CN108526830A

CN108526830A - 一种轴类件的复合制备工艺

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Publication number: CN108526830A
Application number: CN201810817977.0A
Authority: CN
Inventors: 骆宗安; 谢广明; 李明; 冯莹莹; 杨德瀚; 潘明明
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2018-09-14

Abstract

一种轴类件的复合制备工艺，包括以下步骤：(1)准备轴套和轴芯；(2)将轴套的内表面和轴芯的外表面进行表面处理，然后将轴芯嵌套在轴套内组成坯料；(3)先置于加热炉中，在惰性气氛或真空条件下加热至100～500℃并保温1～8h，然后端部焊接密封；(4)置于加热炉中，加热保温后进行墩粗和拔长，最后经过热处理。本发明的工艺解决了单一材料轴类件强度和韧性之间的矛盾，降低轴类件生产成本，延长了复合轴类件的生命周期，可实现工业化大批量生产。

Description

一种轴类件的复合制备工艺

技术领域

本发明属于机械零件加工技术领域，特别涉及一种轴类件的复合制备工艺。

背景技术

轴类件是一种在机器中起到支承、传递扭矩和承受载荷的零部件，由于其受力情况复杂，使得对其内部质量和力学性能要求很严格；传统单一材质轴类件难以同时满足工作过程中对其耐磨性和韧性的双重要求，而通过复合工艺制备的轴类件，由于其芯部和复合层可以选用不同的材质，它能较好的解决单一材料轴类件外层高耐磨性和芯部强韧性之间的矛盾，同时也能大大降低轴类件的生产成本。

为了提高轴类件外层的高耐磨性，目前的方法主要有高合金化、表面渗碳处理和分层复合等方法；高合金化即在轴类件铸坯中添加W、Mo、Cr、V等合金元素，可以得到高显微硬度共晶碳化物能够显著提高轴类件的硬度和耐磨性；但由于铸坯凝固过程中冷却速度快，这些合金元素及它们的碳化物来不及扩散，从而在铸坯中往往会产生严重的偏析现象，且轴类件尺寸越大，其偏析越严重、组织越不均匀，结果导致轴类件在后续锻造过程中变形困难、易开裂、成材率低、成本大大升高；而且通过添加大量合金元素虽然可以显著提高轴类件外层的高硬度、高耐磨性，但芯部的高韧性很难实现；中国发明专利(申请号为201610425730.5)提出一种“非调质复合轴类件”的制备方法，用冷却液对轴类零件表面进行清洗，清洗完毕后，在真空氩气氛下进行干燥处理，然后用硬质合金摩擦头向轴类零件的表面加压，在向轴类零件表面施压的同时使硬质合金摩擦头和轴类零件之间产生周向相对转动和轴向相对移动，从而使轴类零件表面产生塑性形变，并形成纳米级晶粒层，经过预处理的轴类零件装炉，当炉内温度达到800℃时，滴加煤油并点燃所排放的废气，继续升温至950℃，滴加煤油和甲醇的混合物，保温8h后渗碳；该方法虽然可以提高轴类件表层硬度和耐磨性，但存在渗碳层薄、渗碳层厚度均匀性很难控制、时间长、效率低等问题；中国发明专利(发明号为201110362480.2)提出一种“分层复合组织轴类零件材料及制备方法”，将含C0.40～1.5wt％，其他合金含量总和小于5wt％的中高碳低合金钢的坯料加热到轧制温度，再将其处理成外层温度低心部温度高的轧制坯料，要求轧坯表层温度在A1温度以下300℃，心部仍为轧制温度，最后进行单道次斜轧或楔横轧获得外层具有较高的强度与硬度，内层具有较好抗冲击性的分层复合组织轴类零件；此工艺存在不易克服的缺点，如大型模具制造加工困难、模具制造周期长、现场调试时间较长、且只适用于单一品种大规模生产的缺点。

发明内容

针对现有轴类部件在制备技术中存在的上述问题，本发明提供一种轴类件的复合制备工艺，将轴套和轴芯组坯在一起，在真空条件下将两者端部连接处焊接密封，再经过镦拔处理使轴套和轴芯冶金结合，制成力学性能良好的轴类件，对高合金偏析、中间疏松、夹杂、组织不均匀等问题进行改善，并降低生产成本。

