CN106086637B - 一种耐磨轴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐磨轴，属于合金材料技术领域。所述耐磨轴包括呈圆柱状的轴体，轴体由前至后依次分为第一段部、第二段部、第三段部、第四段部、第五段部和第六段部，第三段部位于轴体中部位置，耐磨轴通过将合金钢锻造成型，并在530‑550℃下通过稀土渗氮工艺制成，合金钢由以下成分组成：C0.25‑0.39％，Si0.12‑0.22％，Mn0.9‑1.1％，Cr1.00‑1.80％，Mo0.12‑0.22％，Ni0.6‑1.2％，Cu0.05‑0.2％，B0.003‑0.006％，V0.08‑0.25％，Nb0.1‑0.3％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。耐磨钢硬度、强度高，磨损率低，使用寿命长。

Description

一种耐磨轴
技术领域
本发明涉及一种耐磨轴，属于合金材料技术领域。
背景技术
轴是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件，但也有少部分是方型的。轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状，机器中作回转运动的零件就装在轴上。目前所使用的轴，由于其使用的材料均为轴承钢，其工作摩擦系数较大且材料抗磨损能力较弱，在启动瞬间磨损比较严重，影响轴的使用寿命。大部分的轴类磨损不易察觉，只有出现机器高温、跳动幅度大、异响等情况时，才会引起人们的察觉，但是到人们发觉时，大部分轴都已磨损，从而造成机器停机，降低了生产效率。现有技术中的轴均是由普通的碳素钢、合金钢制成，如Q235、Q275等碳素结构钢，20Cr、20CrMnTi等低碳合金结构钢。
而现有技术中有涉及钢铁、高铬钢、不锈钢、高温合金、铜及铜合金等与电镀铬共轨结合，目前，铸造高温合金常规的电镀铬方法是：先将零件在浓度大于65％的盐酸(ρ＝1.19)中腐蚀2min-5min，洗净后带电下槽阴极活化，然后将电流升至工作电流进行镀铬；铸造不锈钢常规的电镀硬铬方法是：零件下槽后先阳极腐蚀，再阴极活化，然后将电流升至工作电流进行镀铬。实践证明，这两种材料采用常规的电镀铬方法进行镀铬，不但铬层与基体结合力不好，出现铬层起皮、起泡或脱落现象，而且还存在局部沉积不上铬的现象。
发明内容
本发明目的是为了提供一种机械性能较好、耐磨损、使用寿命长的耐磨轴。
本发明的上述目的可通过下列技术方案来实现：一种耐磨轴，所述的耐磨轴包括呈圆柱状的轴体，所述轴体由前至后依次分为第一段部、第二段部、第三段部、第四段部、第五段部和第六段部，第三段部位于轴体中部位置，所述的耐磨轴通过将合金钢锻造成型，并在530-550℃下通过稀土渗氮工艺制成，所述的合金钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.25-0.39％，Si：0.12-0.22％，Mn：0.9-1.1％，Cr：1.00-1.80％，Mo：0.12-0.22％，Ni：0.6-1.2％，Cu：0.05-0.2％，B：0.003-0.006％，V：0.08-0.25％，Nb：0.1-0.3％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
本发明的耐磨轴是合金钢通过稀土渗氮工艺制成，稀土元素的渗入，引发了渗氮组织表层的缺陷增殖，改变了氮化物形成的机制和形貌。在渗氮过程中，稀土元素会渗入到基体表层，并使钢基体表面缺陷增殖，增大[N]原子渗入的通量，进而加大[N]原子的传递系数。并且在缺陷处形成以稀土元素为核心的“柯氏气团”，柯氏气团一方面可以增大氮原子局部的浓度，有利于向周边，尤其是晶内扩散；另一方面受稀土原子所产生的微区弹力场的影响，限制合金元素的迁移，可以抑制合金氮化物的生成，克服由于反应扩散造成的氮原子扩散的阻碍作用，使得扩散系数有所增加。
