硬度及抗蚀能力；Al的加入，细化了晶粒，尤其与氮生成的氮化铝能成为法兰轴中的高硬质点，使法兰轴的硬度提高；硬度的提高及晶粒的细化有利于耐磨性的提高，同时，晶粒的细化能提高晶粒界面间的结合能，从而提高法兰轴的抗剥落性能。通过多次试验，本发明最终确定Al 0.06~0.2%，N ≤0.4%，且3.5%≤Al + N+ Cr≤4.5%时能够达到最佳的晶粒细化效果，又不至产生原料的浪费。
B元素能够改善法兰轴的淬透性和淬硬性，加入B能够适当降低Cr含量。另外，为了细化组织和改善碳硼化合物的形态和分布，提高法兰轴的强度和韧性，并改善其耐磨性，还加入了适量的Mg，以促进法兰轴性能的进一步提高。
本发明考虑到Ni、Mo、Nb 的价格昂贵，在可行的情况下少用或不用是降低法兰轴生产成本的重要手段，而Mo元素的作用是提高法兰轴的硬度及耐磨性，Mn、Cu 均有较强降低Ms 点的作用，将Mo与Cu、Mn联合作用时，对提高法兰轴淬透性、硬度、耐磨性效果更好。因此，本发明加入了Cu元素，且从最大程度节约成本的角度考虑，限制0.25%≤Cu+ Mo≤0.35%，最佳时0.5＜Cu/Mo＜1.0。
细晶强化作用是通过添加微合金化元素Zr 实现的，因为Zr 是碳化物形成元素，在炼钢过程中又是强有力的脱氧和脱氮元素，其能细化钢的奥氏体晶粒，还能和S 化合成硫化锆，防止钢的热脆性。但过多的Zr 不易充分溶入到奥氏体中，会使Zr 不仅不能增加钢的淬透性，反而会因固定了部分的碳，致使钢的淬透性降低，又由于Mn含量过高有使钢晶粒粗化的倾向，固本发明控制Zr 0.05~0.1%，Mn 0.3~0.7%且Mn/ Zr＞4。
Ti 是强碳化物形成元素，当熔体中Ti 和C 的浓度满足一定条件时能形成稳定的TiC 晶核；加入N后，生成的高熔点的碳氮化物可提高材料的热性能。因此，本发明加入了Ti 0.08~0.2%。
实施例1
本实施例的法兰轴成分较好为：C 2.5%；Si 1.6%；Mn 0.5%；P 0.05%；S 0.03%；Cr 3.8%；Ni 0.11%；B 1.0%；N 0.4%；Mg 0.09%；Al 0.14%；Zr 0.08%；Mo 0.19%；Cu 0.12%；V 0.5%；Ti 0.14%；余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的法兰轴的制备步骤为：
步骤一、按化学元素组分配比进行熔炼，铸出法兰轴铸坯。
步骤二、对法兰轴进行退火处理，具体退火处理工艺为：将法兰轴加热至900℃保温3h，炉冷至735℃，保温5h，再炉冷至500℃出炉空冷，然后对法兰轴进行粗加工。本实施例首先对法兰轴进行退火处理，并控制加热温度在890~910℃之间，其目的在于改善法兰轴加工性能，提高粗加工法兰轴的效率。
步骤三、采用真空气淬炉对法兰轴进行分段加热，第一段随炉升温至675℃，保温h1分钟；第二段加热至825℃，保温h2分钟；第二段加热至990℃，保温h3分钟；其中：
h1=20+K1D
h2=15+K1D
h3=25+K1D
式中，D为法兰轴平均直径，mm；D=（D1+D2）/2，D1为法兰轴直径最大值，D2为法兰轴直径最小值；K1为保温系数，min/mm；当法兰轴平均直径小于等于300mm时，K1取0.15，当法兰轴平均直径大于300mm时，K1取0.25。