本发明的轴类件的复合制备工艺包括以下步骤：

1、准备轴套和轴芯，轴芯为圆柱状钢材，轴套为钢管，轴套的内径与轴芯的外径相配合或有≤5mm的间距；

2、将轴套的内表面和轴芯的外表面进行表面处理，然后将轴芯嵌套在轴套内组成坯料；

3、先将坯料置于加热炉中，在惰性气氛或真空条件下加热至100～500℃并保温1～8h，然后取出，在轴套端部将轴套和轴芯连接处焊接密封，获得复合坯料；其中焊接密封是在真空条件下进行，或者在大气环境下进行焊接密封并预留连通管，使轴套和轴芯之间的间隙通过连通管与外部连通，通过真空泵与连通管处相连进行抽真空，抽真空后将连通管焊接密封；

4、将复合坯料置于加热炉中，加热至900～1300℃并保温1～10h，然后进行墩粗和拔长，最后经过热处理制成复合材质的轴类件材料。

上述的步骤2中，轴套的内表面和轴芯的外表面进行表面处理是采用机加工车铣、机械打磨或丙酮清洗，去除氧化物和污渍。

上述的步骤3中，焊接密封在真空条件下进行时，坯料在设有真空电子束焊机的真空室内，通过真空电子束焊机进行焊接密封，在抽真空和焊接的过程中，通过真空室内的补热系统，控制坯料的温度在100～500℃，焊后将坯料置于保温棉或保温毯中缓慢冷却防止坯料散热过快形成淬硬组织，导致焊缝开裂，其中真空条件为真空度10^-3～100Pa。

上述的步骤3中，在大气环境下进行焊接密封并预留连通管时，在大气环境下进行焊接密封并预留连通管，焊后再进行抽真空，在焊接过程利用保温棉或保温毯将坯料裹住，止坯料散热过快形成淬硬组织，导致焊缝开裂；其中抽真空至真空度10^-3～100Pa。

上述的步骤3中，加热炉中加热保温时，惰性气氛为氩气气氛或氮气气氛，真空条件为真空度10^-3～100Pa。

上述的步骤4中，进行镦粗时变形量在30％以上，实现轴芯和轴套连接面预结合，再通过拔长使轴芯和轴套的连接面达到冶金结合。

本发明的有益效果：

1、由于轴芯和轴套可以选用不同的材质，较好的解决了单一材料轴类件强度和韧性之间的矛盾，同时也大大降低了的轴类件生产成本；

2、由于轴芯轴套之间处于高真空状态，锻造后界面几乎不氧化，大大提高了轴芯轴套界面的冶金结合强度，从而提升了复合轴类件安全性能，延长了复合轴类件的生命周期；

3、与渗碳工艺和楔横轧等工艺方法相比，生产工艺更为简单，生产效率高、成本低、可实现工业化大批量生产；

4、制得坯料可根据生产需求，生产任意规格的轴芯和轴套，提高了市场竞争力。

附图说明

图1为本发明轴芯和轴套的组合坯料示意图；

图2为本发明实施例2中在大气条件下先焊接再抽真空密封的坯料结构示意图；

图3为本发明实施例1和3中在真空条件下焊接密封的坯料结构示意图；

图4为本发明实施例2中的坯料的纵向剖面结构和横向剖面结构示意图，其中左图为纵向剖面结构示意图，右图为横向剖面结构示意图；

图5为本发明实施例1和3的坯料的纵向剖面结构和横向剖面结构示意图，其中左图为纵向剖面结构示意图，右图为横向剖面结构示意图；

图中，1、轴套，2、轴芯、3、复合界面，4、焊点。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明实施例中轴套材质选用42CrMo钢、30CrMnSi钢或40CrNiMo钢，轴芯材质选用Q235钢、Q275钢或35#钢。

本发明实施例中轴套的内径为460～950mm，轴芯的外径为460～944mm。

本发明实施例中轴套的壁厚为20～50mm。

本发明实施例中轴套和轴芯的长度≥800mm，并且轴套的长度≤轴芯的长度。

本发明实施例中墩粗工序进行一次，拔长工序进行至少三次。

本发明实施例中热处理的步骤为：将墩拔后的复合坯料加热至800～900℃,保温4～10h，然后油冷至室温，再加热至400～550℃保温4～12h，最后空冷至室温。

本发明实施例中轴套的内表面和轴芯的外表面进行表面处理是采用机加工车铣、机械打磨或丙酮清洗，去除氧化物和污渍。

本发明实施例中加热炉中加热保温时，惰性气氛为氩气气氛或氮气气氛，真空条件为真空度10^-3～100Pa。

本发明实施例中拔长中使用上下V砧进行拔长。

实施例1

准备轴套和轴芯；轴套为圆柱状42CrMo钢，尺寸为(外径×壁厚×长度)；轴芯为Q235钢管，尺寸为(外径×长度)，轴套的内径与轴芯的外径相配合或有2.5mm的间距；

