CN107858595A - 一种液压泵花键轴 - Google Patents

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夏吉显
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Abstract

本发明公开了一种液压泵花键轴，属于金属材料技术领域。花键轴的原料成分及百分含量为：Si：0.4‑0.6％、Mn：0.1‑0.3％、C：0.2‑0.4％、Cr：0.3‑0.5％、Al：0.2‑0.4％、Ni：0.2‑0.4％、Mo：0.1‑0.3％、Ti：0.05‑0.1％、余量为Fe和杂质。原料中的铝结合氧的能力极好，是配合锰等其他合金元素的优良元素，同时能细化晶粒，提高钢的抗氧化性，提高钢的耐磨性、疲劳强度和钢在氧化性酸中的耐蚀性。钛的化学活性非常活泼，极易与钢中的杂质元素H、N、O发生反应从而提高钢的综合性能，并使得钢具有高强度、低密度的突出优点。同时，通过改变合金的加入顺序，经多次除氧的方式来降低钢中的氧含量。

Description

一种液压泵花键轴
技术领域
本发明涉及一种液压泵花键轴，属于金属材料领域。
背景技术
随着国内工程机械行业的快速发展，对于工程机械的可靠性控制越来越严格。为提高工程机械的可靠性，做为工程机械核心部件的液压泵的稳定性也要求越来越高，而液压泵的稳定性又取决于液压泵中的主要传动零件花键轴的性能。现工程机械的主要零件液压泵花键的盲孔内花键的加工艺主要是用插齿加工，加工精度只能达到7级，传动花键有一定的间隙，不仅对于液压系统传动的稳定性有影响，而且间隙的存在会加快零件的磨损，影响使用寿命。
花键轴的材料组成起着决定性因素，通常以钢为材料进行制作。合金钢是以铁为基础，加入一定量的碳、钼、铬、锰等元素并控制添加元素含量而组成的合金体系。合金钢具有高强度、高硬度和一定的延性，适合于作结构材料，因此被广泛应用于国防工业和民用工业中，尤其在汽车、摩托车、枪械等行业中占有重要地位。
针对传统合金钢硬度低，不耐磨等缺点，公开号106244936A公开了一种通过提高合金球中碳、铬、钼的含量来提高产品的强度、硬度和耐磨性。然而，单纯的添加某些元素并不能很好的解决合金钢的强度、硬度、韧性、耐腐蚀性的问题。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供高强度、高韧性、耐腐蚀、高硬度的液压泵花键轴。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种液压泵花键轴，所述的液压泵花键轴由如下成分及其质量百分比组成：Si：0.4-0.6％、Mn：0.1-0.3％、C：0.2-0.4％、Cr：0.3-0.5％、Al：0.2-0.4％、Ni：0.2-0.4％、Mo：0.1-0.3％、Ti：0.05-0.1％、余量为Fe和杂质。
锰在炼钢时脱氧而残留在钢中，具有较好的吸附氧的能力，能把钢中铁的氧化物还原成铁，改善钢的质量，还可以与硫形成化合物，从而减轻硫对钢的有害作用。同时降低钢的脆性，改善钢的热加工性能，锰还能大部分溶于铁素体，形成置换固溶体，使铁素体强化从而提高钢的强度和硬度。铝的含量虽然较低，但是铝结合氧的能力极好，是配合锰等其他合金元素的优良元素，同时能细化晶粒，提高钢的抗氧化性，提高钢的耐磨性、疲劳强度和钢在氧化性酸中的耐蚀性。钛的化学活性非常活泼，极易与钢中的杂质元素H、N、O发生反应从而提高钢的综合性能，并使得钢具有高强度、低密度的突出优点。
作为优选，在液压泵花键轴原料中，所述杂质包括H＜0.002％、S＜0.003％、N＜0.004％、O＜0.001％。控制杂质含量可以有效避免合金钢发生热脆、机械时效等危害。
本发明在合理选用材料配比的同时还提供了另一种技术方案：
一种液压泵花键轴的制备工艺，所述的方法包括如下步骤：
(1)配料：按上述液压泵花键轴的成分及其质量百分比称取原料，将Fe、Cr、Ni直接熔炼成合金液1；
(2)除氧：先将Al、Mo加入合金液1中进行预除氧，再加入C、Si、Mn进行二次除氧，最后加入Ti进行终除氧形成合金液2，将合金液2浇注成合金钢板；
(3)钢板轧制：将合金钢板加热至1130-1170℃，保温80-120min，自然冷却至1000-1100℃，进行第一次机械轧制，再自然冷却至700-800℃，进行第二次机械轧制，然后冷却至400-600℃，最后自然冷却至室温；
