CN105483697A - 一种微型轴及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具备复合涂层的微型轴及其制备方法，其中该复合涂层制备在微型轴的轴体表面，由内层的激光熔覆涂层和外层的热喷涂涂层构成；其中内层的激光熔覆涂层主要包含Cr、Ni和Si元素，外层的热喷涂涂层是掺入了纳米TiO2颗粒的镍包石墨涂层。由于上述复合涂层具有优异的常温及高温耐磨性、低的摩擦系数、优异的高温抗氧化性能与抗热腐蚀性能、优良的摩擦学相容性与耐蚀性，还具有良好的导热性能,此外还具备自清洁能力以防止污染损伤，因此能够明显地提高微型轴的寿命和使用性能。

Description

一种微型轴及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微型轴及其制备方法，更具体地，涉及一种具有复合涂层的微型轴及其制备方法。
背景技术
微型轴在很多行业中都会用到，如马达中的转轴，打印机、复印机、扫描仪中的转轴，CD/DVD光驱中的导杆轴，汽车零部件中的转轴等。其尺寸相对较小，精度高，主要材料为各种材质的碳钢、不锈钢、铜、铝等。
微型轴在使用时，良好的耐磨性是使其具备耐用性的必要性能之一；而微型轴的工作产生的热量必须及时散发出去以使得微型轴不会影响其所在装置的工作性能，因此良好的散热性能也是应用所需要的；此外，在微型轴的使用过程中，尤其是球微型轴承的使用中，其失效的重要因素之一是由灰尘、脏物、碎屑产生的污染以及对微型轴的腐蚀，污染通常是由不正确的使用和不良的使用环境造成的，它还会引起扭矩和噪声的问题。因此如何提高微型轴的耐磨性、散热性能以及如何保护微型轴免于各种污染和腐蚀是本领域中需要解决的重要技术问题。
发明内容
为了达到本发明的目的，本发明中具体采用如下技术方案：
提供了一种微型轴，该微型轴包括一轴体，其特征在于在该轴体上还制备有复合涂层，该复合涂层由内层的激光熔覆涂层和外层的热喷涂涂层构成；其中所述内层的激光熔覆涂层是金属硅化物合金涂层，其主要包含Cr、Ni和Si元素；所述外层的热喷涂涂层是掺入了纳米TiO2颗粒的镍包石墨涂层。
优选地，所述内层的激光熔覆涂层的化学成分为：18～30wt％的Cr；38～65wt％的Ni；5～25wt％的Si；以及总量不大于12wt％的Al元素、Re元素（铼元素）以及稀土元素中的一种或几种，其中Re元素的掺入量为0.2-2wt％，稀土元素的掺入量为0.3-3wt％。
优选地，所述外层的热喷涂涂层的化学成分为：15～25wt％的石墨；70～80wt％的Ni；以及5～10wt％的纳米TiO2颗粒。
此外，还提供了一种微型轴的制备方法，其包括在轴体表面形成复合涂层的步骤，其中形成该复合涂层的步骤具体包括：利用激光熔覆工艺形成内层涂层以及利用热喷涂工艺形成外层热喷涂涂层；其中所述内层涂层是金属硅化物合金涂层，其主要包含Cr、Ni和Si元素；并且所述外层热喷涂涂层是掺入了纳米TiO2颗粒的镍包石墨涂层。
优选地，内层激光熔覆涂层制备步骤具体包括:选用粉末粒度在100-180目的合金粉末原料，并精确称量出合金粉末原料，以将所述内层的激光熔覆涂层的化学成分形成为由如下成分构成：18～30wt％的Cr；38～65wt％的Ni；5～25wt％的Si；以及总量不大于12wt％的Al元素、Re元素（铼元素）以及稀土元素中的一种或几种，其中Re元素的掺入量为0.2-2wt％，稀土元素的掺入量为0.3-3wt％。
优选地，外层热喷涂涂层制备步骤具体包括:向石墨和镍粉末中掺入纳米TiO2颗粒并进行均匀混合以得到预备粉末，其中石墨和镍粉末的粒度各自可以在150-250目的范围内，并且精确称量出各粉末或颗粒的重量，以将所述外层热喷涂涂层的化学成分形成为由如下成分构成：15～25wt％的石墨；70～80wt％的Ni；以及5～10wt％的纳米TiO2颗粒。