将轴套的内表面和轴芯的外表面进行表面处理，然后将轴芯嵌套在轴套内组成坯料；如图1所示；

先将坯料置于加热炉中，在真空条件下加热至200℃并保温5h，然后取出，在轴套端部将轴套和轴芯连接处焊接密封，获得复合坯料；其中焊接密封时，坯料在设有真空电子束焊机的真空室内，抽真空至真空度7×10^-2Pa，通过真空电子束焊机进行焊接密封，在抽真空和焊接的过程中，通过真空室内的补热系统，控制坯料的温度在200℃，设置方式如图3所示；

将复合坯料置于加热炉中，加热至1150±10℃并保温3h，然后进行墩粗和拔长，镦粗时变形量35％，实现轴芯和轴套连接面预结合，再通过拔长使轴芯和轴套的连接面达到冶金结合，最后经过热处理制成复合材质的轴类件材料，结构如图5所示。

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

(1)轴套材质为30CrMnSi钢，尺寸为轴套材质为Q275钢，尺寸为轴套的内径与轴芯的外径相配合或有3mm的间距；

(2)在惰性气氛条件下加热至220℃并保温4h，然后取出，在轴套端部将轴套和轴芯连接处焊接密封，获得复合坯料；其中焊接密封在大气环境下进行焊接密封并预留连通管在轴套和轴芯之间，焊后通过真空泵与连通管相连进行抽真空，抽真空后将连通管焊接密封；在焊接过程利用保温棉将复合坯料裹住；其中抽真空至真空度8×10^-1Pa；设置方式如图2所示；

(3)将复合坯料置于加热炉中，加热至1170±10℃并保温6h，然后进行墩粗和拔长，镦粗时变形量40％，产品结构如图4所示。

实施例3

(1)轴芯材质为35#钢，尺寸为轴套材质为40CrNiMo钢管，尺寸为轴套的内径与轴芯的外径相配合；

(2)在真空条件下加热至230℃并保温2h，焊接密封真空室内抽真空至真空度5×10^-3Pa，焊接时控制坯料的温度在230℃；

(3)将复合坯料置于加热炉中，加热至900～1300℃并保温1～10h，然后进行墩粗和拔长，镦粗时变形量在30％。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变形。

Claims

1.一种轴类件的复合制备工艺，其特征在于包括以下步骤：

(1)准备轴套和轴芯，轴芯为圆柱状钢材，轴套为钢管，轴套的内径与轴芯的外径相配合或有≤5mm的间距；

(2)将轴套的内表面和轴芯的外表面进行表面处理，然后将轴芯嵌套在轴套内组成坯料；

(3)先将坯料置于加热炉中，在惰性气氛或真空条件下加热至100～500℃并保温1～8h，然后取出，在轴套端部将轴套和轴芯连接处焊接密封，获得复合坯料；其中焊接密封是在真空条件下进行，或者在大气环境下进行焊接密封并预留连通管，使轴套和轴芯之间的间隙通过连通管与外部连通，通过真空泵与连通管处相连进行抽真空，抽真空后将连通管焊接密封；

(4)将复合坯料置于加热炉中，加热至900～1300℃并保温1～10h，然后进行墩粗和拔长，最后经过热处理制成复合材质的轴类件材料。

2.根据权利要求1所述的一种轴类件的复合制备工艺，其特征在于步骤(3)中，焊接密封在真空条件下进行时，坯料在设有真空电子束焊机的真空室内，通过真空电子束焊机进行焊接密封，在抽真空和焊接的过程中，通过真空室内的补热系统，控制坯料的温度在100～500℃，焊后将坯料置于保温棉或保温毯中缓慢冷却防止坯料散热过快形成淬硬组织，导致焊缝开裂，其中真空条件为真空度10^-3～100Pa。

3.根据权利要求1所述的一种轴类件的复合制备工艺，其特征在于步骤(3)中，在大气环境下进行焊接密封并预留连通管时，在大气环境下进行焊接密封并预留连通管，焊后再进行抽真空，在焊接过程利用保温棉或保温毯将坯料裹住，防止坯料散热过快形成淬硬组织，导致焊缝开裂；其中抽真空至真空度10^-3～100Pa。

4.根据权利要求1所述的一种轴类件的复合制备工艺，其特征在于步骤(3)中，加热炉中加热保温时，惰性气氛为氩气气氛或氮气气氛，真空条件为真空度10^-3～100Pa。

5.根据权利要求1所述的一种轴类件的复合制备工艺，其特征在于步骤(4)中，进行镦粗时变形量在30％以上，实现轴芯和轴套连接面预结合，再通过拔长使轴芯和轴套的连接面达到冶金结合。