(4)热处理：将轧制后的合金钢板进行退火处理，随后一次成型得花键轴半成品，然后进行正火处理，切削机加工后渗碳淬火并回火后得花键轴成品。
传统的炼钢除氧过程往往是通过添加额外的合金元素或非合金元素来完成，但是额外的添加元素反而重新为钢带来了杂质元素，降低钢的性能。而本发明通过改变合金的加入顺序，经多次除氧的方式来降低钢中的氧含量。
具有高强度兼有高韧性、低脆性转变温度的合金钢是较理想的结构材料。要使材料获得这一综合性能，可以通过细化晶粒来完成。本发明通过改进合金钢的轧制工艺与热处理方式获得性能更为优异的产品。其中轧制分为二次轧制，第一次较高温度的轧制可以使得钢板获得初步变形，使得钢板的各个部位温度均匀，同时也能促进各合金元素均匀分布，合金钢获得一个整体性，而第二次较低温度的轧制使得钢中铁素体晶粒、析出相数量多而尺寸较小，析出强化效果显著，并显著提高合金钢抗拉强度和屈服强度，改善低温冲击性能。
热处理中花键轴采用退火后冷挤压一次成型，正火其尺寸并进行切削加工，渗碳淬火、回火后精磨。使淬火对冷挤压成型的花键孔变形的影响降到最低，进一步提高产品精度的稳定性。
作为优选，在步骤(2)中，终除氧时加入的Ti为粒径为200-400nm的Ti粉。钛金属磨制成粉并控制其粒径，可以增加钛粉的比表面积，增大其与合金液的接触面积，最大限度地除去合金液中的杂质元素。
作为优选，在步骤(3)中，钢板轧制中所述加热时的升温速率为25-35℃/s。控制升温速率可以使钢板均匀受热，避免因升温过快造成受热不均，从而导致钢板开裂。
作为优选，在步骤(3)中，钢板轧制中所述第二次机械轧制后的冷却速率为35-45℃/s。控制冷却速率能较快地促进钢中大量细小析出相弥散分布，显著改善钢的低温冲击性能。
作为优选，在步骤(3)中，钢板轧制中所述第一次机械轧制后钢板的厚度减半，第二次机械轧制后钢板的厚度再减半。第一次机械轧制能粗略的改变钢中各合金相的分布形态，促进相的延伸，而第二次机械轧制改变钢板厚度，也即增加了钢的致密程度，促进钢中各组织相的交叠，从外观来看，即是增加了钢的强度。
作为优选，在步骤(4)中，热处理中所述退火处理的温度为700-900℃，保温1-2h，正火处理的温度为750-950℃，保温20-30min。退火配合正火可以细化晶粒，提高硬度，改善加工性能，去除材料的内应力，调整组织，稳定工件的尺寸，防止变形与开裂，消除组织缺陷。
作为优选，在步骤(4)中，热处理中所述一次成型为冷挤压一次成型。一次成型可以避免焊接等工艺带来的接缝处与本体的应力差异，避免在使用时造成受力不均而断裂。
作为优选，在步骤(4)中，热处理中所述渗碳淬火处理的温度为800-900℃，保温30-60min，回火处理的温度为300-400℃，保温15-25min。渗碳处理能提高产品的表面硬度与强度，同时增加其表面耐蚀性能，而淬火配合回火能去除钢中的内应力，提高其延性或韧性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)钢中的添加元素很多本身就具备强烈的除氧等性能。
(2)通过改变添加元素的不同加入方法，进行三次自除氧，有效降低钢中的氧含量。
(3)钢板的二次轧制使得钢中铁素体晶粒、析出相数量多而尺寸较小，析出强化效果显著，并显著提高合金钢抗拉强度和屈服强度，改善低温冲击性能。
(4)采用退火后冷挤压一次成型，使淬火对冷挤压成型的花键孔变形的影响降到最低，进一步提高产品精度的稳定性。
(5)多种热处理方式的有机结合进一步提高产品的强度、硬度，并延长产品寿命。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，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。
实施例1
配料：按上述液压泵花键轴的成分及其质量百分比称取原料，包括Si：0.5％、Mn：0.2％、C：0.3％、Cr：0.4％、Al：0.3％、Ni：0.3％、Mo：0.2％、Ti：0.08％、余量为Fe和杂质，其中杂质包括H＜0.002％、S＜0.003％、N＜0.004％、O＜0.001％。将Fe、Cr、Ni直接熔炼成合金液1。
除氧：先将Al、Mo加入合金液1中进行预除氧，再加入C、Si、Mn进行二次除氧，然后用气流磨将Ti磨制成粒径为300nm的Ti粉，最后加入Ti粉进行终除氧形成合金液2，将合金液2浇注成合金钢板。