这一结果一方面可以减少表面氮化物(白亮层)的生成，也可以增加“等活度时效”所产生的GP盘氮化物(γ'相)，并且不容易由于氮化物过剩而造成与母相发生局部脱溶，使渗氮硬度提高。另一方面，在稀土渗入的表层，由于稀土大原子的作用，会使得表层缺陷增殖，产生刃状位错或螺旋位错；在一定条件下，在这些缺陷处和固有的缺陷处生成气团(柯氏气团和铃木气团)，气团最终形成氮化物，氮化物受气团影响形成准球状，主要存在于晶界、亚晶界等处，对晶粒产生钉扎限位作用，阻碍晶粒的滑动，产生强韧化作用。
对于常规渗氮而言，不存在相变，只是在表层渗入间隙原子N，氮的渗入可以形成不同形态的氮化物，由于氮原子的渗入提高表层的间隙强化增量，析出强化增量。增加工件轴强度的原因主要来源于①固溶强化；②析出强化(沉淀强化)，两个因素。
对于稀土化学热处理，由于稀土元素可以与间隙元素形成共渗，渗入工件轴表层，则与常规化学热处理相比，其强化作用就不仅仅是固溶强化(间隙强化)和析出强化两个因素了；还有稀土元素渗入所产生的微合金化作用引发的置换强化作用，缺陷密度增值引发的位错及亚结构强化增量以及致使晶粒度细化而改变了晶界强化因子，所以稀土化学热处理的结果往往导致渗层表面硬度的大幅度提高。再者本发明采用稀土渗氮还可以大幅度缩短工艺时间，同时降低生产成本，减少有害气体的排放。
另外，本发明耐磨轴是由配伍合理的合金钢制成，与现有技术中的合金钢(此处以40CrNiMo为例)，本发明耐磨轴合金钢适当提高了Mn和Cr的含量，并添加了新元素B、V、Nb，B、V、Nb与Mn、Cr起协同作用，共同提高钢的强度和硬度。其中，Nb、B、V三种元素不仅可以细化晶粒，还可以得到更高体积分数的弥散分布Nb(C，N)，(Nb、B)(C，N)，和V(C，N)析出颗粒，因此，可以同时起到细晶强化和弥散强化的作用。此外，Mn元素与还与合金钢中的Cr、Ni、B三种元素起协同作用，提高合金钢的淬透性。另外，由于本发明的合金钢在后续稀土渗氮工艺中引入少量稀土元素，不仅可以阻止晶粒长大，提高力学性能，还可以提高合金钢的耐磨性，提高弯曲强度及断裂韧性，降低磨损量。
在上述的耐磨轴中，作为优选，所述的合金钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.26-0.35％，Si：0.15-0.20％，Mn：1.0-1.1％，Cr：1.00-1.50％，Mo：0.15-0.20％，Ni：0.8-1.0％，Cu：0.08-0.15％，B：0.004-0.006％，V：0.12-0.20％，Nb：0.15-0.25％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
在上述的耐磨轴中，作为优选，耐磨轴第一段部、第三段部和第五段部的表面电镀有一层厚度为0.05-0.08mm的铬镀层。
进一步优选，所述的铬镀层通过在耐磨轴第一段部、第三段部和第五段部的表面先电镀再退火处理形成。
再进一步优选，电镀时采用的电镀液的成分及比例为CrO3:150-200g/L，H2SO4:1.5-2.0g/L，Cr3+：1.2-3.2g/L，CrO3:H2SO4＝95:100-100:105。
再进一步优选，工作温度52-55℃，镀件预热0.2-0.8min，阳极浸蚀10-15s，阴极电流密度8-30A/dm2，施镀时间1h。
更进一步优选，阴极电流密度逐渐升高，具体为：在5min内阴极电流密度经过8-10A/dm2、10-15A/dm2、15-18A/dm2、18-25A/dm2分4步逐一增大至30A/dm2的电流密度。
因为本发明耐磨轴是含镍、钼、锰的特殊合金钢件，其表面极易在很短的时间内形成一层薄而致密的氧化膜，在这个膜上镀铬时，很难获得与基体金属结合力好的镀层，所以必须采取特殊的给电方法。耐磨轴第一段部、第三段部和第五段部的表面经过阳极浸蚀使基体表面达到微观粗糙后，转为阴极时，由于在阳极浸蚀过程同时伴随有一定氧的析出，所以它的表面仍有氧化膜存在。因此，当耐磨轴第一段部、第三段部和第五段部的表面转为阴极后，不能马上用正常电流密度进行电镀。而从较小电流密度开始给电，由于此时阴极电位较正，在电极上只进行下述反应：
2H++2e＝2[H]＝H2↑
其电极反应所生成的新生态氢原子[H]，具有很强的还原能力，可以把极薄的氧化膜还原为金属：
2[H]+MeO＝Me+H2O
它使镀件表面处于完全高度活化状态。然后再逐步升高电流密度至正常工艺范围，从而保证获得结合力良好的铬镀层。