本实施例为了提高法兰轴的组织均匀性、耐磨性，不仅在法兰轴的化学成分配比上进行了优化，使法兰轴内部晶粒细化、晶界增多。同时，考虑到晶粒度级别与加热速度有很大关系。本实施例采用了三段加热的方式并根据法兰轴平均直径来设置保温时间，最有效地缩小了法兰轴内部与外部温度差，减小了热应力和相变应力，达到了减小法兰轴变形及细化晶粒的目的。至于法兰轴平均直径采用法兰轴直径最大值和最小值的平均值，主要是考虑到实际生产中操作不能过于繁琐，采用直径最大值和最小值的平均值已具有代表性，能够获得较好的效果。
步骤四、以不大于105Pa的充气压力向所述真空气淬炉内充入氩气，将法兰轴快速冷却至低于300℃。
步骤五、将步骤四所得法兰轴置于控冷装置中，控制法兰轴旋转，法兰轴旋转速度与法兰轴平均直径之间满足：
N=K2/D
式中，N为法兰轴旋转速度，r/min；K2为旋转系数，当法兰轴平均直径小于等于300mm时，K2取9000 mm.r/min，当法兰轴平均直径大于300mm时，K2取6000 mm.r/min。本实施例在法兰轴冷却过程中控制法兰轴旋转并限定不同法兰轴对应的旋转速度，有利于不同尺寸的法兰轴冷却均匀，进而可以提高法兰轴硬度的均匀性。此外，本实施例在法兰轴旋转冷却的同时在法兰轴表面涂覆纳米陶瓷涂层，其目的主要在于在法兰轴冷却的最后阶段适当降低其冷却速度，以增加其韧性，延长其使用寿命。发明人通过长期的生产实践确定涂覆纳米陶瓷涂层的厚度在1~2mm范围内较适宜，在该范围内能够确保纳米陶瓷涂层不起皮、不开裂，具体到本实施例设置涂覆纳米陶瓷涂层的厚度为1mm，该厚度下纳米陶瓷涂层的导热系数为0.15W/m.k。在冷却过程中测量法兰轴表面温度，当法兰轴表面温度低于150℃时出炉空冷后精加工至规定尺寸。
实施例2
本实施例的一种高性能法兰轴，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例法兰轴的化学元素质量百分比组成如下：C 2.2%；Si 0.7%；Mn 0.7%；P 0.04%；S 0.03%；Cr 4.2%；Ni 0.08%；B 1.3%；N 0.24%；Mg 0.11%；Al 0.06%；Zr 0.1%；Mo 0.15%；Cu 0.10%；Nb 0.08%；V 0.3%；Ti 0.2%；余量为Fe和不可避免的杂质。其制备过程中步骤二具体退火处理工艺为：将法兰轴加热至890℃保温2h，炉冷至720℃，保温4h，再炉冷至500℃以下出炉空冷，然后对法兰轴进行粗加工；步骤三第一段随炉升温至700℃，第二段加热至1020℃；步骤五中纳米陶瓷涂层的厚度为1.5mm。
实施例3
本实施例的一种高性能法兰轴，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例法兰轴的化学元素质量百分比组成如下：C 2.8%；Si 2.3%；Mn 0.3%；P 0.05%；S 0.03%；Cr 3.4%；Ni 0.14%；B 0.7%；N 0.4%；Mg 0.07%；Al 0.2%；Zr 0.05%；Mo 0.14%；Cu 0.20%；Nb 0.04%；V 0.7%；Ti 0.08%；余量为Fe和不可避免的杂质。其制备过程中步骤二具体退火处理工艺为：将法兰轴加热至910℃保温4h，炉冷至760℃，保温6h，再炉冷至500℃以下出炉空冷，然后对法兰轴进行粗加工；步骤三第一段随炉升温至650℃，第二段加热至960℃；步骤五中纳米陶瓷涂层的厚度为2mm。
实施例1~3所述的一种高性能法兰轴的制备方法，通过对法兰轴化学成分配比及制备工艺的改进，达到了法兰轴内部晶粒细化的目的，进而增加了法兰轴的组织均匀性、硬度落差小，耐磨性更好；且制备工艺简便、能耗低生产周期短，制备得到的法兰轴使用安全系数高；通过对热处理工艺的改进，有效改善了法兰轴失圆变形问题，成品法兰轴检测30件，尺寸合格率99％。