钢板轧制：将合金钢板以30℃/s的升温速率加热至1150℃，保温100min，自然冷却至1050℃，进行第一次机械轧制，钢板厚度由80mm减至40mm，再自然冷却至750℃，进行第二次机械轧制，钢板厚度由40mm减至20mm，然后以40℃/s的冷却速率冷却至500℃，最后自然冷却至室温。
热处理：将轧制后的合金钢板进行退火处理，退火处理的温度为800℃，保温1.5h，随后冷挤压一次成型得花键轴半成品，然后进行正火处理，正火处理的温度为850℃，保温25min，切削机加工后渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为850℃，保温45min，回火处理的温度为350℃，保温20min，最后冷却得花键轴成品。
实施例2
配料：按上述液压泵花键轴的成分及其质量百分比称取原料，包括Si：0.4％、Mn：0.1％、C：0.2％、Cr：0.3％、Al：0.2％、Ni：0.2％、Mo：0.1％、Ti：0.05％、余量为Fe和杂质，其中杂质包括H＜0.002％、S＜0.003％、N＜0.004％、O＜0.001％。将Fe、Cr、Ni直接熔炼成合金液1。
除氧：先将Al、Mo加入合金液1中进行预除氧，再加入C、Si、Mn进行二次除氧，然后用气流磨将Ti磨制成粒径为300nm的Ti粉，最后加入Ti粉进行终除氧形成合金液2，将合金液2浇注成合金钢板。
钢板轧制：将合金钢板以30℃/s的升温速率加热至1150℃，保温100min，自然冷却至1050℃，进行第一次机械轧制，钢板厚度由80mm减至40mm，再自然冷却至750℃，进行第二次机械轧制，钢板厚度由40mm减至20mm，然后以40℃/s的冷却速率冷却至500℃，最后自然冷却至室温。
热处理：将轧制后的合金钢板进行退火处理，退火处理的温度为800℃，保温1.5h，随后冷挤压一次成型得花键轴半成品，然后进行正火处理，正火处理的温度为850℃，保温25min，切削机加工后渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为850℃，保温45min，回火处理的温度为350℃，保温20min，最后冷却得花键轴成品。
实施例3
配料：按上述液压泵花键轴的成分及其质量百分比称取原料，包括Si：0.6％、Mn：0.3％、C：0.4％、Cr：0.5％、Al：0.4％、Ni：0.4％、Mo：0.3％、Ti：0.1％、余量为Fe和杂质，其中杂质包括H＜0.002％、S＜0.003％、N＜0.004％、O＜0.001％。将Fe、Cr、Ni直接熔炼成合金液1。
除氧：先将Al、Mo加入合金液1中进行预除氧，再加入C、Si、Mn进行二次除氧，然后用气流磨将Ti磨制成粒径为300nm的Ti粉，最后加入Ti粉进行终除氧形成合金液2，将合金液2浇注成合金钢板。
钢板轧制：将合金钢板以30℃/s的升温速率加热至1150℃，保温100min，自然冷却至1050℃，进行第一次机械轧制，钢板厚度由80mm减至40mm，再自然冷却至750℃，进行第二次机械轧制，钢板厚度由40mm减至20mm，然后以40℃/s的冷却速率冷却至500℃，最后自然冷却至室温。
热处理：将轧制后的合金钢板进行退火处理，退火处理的温度为800℃，保温1.5h，随后冷挤压一次成型得花键轴半成品，然后进行正火处理，正火处理的温度为850℃，保温25min，切削机加工后渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为850℃，保温45min，回火处理的温度为350℃，保温20min，最后冷却得花键轴成品。
实施例4
配料：按上述液压泵花键轴的成分及其质量百分比称取原料，包括Si：0.5％、Mn：0.2％、C：0.3％、Cr：0.4％、Al：0.3％、Ni：0.3％、Mo：0.2％、Ti：0.08％、余量为Fe和杂质，其中杂质包括H＜0.002％、S＜0.003％、N＜0.004％、O＜0.001％。将Fe、Cr、Ni直接熔炼成合金液1。
除氧：先将Al、Mo加入合金液1中进行预除氧，再加入C、Si、Mn进行二次除氧，然后用气流磨将Ti磨制成粒径为200nm的Ti粉，最后加入Ti粉进行终除氧形成合金液2，将合金液2浇注成合金钢板。