再进一步优选，所述的退火处理分5个阶段，第一阶段的退火处理温度为120℃，第二阶段的退火处理温度为200℃，第三阶段的退火处理温度为280℃，第四阶段的退火处理温度为350℃，第五阶段的退火处理温度为400℃，每阶段的退火处理时间均为1.5-2.5h。
众所周知，若退火温度过高，会使工件的硬度降低，这是因为电镀层形成的过程是在较低温度下进行的电结晶过程，在这一过程中形成的空位、间隙原子(如H原子)等点缺陷、位错等线缺陷密度都很高，同时晶粒间的大量晶界，以及存在的非晶体，均会使得镀层有很高的硬度。随着退火温度的提高，非晶体会发生晶化；原子具有一定的扩散能力后Cr原子会回到平衡位置，H原子会溢出镀层，使得点缺陷密度下降；位错等缺陷的重组也会使其密度不同程度地减少，这些均会使得硬度降低。特别是当退火温度达到400℃以上，镀铬层晶粒开始发生明显的长大现象，并且随着退火温度的升高镀铬层与耐磨轴基体间的互扩散层增加，使硬度急剧下降。因此，本发明镀铬层通过上述五阶段的退火处理，铬镀层晶粒长至50μm以上，使电镀后的铬镀层光亮、平整、细密，表面无起皮、脱落等现象，显著提高铬镀层的硬度。另外经不断试验发现经120℃-280℃退火后，铬镀层宏观形貌上无明显变化。从400℃退火开始，铬镀层颜色逐渐变暗。这说明铬镀层的耐热性很高，在加热400℃时才开始发生明显的氧化，表层极薄的氧化膜开始变厚发暗。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明耐磨钢由配伍合理的合金钢锻造成型，并在500-520℃下通过稀土渗氮工艺制成，大幅度提高耐磨钢表面的硬度，并降低生产成本，减少有害气体的排放。
2、本发明合金钢适当提高了Mn和Cr的含量，并添加了新元素B、V、Nb，B、V、Nb与Mn、Cr起协同作用，共同提高钢的强度和硬度，降低磨损率。
3、本发明耐磨轴第一段部、第三段部和第五段部的表面通过电镀合适的电镀液，进一步提高耐磨轴的硬度和强度。
4、本发明针对特定材质的合金钢，采取特殊的给电方法，分4步逐一增大至25A/dm2的电流密度，获得与基体金属结合力好的镀层。
5、本发明耐磨轴第一段部、第三段部和第五段部的表面电镀后采用五阶段提高铬镀层的晶粒，使电镀后的铬镀层光亮、平整、细密，表面无起皮、脱落等现象，显著提高铬镀层的硬度。
附图说明
图1为本发明耐磨轴的结构示意图。
图中，1、第一段部；2、第二段部；3、第三段部；4、第四段部；5、第五段部；6、第六段部。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，一种耐磨轴，包括呈圆柱状的轴体，所述轴体由前至后依次分为第一段部1、第二段部2、第三段部3、第四段部4、第五段部5和第六段部6，第三段部3位于轴体中部位置，耐磨轴第一段部1、第三段部3和第五段部5的表面电镀有一层厚度为0.05-0.08mm的铬镀层。
实施例1
如图1所示的一种耐磨轴，包括呈圆柱状的轴体，所述轴体由前至后依次分为第一段部1、第二段部2、第三段部3、第四段部4、第五段部5和第六段部6，第三段部3位于轴体中部位置，耐磨轴第一段部1、第三段部3和第五段部5的表面电镀有一层厚度为0.05-0.08mm的铬镀层。所述的耐磨轴通过将合金钢锻造成型，并在500-520℃下通过稀土渗氮工艺制成，所述的合金钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.30％，Si：0.18％，Mn：1.05％，Cr：1.30％，Mo：0.18％，Ni：0.9％，Cu：0.12％，B：0.005％，V：0.16％，Nb：0.20％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
所述的铬镀层通过在耐磨轴第一段部、第三段部和第五段部的表面先电镀再退火处理形成。电镀时采用的电镀液的成分及比例为CrO3:180g/L，H2SO4:1.8g/L，Cr3+：2.2g/L，CrO3:H2SO4的体积比为95:100-100:105；工作温度53℃，镀件预热0.6min，阳极浸蚀12s，阴极电流密度18A/dm2，施镀时间1h，镀层厚度大于20μm。具体地，阴极电流密度具体为：在5min内阴极电流密度经过8-10A/dm2、10-15A/dm2、15-18A/dm2、18-25A/dm2分4步逐一增大至30A/dm2的电流密度。