优选地，其中该内层激光熔覆涂层制备步骤进一步包括：
预先处理步骤：利用有机液体清洗微型轴轴体，以去除所述轴体表面的污染物；将所述合金粉末原料与有机溶剂充分混合，调和为均匀的糊剂，然后将该糊剂均匀涂敷在轴体表面，并将其至于真空干燥箱中以在90～110℃的温度范围内烘干10～20分钟以形成预置粉末层；
内层激光熔覆处理步骤：预通2-5分钟的氩气以对待熔覆表面形成保护气氛；采用激光束对表面预置粉末层的相应区域进行单道辐射扫描熔化，采用纯氩气作保护气体；其中激光熔覆的工艺参数为：激光输出功率为2.5～3.8kW，光斑直径为4～6mm，光束的扫描速度为200～320mm/min，氩保护气体的流量为10～13L/min；然后使得熔覆层区域缓慢冷却。
优选地，所述有机溶剂是：无水乙醇或者浓度为2-5重量％的聚乙烯醇。
优选地，该外层热喷涂涂层制备步骤进一步包括：利用高速氧乙炔喷涂枪将所述预备粉末喷涂到所述内层的激光熔覆涂层上，其中该热喷涂的具体的工艺参数为：氧气压为0.4～0.8MPa，乙炔压为0.6～0.8MPa，空气压为0.4～0.7MPa；然后将热喷涂后的涂层进行抛光处理，以得到光滑的外层热喷涂涂层。
上述微型轴上的复合涂层具有优异的常温及高温磨料磨损及粘着磨损耐磨性、低的摩擦系数、优异的高温抗氧化性能与抗热腐蚀性能、优良的摩擦学相容性与耐蚀性，还具有良好的导热性能，从而使得微型轴具备良好的散热性，并且还具备自清洁能力，从而能够防止对微型轴的污染损伤。因此，通过在微型轴上制备出具备上述优良性能的复合涂层，能够明显地提高微型轴的寿命和使用性能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种具有复合涂层的微型轴，该微型轴包括一轴体，并且在该轴体上制备有复合涂层，该复合涂层由内层的激光熔覆涂层和外层的热喷涂涂层构成。
其中，所述内层的激光熔覆涂层是金属硅化物合金涂层，其主要包含Cr、Ni和Si元素，其化学成分为：Cr的重量百分比为18～30、Ni的重量百分比为38～65、Si的重量百分比为5～25。为进一步提高该合金的耐磨、耐蚀及强韧性等性能，还可以向该激光熔覆涂层中加入重量百分比总量不大于12％的Al元素、Re元素（铼元素）以及稀土元素中的一种或几种，其中Re元素的掺入量为0.2-2％，稀土元素的掺入量为0.3-3％。
其中，所述外层的热喷涂涂层是掺入了纳米TiO2颗粒的镍包石墨涂层，其化学成分为：石墨的重量百分比为15～25、Ni的重量百分比为70～80、纳米TiO2颗粒的重量百分比为5～10。
该复合涂层具有优异的常温及高温磨料磨损及粘着磨损耐磨性、低的摩擦系数、优异的高温抗氧化性能与抗热腐蚀性能、优良的摩擦学相容性与耐蚀性，还具有良好的导热性能，从而使得微型轴具备良好的散热性，并且还具备自清洁能力，从而能够防止对微型轴的污染损伤。
下面结合实施例对本发明作出进一步说明。
示范性实施例
1、内层激光熔覆涂层制备方法
选用粉末粒度在100-180目的合金粉末原料，其中精确称量出合金粉末原料，以制备出表1所示的金属硅化物合金涂层
表1激光熔覆金属硅化物合金涂层的化学成分表
其中稀土元素例如为钇（Y）。
具体采用如下工艺步骤在一微型轴轴体上制备出复合涂层：
（1）预先处理步骤：
首先将微型轴轴体进行清洗，去除所述轴体表面的污染物。其中清洗液为有机液体，其可以为无水乙醇、丙酮或者汽油等。将合金粉末原料与有机溶剂充分混合并调和为均匀的糊剂，然后将该糊剂均匀涂敷在轴体表面，并将其至于真空干燥箱进行烘干处理以形成预置粉末层。其中有机溶剂可以为无水乙醇，也可以为浓度为2-5重量％的聚乙烯醇。其中烘干可以在90～110℃的温度范围内烘干10～20分钟。