钢板轧制：将合金钢板以25℃/s的升温速率加热至1130℃，保温80min，自然冷却至1000℃，进行第一次机械轧制，钢板厚度由80mm减至40mm，再自然冷却至700℃，进行第二次机械轧制，钢板厚度由40mm减至20mm，然后以35℃/s的冷却速率冷却至400℃，最后自然冷却至室温。
热处理：将轧制后的合金钢板进行退火处理，退火处理的温度为800℃，保温1.5h，随后冷挤压一次成型得花键轴半成品，然后进行正火处理，正火处理的温度为850℃，保温25min，切削机加工后渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为850℃，保温45min，回火处理的温度为350℃，保温20min，最后冷却得花键轴成品。
实施例5
配料：按上述液压泵花键轴的成分及其质量百分比称取原料，包括Si：0.5％、Mn：0.2％、C：0.3％、Cr：0.4％、Al：0.3％、Ni：0.3％、Mo：0.2％、Ti：0.08％、余量为Fe和杂质，其中杂质包括H＜0.002％、S＜0.003％、N＜0.004％、O＜0.001％。将Fe、Cr、Ni直接熔炼成合金液1。
除氧：先将Al、Mo加入合金液1中进行预除氧，再加入C、Si、Mn进行二次除氧，然后用气流磨将Ti磨制成粒径为400nm的Ti粉，最后加入Ti粉进行终除氧形成合金液2，将合金液2浇注成合金钢板。
钢板轧制：将合金钢板以35℃/s的升温速率加热至1170℃，保温120min，自然冷却至1100℃，进行第一次机械轧制，钢板厚度由80mm减至40mm，再自然冷却至800℃，进行第二次机械轧制，钢板厚度由40mm减至20mm，然后以45℃/s的冷却速率冷却至600℃，最后自然冷却至室温。
热处理：将轧制后的合金钢板进行退火处理，退火处理的温度为800℃，保温1.5h，随后冷挤压一次成型得花键轴半成品，然后进行正火处理，正火处理的温度为850℃，保温25min，切削机加工后渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为850℃，保温45min，回火处理的温度为350℃，保温20min，最后冷却得花键轴成品。
实施例6
配料：按上述液压泵花键轴的成分及其质量百分比称取原料，包括Si：0.5％、Mn：0.2％、C：0.3％、Cr：0.4％、Al：0.3％、Ni：0.3％、Mo：0.2％、Ti：0.08％、余量为Fe和杂质，其中杂质包括H＜0.002％、S＜0.003％、N＜0.004％、O＜0.001％。将Fe、Cr、Ni直接熔炼成合金液1。
除氧：先将Al、Mo加入合金液1中进行预除氧，再加入C、Si、Mn进行二次除氧，然后用气流磨将Ti磨制成粒径为300nm的Ti粉，最后加入Ti粉进行终除氧形成合金液2，将合金液2浇注成合金钢板。
钢板轧制：将合金钢板以30℃/s的升温速率加热至1150℃，保温100min，自然冷却至1050℃，进行第一次机械轧制，钢板厚度由80mm减至40mm，再自然冷却至750℃，进行第二次机械轧制，钢板厚度由40mm减至20mm，然后以40℃/s的冷却速率冷却至500℃，最后自然冷却至室温。
热处理：将轧制后的合金钢板进行退火处理，退火处理的温度为700℃，保温1h，随后冷挤压一次成型得花键轴半成品，然后进行正火处理，正火处理的温度为750℃，保温20min，切削机加工后渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为800℃，保温30min，回火处理的温度为300℃，保温15min，最后冷却得花键轴成品。
实施例7
配料：按上述液压泵花键轴的成分及其质量百分比称取原料，包括Si：0.5％、Mn：0.2％、C：0.3％、Cr：0.4％、Al：0.3％、Ni：0.3％、Mo：0.2％、Ti：0.08％、余量为Fe和杂质，其中杂质包括H＜0.002％、S＜0.003％、N＜0.004％、O＜0.001％。将Fe、Cr、Ni直接熔炼成合金液1。
除氧：先将Al、Mo加入合金液1中进行预除氧，再加入C、Si、Mn进行二次除氧，然后用气流磨将Ti磨制成粒径为300nm的Ti粉，最后加入Ti粉进行终除氧形成合金液2，将合金液2浇注成合金钢板。
钢板轧制：将合金钢板以30℃/s的升温速率加热至1150℃，保温100min，自然冷却至1050℃，进行第一次机械轧制，钢板厚度由80mm减至40mm，再自然冷却至750℃，进行第二次机械轧制，钢板厚度由40mm减至20mm，然后以40℃/s的冷却速率冷却至500℃，最后自然冷却至室温。
