CN105179451A - 一种磁性涂层的织构耐磨轴颈及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁性涂层的织构耐磨轴颈及其加工方法，所述织构耐磨轴颈包括轴颈基体，轴颈基体的外表面设有硬质耐磨层，所述轴颈基体和硬质耐磨层之间设有合金过渡层，所述合金过渡层为磁性合金层，所述硬质耐磨层的表面设有磁性合金层的吸附通道。本发明使得轴颈的织构在使用过程中，微孔有效的收集并避免磨屑逃离的效果，能够避免磨屑在运转过程中掉出来，划伤轴颈，从而降低轴颈的磨屑磨损。进而提高了轴颈及轧辊整体的耐磨性能，提高了使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于轴颈减摩耐磨技术领域，具体涉及一种磁性涂层的织构耐磨轴颈及其加工方法。
背景技术
材料摩擦磨损是零部件损坏的最重要原因之一，全球每年消耗大约50亿美金用来解决磨损引起的破坏。为了降低摩擦磨损的破坏，摩擦磨损研究及工作人员研究出了各种各样的减摩耐磨方法。
常用的有减摩涂层降低摩擦系数，硬质涂层提高耐磨能力的方法；以及综合减摩耐磨的复合涂层技术，激光织构近年来成为降低摩擦磨损的主要技术方法之一。
干摩擦条件下，表面织构化是一种有效的机械零件减摩方法，摩擦表面上分布的微孔可以存储润滑剂，制备技术包括激光打孔、腐蚀制孔、电火花加工、制备技术包括激光打孔、腐蚀制孔、电火花加工、电解加工、微机械加工等。电解加工微孔是一种低成本、高效率的加工技术，其分为无面罩及面罩电解加工织构化微孔。面罩电解加工微孔在工件上贴一层带洞的绝缘胶带。
织构具有较好的减摩耐磨性能，织构的凹坑具有收集磨屑的功能，特别是在水平面的摩擦副中，凹坑收集磨屑，避免磨屑作为磨粒磨损在摩擦副对磨过程中划伤表面。但是在轴型的摩擦副中，由于转动到面朝下的时候，凹坑中的磨屑会掉出，卷到摩擦面上，形成磨粒磨损，加剧轴累零部件摩擦面的损坏。
脉冲激光是表面织构制备技术中比较通用的一种手段。大约20多年前，德国已经大量研究激光表面织构，但大部分研究成果都是刊登在德语期刊上，基本都没有被英文期刊引用。当时，部分德国学者对激光表面织构的效果持否定态度，使得激光表面织构研究的发展进入了一个低谷。只有少数如自纽伦堡大学的Geiger研究组发表带有隔板的激光织构技术相关的英文文献，这是一种用激光束照射到隔板然后透射到工件表面的织构方法，隔板通常是铝板，这个技术大幅度提高冷锻造刀具寿命，提高幅度高达169％。关于硬质涂层与激光表面织构复合处理顺序的研究，认为涂层硬化处理之后再激光表面织构更利于提高摩擦学性能。随着激光织构的发展，其在机械密封和内燃机缸套上的应用，同时还介绍了制备表面织构的激光器，主要有二氧化碳和Nd：YAG激光器。
目前激光表面织构的研究主要包括：摩擦学、织构尺寸的优化方法。在干润滑或贫油滑动摩擦的情况下，认为织构凹坑起到收集微磨损磨屑或存贮润滑油的作用，是表面织构改善摩擦学性能主要原因之一。
激光织构的微孔收集摩擦磨屑降低磨粒磨损对摩擦面的破坏，其在平面摩擦副中的作用显著，但是在轴装摩擦副上，由于摩擦副的摩擦面不断变化位置，但织构微孔朝下的时候，磨屑从微孔中逃离到摩擦面上，变成磨粒磨损，破坏摩擦面，降低零件的耐磨性能。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种磁性涂层的织构耐磨轴颈及其加工方法，目的是避免磨屑在运转过程中掉出来，划伤轴颈。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种磁性涂层的织构耐磨轴颈，包括轴颈基体，轴颈基体的外表面设有硬质耐磨层，所述轴颈基体和硬质耐磨层之间设有合金过渡层，所述合金过渡层为磁性合金层，所述硬质耐磨层的表面设有磁性合金层的吸附通道。
所述磁性合金层为钴基磁性合金层。满足较好的吸附磁性的同时，提高了耐磨的性能。
所述磁性过渡层的厚度为40-60μm。较优选的，磁性过渡层的厚度为50μm。此厚度的过渡层涂层，综合考虑整体性能以及原料成本问题，同时兼顾了耐磨特性和吸附性能。
所述硬质耐磨层为硬质铬或硬质镍基碳化钨层。