（2）内层激光熔覆处理步骤：
首先，预通数分钟氩气、例如预通2-5分钟的氩气，以对待熔覆合金表面形成保护气氛；采用激光束对表面预置粉末层的相应区域进行单道辐射扫描熔化，采用纯氩气作保护气体；其中激光熔覆的工艺条件如下：激光输出功率为2.5～3.8kW，光斑直径为4～6mm，光束的扫描速度为200～320mm/min，氩保护气体的流量为10～13L/min。熔覆后可以例如采用硅酸铝保温材料覆盖熔覆层区域，使之缓慢冷却。
以上工艺获得的激光熔覆金属硅化物合金涂层呈均匀连续、平整致密的外观形貌，并且熔覆层显微组织细密。
2、外层热喷涂涂层制备方法
向石墨和镍粉末中掺入纳米TiO2颗粒并进行均匀混合以得到预备粉末，其中石墨和镍粉末的粒度各自可以在150-250目的范围内，并且精确称量出各种粉末或颗粒的重量，以制备出表2所示的外层涂层。
表2热喷涂涂层的化学成分表
其中具体采用如下工艺步骤在前述的激光熔覆金属硅化物合金涂层上制备出外层涂层：
利用高速氧乙炔喷涂枪将所述预备粉末喷涂到前述激光熔覆内涂层上，具体的工艺参数为：氧气压为0.4～0.8MPa，乙炔压为0.6～0.8MPa，空气压为0.4～0.7MPa。
然后将热喷涂后的涂层进行抛光处理，以得到光滑的外层热喷涂涂层。
其中镍作为附着剂将石墨包裹起来，能够良好地附着到之前所制备的含镍的金属硅化物合金涂层上，该热喷涂层具有良好的导热性能，并且石墨能够加强微型轴的润滑性，减少该微型轴与其他结构部件之间的摩擦力，并且该热喷涂涂层中掺入的纳米TiO2颗粒具有自清洁性能，有助于保持涂层干净清洁，有利于防止该微型轴受到污染。
利用以上工艺在微型轴表面制备出性能优良的复合涂层，该复合涂层能够牢固地附着到微型轴的轴体表面，并且复合涂层具有均匀连续、平整致密的表面形貌，而且能够显著提高轴体表面的耐热耐磨性能、提高轴体的散热和防污染性能。有效地提高了微型轴的使用寿命并改进了微型轴的性能。
本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或省略。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或省略。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或省略。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和调整，这些改进和调整也落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种微型轴，该微型轴包括一轴体，其特征在于在该轴体上还制备有复合涂层，该复合涂层由内层的激光熔覆涂层和外层的热喷涂涂层构成；其中所述内层的激光熔覆涂层是金属硅化物合金涂层，其主要包含Cr、Ni和Si元素；所述外层的热喷涂涂层是掺入了纳米TiO2颗粒的镍包石墨涂层。
2.根据权利要求1所述的微型轴，其中所述内层的激光熔覆涂层的化学成分为：18～30wt％的Cr；38～65wt％的Ni；5～25wt％的Si；以及总量不大于12wt％的Al元素、Re元素（铼元素）以及稀土元素中的一种或几种，其中Re元素的掺入量为0.2-2wt％，稀土元素的掺入量为0.3-3wt％。
3.根据权利要求1或2所述的微型轴，其中所述外层的热喷涂涂层的化学成分为：15～25wt％的石墨；70～80wt％的Ni；以及5～10wt％的纳米TiO2颗粒。