热处理：将轧制后的合金钢板进行退火处理，退火处理的温度为900℃，保温2h，随后冷挤压一次成型得花键轴半成品，然后进行正火处理，正火处理的温度为950℃，保温30min，切削机加工后渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为900℃，保温60min，回火处理的温度为400℃，保温25min，最后冷却得花键轴成品。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，对比例1不采用分阶段除氧步骤，而是直接将所有原料混合熔融。
对比例2
与实施例1的区别仅在于，对比例2仅进行一次钢板机械轧制。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，对比例3钢板轧制时不刻意控制钢板的升温与降温速率。
对比例4
与实施例1的区别仅在于，对比例4的产品花键轴不是一次成型而是焊接成型。
对比例5
与实施例1的区别仅在于，对比例5产品不进行渗碳淬火并回火处理。
将实施例1-7及对比例1-5的产品进行测试，测试其强度、韧性、耐腐蚀性和硬度，结果如表1所示：
表1：实施例1-7及对比例1-5中产品的性能
从中可以看出，本发明的具体制备工艺对产品性能的提升有较大的帮助，其工艺步骤或参数的大幅度改变都会降低产品的性能。表中的耐腐蚀数据为产品表面出现白点腐蚀的时间。
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 (10)

1.一种液压泵花键轴，其特征在于，所述的液压泵花键轴由如下成分及其质量百分比组成：Si：0.4-0.6％、Mn：0.1-0.3％、C：0.2-0.4％、Cr：0.3-0.5％、Al：0.2-0.4％、Ni：0.2-0.4％、Mo：0.1-0.3％、Ti：0.05-0.1％、余量为Fe和杂质。
2.根据权利要求1所述的液压泵花键轴，其特征在于，所述杂质包括H＜0.002％、S＜0.003％、N＜0.004％、O＜0.001％。
3.一种液压泵花键轴的制备工艺，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
(1)配料：按权利要求1所述液压泵花键轴的成分及其质量百分比称取原料，将Fe、Cr、Ni直接熔炼成合金液1；
(2)除氧：先将Al、Mo加入合金液1中进行预除氧，再加入C、Si、Mn进行二次除氧，最后加入Ti进行终除氧形成合金液2，将合金液2浇注成合金钢板；
(3)钢板轧制：将合金钢板加热至1130-1170℃，保温80-120min，自然冷却至1000-1100℃，进行第一次机械轧制，再自然冷却至700-800℃，进行第二次机械轧制，然后冷却至400-600℃，最后自然冷却至室温；
(4)热处理：将轧制后的合金钢板进行退火处理，随后一次成型得花键轴半成品，然后进行正火处理，切削机加工后渗碳淬火并回火后得花键轴成品。
4.根据权利要求3所述的液压泵花键轴的制备工艺，其特征在于，终除氧时加入的Ti为粒径为200-400nm的Ti粉。
5.根据权利要求3所述的液压泵花键轴的制备工艺，其特征在于，钢板轧制中所述加热时的升温速率为25-35℃/s。
6.根据权利要求3所述的液压泵花键轴的制备工艺，其特征在于，钢板轧制中所述第二次机械轧制后的冷却速率为35-45℃/s。
7.根据权利要求3所述的液压泵花键轴的制备工艺，其特征在于，钢板轧制中所述第一次机械轧制后钢板的厚度减半，第二次机械轧制后钢板的厚度再减半。
8.根据权利要求3所述的液压泵花键轴的制备工艺，其特征在于，热处理中所述退火处理的温度为700-900℃，保温1-2h，正火处理的温度为750-950℃，保温20-30min。
9.根据权利要求3所述的液压泵花键轴的制备工艺，其特征在于，热处理中所述一次成型为冷挤压一次成型。
10.根据权利要求3所述的液压泵花键轴的制备工艺，其特征在于，热处理中所述渗碳淬火处理的温度为800-900℃，保温30-60min，回火处理的温度为300-400℃，保温15-25min。
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