Claims (7)
1.一种高性能法兰轴的制备方法，其步骤为：
步骤一、按化学元素组分配比进行熔炼，铸出法兰轴铸坯；
步骤二、对法兰轴进行退火处理，具体退火处理工艺为：将法兰轴加热至890~910℃保温2~4h，炉冷至720~760℃，保温4~6h，再炉冷至500℃以下出炉空冷，然后对法兰轴进行粗加工；
步骤三、采用真空气淬炉对法兰轴进行分段加热，第一段随炉升温至650~700℃，保温h1分钟；第二段加热至960~1020℃，保温h2分钟；其中：
h1=20+K1D
h2=25+K1D
式中，D为法兰轴平均直径，mm；D=（D1+D2）/2，D1为法兰轴直径最大值，D2为法兰轴直径最小值；K1为保温系数，min/mm；当法兰轴平均直径小于等于300mm时，K1取0.15，当法兰轴平均直径大于300mm时，K1取0.25；
步骤四、以不大于105Pa的充气压力向所述真空气淬炉内充入氩气，将法兰轴快速冷却至低于300℃；
步骤五、将步骤四所得法兰轴置于控冷装置中，控制法兰轴旋转，同时在法兰轴表面涂覆纳米陶瓷涂层，在冷却过程中测量法兰轴表面温度，当法兰轴表面温度低于150℃时出炉空冷后精加工至规定尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种高性能法兰轴的制备方法，其特征在于：步骤一所述的化学元素质量百分比组成如下：C 2.2~2.8%；Si 0.7~2.3%；Mn 0.3~0.7%；P ≤0.05%；S ≤0.03%；Cr 3.4~4.2%；Ni 0.08~0.14%；B 0.7~1.3%；N ≤0.4%；Mg 0.07~0.11%；Al 0.06~0.2%；Zr 0.05~0.1%；Mo 0.15~0.24%；Cu 0.06~0.20%；Nb 0~0.08%；V 0.3~0.7%；Ti 0.08~0.2%；余量为Fe和不可避免的杂质；其中Mn/ Zr＞4，且0.25%≤Cu+ Mo≤0.35%，3.5%≤Al + N+ Cr≤4.5%。
3.根据权利要求2所述的一种高性能法兰轴的制备方法，其特征在于：所述的化学元素质量百分比组成如下：C 2.5%；Si 1.6%；Mn 0.5%；P 0.05%；S 0.03%；Cr 3.8%；Ni 0.11%；B 1.0%；N 0.4%；Mg 0.09%；Al 0.14%；Zr 0.08%；Mo 0.19%；Cu 0.12%；V 0.5%；Ti 0.14%；余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述的一种高性能法兰轴的制备方法，其特征在于：步骤五中法兰轴旋转速度与法兰轴平均直径之间满足：
N=K2/D
式中，N为法兰轴旋转速度，r/min；K2为旋转系数，当法兰轴平均直径小于等于300mm时，K2取9000 mm.r/min，当法兰轴平均直径大于300mm时，K2取6000 mm.r/min。
5.根据权利要求4所述的一种高性能法兰轴的制备方法，其特征在于：步骤五中纳米陶瓷涂层的厚度为1~2mm，导热系数小于0.15W/m.k。
6.根据权利要求5所述的一种高性能法兰轴的制备方法，其特征在于：步骤二中将法兰轴加热至900℃保温3h，炉冷至735℃，保温5h，再炉冷至500℃出炉空冷，然后对法兰轴进行粗加工。
7.根据权利要求6所述的一种高性能法兰轴的制备方法，其特征在于：步骤三中第一段随炉升温至675℃，第二段加热至990℃。
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