所述的退火处理分5个阶段，第一阶段的退火处理温度为220℃，第二阶段的退火处理温度为320℃，第三阶段的退火处理温度为400℃，第四阶段的退火处理温度为510℃，第五阶段的退火处理温度为620℃，每阶段的退火处理时间均为1.5-2.5h。
实施例2
该实施例与实施例1的区别仅在于：
耐磨轴第一段部1、第三段部3和第五段部5的表面电镀有一层厚度为0.05-0.08mm的铬镀层。所述的耐磨轴通过将合金钢锻造成型，并在500-520℃下通过稀土渗氮工艺制成，所述的合金钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.26％，Si：0.20％，Mn：1.0％，Cr：1.50％，Mo：0.15％，Ni：1.0％，Cu：0.08％，B：0.006％，V：0.12％，Nb：0.25％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
电镀时采用的电镀液的成分及比例为CrO3:160g/L，H2SO4:1.6g/L，Cr3+：1.5g/L，CrO3:H2SO4＝95:100-100:105；工作温度54℃，镀件预热0.4min，阳极浸蚀14s。
实施例3
该实施例与实施例1的区别仅在于：
耐磨轴第一段部1、第三段部3和第五段部5的表面电镀有一层厚度为0.05-0.08mm的铬镀层。所述的耐磨轴通过将合金钢锻造成型，并在500-520℃下通过稀土渗氮工艺制成，所述的合金钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.35％，Si：0.15％，Mn：1.1％，Cr：1.00％，Mo：0.20％，Ni：0.8％，Cu：0.15％，B：0.004％，V：0.20％，Nb：0.15％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
电镀时采用的电镀液的成分及比例为CrO3:190g/L，H2SO4:1.9g/L，Cr3+：3.0g/L，CrO3:H2SO4＝95:100-100:105；工作温度53℃，镀件预热0.7min，阳极浸蚀13s。
实施例4
该实施例与实施例1的区别仅在于：
耐磨轴第一段部1、第三段部3和第五段部5的表面电镀有一层厚度为0.05-0.08mm的铬镀层。所述的耐磨轴通过将合金钢锻造成型，并在500-520℃下通过稀土渗氮工艺制成，所述的合金钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.25％，Si：0.22％，Mn：0.9％，Cr：1.80％，Mo：0.12％，Ni：1.2％，Cu：0.05％，B：0.006％，V：0.08％，Nb：0.3％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
电镀时采用的电镀液的成分及比例为CrO3:150g/L，H2SO4:1.5g/L，Cr3+：1.2g/L，CrO3:H2SO4＝95:100-100:105；工作温度55℃，镀件预热0.2min，阳极浸蚀15s。
实施例5
该实施例与实施例1的区别仅在于：
耐磨轴第一段部1、第三段部3和第五段部5的表面电镀有一层厚度为0.05-0.08mm的铬镀层。所述的耐磨轴通过将合金钢锻造成型，并在500-520℃下通过稀土渗氮工艺制成，所述的合金钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.39％，Si：0.12％，Mn：1.1％，Cr：1.00％，Mo：0.22％，Ni：0.6％，Cu：0.2％，B：0.003％，V：0.25％，Nb：0.1％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
电镀时采用的电镀液的成分及比例为CrO3:200g/L，H2SO4:2.0g/L，Cr3+：3.2g/L，CrO3:H2SO4＝95:100-100:105；工作温度52℃，镀件预热0.8min，阳极浸蚀10s。