所述硬质耐磨层的厚度为1mm，且硬度为900hv。采用较薄的厚度即可达到较高的硬度需求，并且此厚度能够很好的适应轴颈的需求，过薄达不到硬度需求，过厚对轴颈和转轴整体的工作运行有一定的不利影响。
所述吸附通道包括多个微孔，微孔为直径尺寸在150至280μm之间、间距在260至450μm之间的圆形凹坑，微孔深度大于等于硬质耐磨层的厚度。以将磁性镀层裸露出来，起到吸附磨屑，避免在微孔开口朝下时磨屑从微孔中掉出的目的；并且微孔的直径尺寸160-230μm、微孔间距在350μm时，达到的吸附效果最好，微孔开口朝下时磨屑几乎很难从微孔中掉出，更好的提高了减磨耐磨的效果。
所述磁性涂层的织构耐磨轴颈加工方法，包括如下步骤：
步骤一，将准备好的扎辊除油脂，扎辊的轴颈采用电沉积的制备工艺方法制备磁性合金层；
步骤二，对制备磁性合金层后的轧辊清洗、表面封闭处理后喷涂硬质耐磨层；
步骤三，对喷涂硬质耐磨层后的轴颈采用脉冲激光制备织构化吸附通道。
所述磁性合金为钴基磁性合金层，钴基磁性合金层的制备工艺为：在镀槽中加入化学镀钴基磁性涂层溶液，其中硫酸钴278g/L、氯化钠17g/L、硼酸45g/L，将扎辊放置到镀槽中，在温度35±5℃、pH值为5、电流密度3.5A/dm2的条件下电镀1-2h。
所述脉冲激光制备织构化吸附通道的方法为将激光器固定不动，轴颈以定速60转/每分钟转动并横向进给激光器处，以激光器工艺参数为50Hz的脉冲频率，11个脉冲，350ns的脉冲宽度，采用激光光斑对轴颈的加工使得轴颈表面获得均匀分布的圆形凹坑织构。采用脉冲轰击，随着脉冲数的增加，微孔深度和直径增大，11个脉冲可以保证获得150至280μm直径的微孔。
所述激光器为Nd:YAG激光器，其参数为：(1)晶体：Nd:YAG，消光比≧32dB；(2)激光波长：1064nm；(3)激光脉冲频率：1～100Hz；(4)激光脉冲宽度：1～500ns；(5)激光输出最大单脉冲能量：50J。
本发明的有益效果：本发明使得轴颈的织构在使用过程中，微孔有效的收集并避免磨屑逃离的效果，能够避免磨屑在运转过程中掉出来，划伤轴颈，从而降低轴颈的磨屑磨损。进而提高了轴颈及轧辊整体的耐磨性能，提高了使用寿命。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是本发明钴基磁性合金层的XRD能谱图；
图2是本发明磁性涂层的织构耐磨轴颈的结构示意图。
图中标记为：
1、轴颈基体，2、微孔，3、轴。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
实施例1
如图1至图2所示，本发明一种磁性涂层的织构耐磨轴颈，包括轴颈基体1，轴颈基体的外表面设有硬质耐磨层，硬质耐磨层可以为硬质铬或硬质镍基碳化钨层。硬质耐磨层的厚度为1mm，且硬度为900hv。轴颈基体1和硬质耐磨层之间设有合金过渡层，合金过渡层为钴基磁性合金层，硬质耐磨层的表面设有磁性合金层的吸附通道。磁性过渡层的厚度为50μm。此厚度的过渡层涂层，综合考虑整体性能以及原料成本问题，同时兼顾了耐磨特性和吸附性能。
磁性涂层的织构耐磨轴颈加工方法，包括如下步骤：
扎辊的生产：采用常规的方法生产出轧辊，轧辊包括轴颈和套接在轴颈上的轴3。
钴基磁性合金层的制备工艺：将准备好的扎辊除油脂，对扎辊表面非轴颈部分进行涂覆绝缘保护层，抛光备用；扎辊的轴颈采用电沉积的制备工艺方法制备磁性合金层；具体制备工艺方法为：在镀槽中加入化学镀钴基磁性涂层溶液，其中硫酸钴278g/L、氯化钠17g/L、硼酸45g/L，将扎辊放置到镀槽中，在温度35℃、pH值为5、电流密度3.5A/dm2的条件下电镀1h。
硬质耐磨层的制备：对制备磁性合金层后的轧辊出槽、清洗、表面封闭处理后喷涂硬质耐磨层；厚度为1mm，且硬度达到900hv。
激光织构制备：采用Nd:YAG激光器，其主要参数为：(1)晶体：Nd:YAG，消光比≧32dB；(2)激光波长：1064nm；(3)激光脉冲频率：1～100Hz；(4)激光脉冲宽度：1～500ns；(5)激光输出最大单脉冲能量：50J。