4.一种微型轴的制备方法，其特征在于包括在所述微型轴的轴体表面形成复合涂层的步骤，其中形成该复合涂层的步骤具体包括：利用激光熔覆工艺形成内层涂层以及利用热喷涂工艺形成外层热喷涂涂层；其中所述内层涂层是金属硅化物合金涂层，其主要包含Cr、Ni和Si元素；并且所述外层热喷涂涂层是掺入了纳米TiO2颗粒的镍包石墨涂层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中内层激光熔覆涂层制备步骤具体包括:
选用粉末粒度在100-180目的合金粉末原料，并精确称量出合金粉末原料，以将所述内层的激光熔覆涂层的化学成分形成为由如下成分构成：18～30wt％的Cr；38～65wt％的Ni；5～25wt％的Si；以及总量不大于12wt％的Al元素、Re元素（铼元素）以及稀土元素中的一种或几种，其中Re元素的掺入量为0.2-2wt％，稀土元素的掺入量为0.3-3wt％。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中外层热喷涂涂层制备步骤具体包括:
向石墨粉末和镍粉末混合并掺入纳米TiO2颗粒并进行均匀混合以得到预备粉末，其中石墨和镍粉末的粒度各自在150-250目的范围内，并且精确称量出各种粉末或颗粒的重量，以将所述外层热喷涂涂层的化学成分形成为由如下成分构成：15～25wt％的石墨；70～80wt％的Ni；以及5～10wt％的纳米TiO2颗粒。
7.根据权利要求4至6任一所述的方法，其中该内层激光熔覆涂层制备步骤进一步包括：
预先处理步骤：利用有机液体清洗微型轴轴体，以去除所述轴体表面的污染物；将所述合金粉末原料与有机溶剂充分混合并调和为均匀的糊剂，然后将该糊剂均匀涂敷在轴体表面，并将其至于真空干燥箱中以在90～110℃的温度范围内烘干处理10～20分钟以形成由预置粉末层构成的待熔覆表面；
内层激光熔覆处理步骤：预通2-5分钟的氩气以对所述待熔覆表面形成保护气氛；采用激光束对表面预置粉末层的相应区域进行单道辐射扫描熔化，采用纯氩气作保护气体；其中激光熔覆处理的工艺参数为：激光输出功率为2.5～3.8kW，光斑直径为4～6mm，光束的扫描速度为200～320mm/min，氩保护气体的流量为10～13L/min；并在激光熔覆处理完毕之后使得熔覆层区域缓慢冷却。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述有机溶剂是：无水乙醇或者浓度为2-5wt％的聚乙烯醇。
9.根据权利要求4至8任一所述的方法，其中该外层热喷涂涂层制备步骤进一步包括：利用高速氧乙炔喷涂枪将所述预备粉末喷涂到所述内层的激光熔覆涂层上，其中该热喷涂工艺的具体参数为：氧气压为0.4～0.8MPa，乙炔压为0.6～0.8MPa，空气压为0.4～0.7MPa；并在热喷涂步骤之后将所得到的涂层进行抛光处理，以得到光滑的外层热喷涂涂层。
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Denomination of invention: A micro shaft and its preparation method

Effective date of registration: 20221103

Granted publication date: 20190405

Pledgee: Wenzhou Financing Guarantee Co.,Ltd.

Pledgor: WENZHOU SHENYI SHAFT INDUSTRIES Co.,Ltd.

Registration number: Y2022110000296