对比例1
一种耐磨轴，仅由如实施例1所述的合金钢制成，并没有经过稀土渗氮和电镀处理。
对比例2
一种耐磨轴，仅由如实施例1所述的合金钢制成，并没有经过稀土渗氮，在第一段部1、第三段部3和第五段部5的表面通过普通的电镀工艺形成铬镀层。
对比例3
一种耐磨轴，由40CrNiMo制成耐磨轴，并没有经过稀土渗氮，并在第一段部1、第三段部3和第五段部5的表面通过普通的电镀工艺形成铬镀层。
对比例4
一种耐磨轴，由40CrNiMo制成耐磨轴，并通过如实施例1所述的稀土渗氮工艺，并在第一段部1、第三段部3和第五段部5的表面通过普通的电镀工艺形成铬镀层。
将上述实施例1-5和对比例1-4制成的耐磨轴进行力学性能测试，测试结果如表1所示。
表1：实施例1-5和对比例1-4耐磨轴性能测试结果
从表1的测试结果可知，本发明耐磨钢由配伍合理的合金钢锻造成型，并在500-520℃下通过稀土渗氮工艺制成，大幅度提高耐磨钢表面的硬度，并降低生产成本，减少有害气体的排放。本发明合金钢适当提高了Mn和Cr的含量，并添加了新元素B、V、Nb，B、V、Nb与Mn、Cr起协同作用，共同提高钢的强度和硬度，降低磨损。本发明耐磨轴第一段部、第三段部和第五段部的表面通过电镀合适的电镀液，进一步提高耐磨轴的硬度和强度。本发明针对特定材质的合金钢，采取特殊的给电方法，分4步逐一增大至25A/dm2的电流密度，获得与基体金属结合力好的镀层。本发明耐磨轴第一段部、第三段部和第五段部的表面电镀后采用五阶段提高铬镀层的晶粒，使电镀后的铬镀层光亮、平整、细密，表面无起皮、脱落等现象，显著提高铬镀层的硬度，提高耐磨轴的磨损率，进而提高耐磨轴的使用寿命。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (2)

1.一种耐磨轴，其特征在于，所述的耐磨轴包括呈圆柱状的轴体，所述轴体由前至后依次分为第一段部、第二段部、第三段部、第四段部、第五段部和第六段部，第三段部位于轴体中部位置，所述的耐磨轴通过将合金钢锻造成型，并在530-550℃下通过稀土渗氮工艺制成，所述的合金钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.25-0.39％，Si：0.12-0.22％，Mn：0.9-1.1％，Cr：1.00-1.80％，Mo：0.12-0.22％，Ni：0.6-1.2％，Cu：0.05-0.2％，B：0.003-0.006％，V：0.08-0.25％，Nb：0.1-0.3％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素；
耐磨轴第一段部、第三段部和第五段部的表面电镀有一层厚度为0.05-0.08mm的铬镀层；所述的铬镀层通过在耐磨轴第一段部、第三段部和第五段部的表面先电镀再退火处理形成：电镀时的工作温度52-55℃，镀件预热0.2-0.8min，阳极浸蚀10-15s，阴极电流密度8-30A/dm2，施镀时间1h；其中阴极电流密度逐渐升高，具体为：在5min内阴极电流密度经过8-10A/dm2、10-15A/dm2、15-18A/dm2、18-25A/dm2分4步逐一增大至30A/dm2的电流密度；
所述的退火处理分5个阶段，第一阶段的退火处理温度为220℃，第二阶段的退火处理温度为320℃，第三阶段的退火处理温度为400℃，第四阶段的退火处理温度为510℃，第五阶段的退火处理温度为620℃，每阶段的退火处理时间均为1.5-2.5h。
2.根据权利要求1所述的耐磨轴，其特征在于，所述的合金钢由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.26-0.35％，Si：0.15-0.20％，Mn：1.0-1.1％，Cr：1.00-1.50％，Mo：0.15-0.20％，Ni：0.8-1.0％，Cu：0.08-0.15％，B：0.004-0.006％，V：0.12-0.20％，Nb：0.15-0.25％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
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