具体激光织构制备工艺：将激光器固定不动，轴颈定速60转/每分钟转动并横向进给激光器处，以激光器工艺参数为50Hz的脉冲频率，11个脉冲，350ns的脉冲宽度，采用激光光斑对轴颈的加工使得轴颈表面获得均匀分布的圆形凹坑织构。采用脉冲轰击，随着脉冲数的增加，微孔深度和直径增大，11个脉冲可以保证获得150至280μm直径的微孔。这里圆形凹坑为微孔，微孔直径为160μm，微孔间距为350μm，孔径深度大于等于硬质耐磨层的厚度。考虑实际加工情况，当微孔小于100μm时，润滑油由于表面张力的作用无法进入微孔内部，以及微孔对磨屑的收集能力太差，对提高轴颈减摩耐磨的帮助不大；当微孔大于500μm时，会由于粗糙度的增大而影响材料表面的质量。据试验结果微孔直径为160μm，微孔间距为350μm，孔径深度大于等于硬质合金耐磨层，以将磁性镀层裸露出来，起到吸附磨屑，很好的避免在微孔开口朝下时磨屑从微孔中掉出。
实施例2
本实施例与实施例1的不同点在于，具体激光织构制备工艺中微孔直径为230μm，微孔间距为350μm，孔径深度大于等于硬质耐磨层的厚度。考虑实际加工情况，当微孔小于100μm时，润滑油由于表面张力的作用无法进入微孔内部，以及微孔对磨屑的收集能力太差，对提高轴颈减摩耐磨的帮助不大；当微孔大于500μm时，会由于粗糙度的增大而影响材料表面的质量。据试验结果微孔直径为230μm，微孔间距为350μm，孔径深度大于等于硬质合金耐磨层，以将磁性镀层裸露出来，起到吸附磨屑，很好的避免在微孔开口朝下时磨屑从微孔中掉出。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁性涂层的织构耐磨轴颈，包括轴颈基体，轴颈基体的外表面设有硬质耐磨层，所述轴颈基体和硬质耐磨层之间设有合金过渡层，其特征在于：所述合金过渡层为磁性合金层，所述硬质耐磨层的表面设有磁性合金层的吸附通道。
2.根据权利要求1所述磁性涂层的织构耐磨轴颈，其特征在于：所述磁性合金层为钴基磁性合金层。
3.根据权利要求2所述磁性涂层的织构耐磨轴颈，其特征在于：所述磁性过渡层的厚度为40-60μm。
4.根据权利要求1所述磁性涂层的织构耐磨轴颈，其特征在于：所述硬质耐磨层为硬质铬或硬质镍基碳化钨层。
5.根据权利要求4所述磁性涂层的织构耐磨轴颈，其特征在于：所述硬质耐磨层的厚度为1mm，且硬度为900hv。
6.根据权利要求1所述磁性涂层的织构耐磨轴颈，其特征在于：所述吸附通道包括多个微孔，微孔为直径尺寸在150至280μm之间、间距在260至450μm之间的圆形凹坑，微孔深度大于等于硬质耐磨层的厚度。
7.根据权利要求1-6任一项所述磁性涂层的织构耐磨轴颈加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，将准备好的扎辊除油脂，扎辊的轴颈采用电沉积的制备工艺方法制备磁性合金层；
步骤二，对制备磁性合金层后的轧辊清洗、表面封闭处理后喷涂硬质耐磨层；
步骤三，对喷涂硬质耐磨层后的轴颈采用脉冲激光制备织构化吸附通道。
8.根据权利要求7所述磁性涂层的织构耐磨轴颈加工方法，其特征在于：所述磁性合金为钴基磁性合金层，钴基磁性合金层的制备工艺为：在镀槽中加入化学镀钴基磁性涂层溶液，其中硫酸钴278g/L、氯化钠17g/L、硼酸45g/L，将扎辊放置到镀槽中，在温度35±5℃、pH值为5、电流密度3.5A/dm2的条件下电镀1-2h。
9.根据权利要求7所述磁性涂层的织构耐磨轴颈加工方法，其特征在于：所述脉冲激光制备织构化吸附通道的方法为将激光器固定不动，轴颈定速转动并横向进给激光器处，以激光器工艺参数为50Hz的脉冲频率，11个脉冲，350ns的脉冲宽度，采用激光光斑对轴颈的加工使得轴颈表面获得均匀分布的圆形凹坑织构。
10.根据权利要求9所述磁性涂层的织构耐磨轴颈加工方法，其特征在于：所述激光器为Nd:YAG激光器，其参数为：(1)晶体：Nd:YAG，消光比≧32dB；(2)激光波长：1064nm；(3)激光脉冲频率：1～100Hz；(4)激光脉冲宽度：1～500ns；(5)激光输出最大单脉冲能量：50J。
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