CN109518124A - 一种轴承滚动体的表面改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轴承滚动体的表面改性方法，包括以下步骤：A)将轴承滚动体棒材置于扭转试验机上进行扭转变形，得到轴承滚动体样品；B)将所述轴承滚动体样品进行感应加热扩散渗处理。本发明通过扭转变形在轴承滚动体表面引入高密度晶体缺陷，扩充了扩散快速通道，从而降低了扩渗温度、提高扩渗效率、提高表面渗层质量和厚度。另外，本发明通过扭转方式引入的晶体缺陷呈梯度分布，表层缺陷密度高而心部缺陷密度少，心部保留较好塑性，再经过扩散渗的方式，得到了表面硬度高、耐磨性能好、整体强韧性优良的轴承滚动体材料。

Description

一种轴承滚动体的表面改性方法
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术领域，尤其涉及一种轴承滚动体的表面改性方法。
背景技术
在轴承的失效零件中，滚动体的失效率仍然排在前位。滚动体的主要失效形式包括疲劳损坏、磨损和擦伤等，都发生于滚动体的表面。因此，滚动体表面处理技术不仅可以满足滚动轴承工作表面的性能要求，而且节约了贵重的材料，扩大了轴承的应用范围，在现代科学技术的发展中具有重要的意义。
表面处理是改善机械零件表面性能的重要技术，国内外开展了相应研究，如表面化学热处理方法、激光束、离子束、电子束等表面高能束改性技术以及表面涂层技术等，都能对零件表面性能起到一定的改善作用。化学热处理目前应用很广，但是性能提高有限；高能束改性技术目前还处于研究的初期，离实用化还有较大的差距；涂层技术作为轴承滚动体表面工程研究的一个热点，通过在零件表面制备高硬度涂层，能够提高零件的表面硬度、改善摩擦磨损性能和提高寿命，但涂层制备工艺容易影响组织稳定，涂层结合力较差。从实用化的观点看，齿轮涂层的结合力问题比进一步提高硬度更重要。
扩散渗(简称扩渗)是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入基体金属表面，进而在基体表面形成一种具有特殊性能渗层的技术，采用Al、Cr、Ti等元素扩渗能有效提高表层硬度，在轴承制造领域极具发展潜力。扩渗厚度一般可根据工件的技术要求来调节，而且渗层的成分、组织和性能是由表及里逐渐变化的，渗层与基体属于冶金结合，表层不易剥落。该方法不仅不受工件几何形状的限制，而且具有工件变形小、精度高、尺寸稳定性好等特点。另外，扩渗在提高表面力学性能的同时，还能提高工件表面硬度及耐腐蚀性能，能够实现零件及其合金表面的多功能改性。
目前，常用零件扩渗技术主要有盐浴加热、箱式炉加热和感应加热。盐浴加热温度稳定、组织均匀，然而在加热过程中易导致材料表面氧化失重，限制了该技术在轴承滚动体表面的应用。项目组受感应加热“集肤效应”的启发，发明了“齿轮表面真空感应加热扩渗方法及装置”(申请号：CN107058941A)和“真空感应加热扩渗处理炉体”(授权号：CN206721351U)，提出利用感应加热对材料表面进行扩散渗，尽可能不影响基体材料的组织和性能。
研究表明，感应加热的扩渗温度是影响扩渗渗层性能的首要因素，温度越高，渗剂原子获得的能量越大，形成活性原子的几率越大，越有利于金属间化合物的形成；温度过低无法克服原子激活能，扩渗无法进行。然而，扩渗温度过高则会引起渗层金属晶粒粗大等不利影响，而且较高的扩渗温度还会引起零件的变形，且变形量很大难以严格控制，对零件的后续加工及使用带来严重的影响，不仅使磨削量增加，导致加工制造成本提高，而且更严重的是由于变形的不均匀，在磨削过程中会出现磨削的余量不同，很容易将磨削量较大的一边的改性层全部磨掉，降低承载能力，甚至导致大型齿圈的过早报废，最终寿命也会大大下降。因此，在保证改性层表面性能的同时如何降低轴承滚动体的扩渗温度，在低温下获得冶金结合扩散层成为主要挑战。
目前，降低扩渗温度提高扩渗件整体性能的方法主要有三种：一是，引入离子场、电场或者超声波等物理场，加速渗层中原子的扩散速度；二是，引入催渗剂等化学触媒，改变反应过程的机制及热力学、动力学条件，提高扩渗金属活性原子的浓度，如在固体渗Al/Zn中，加入NH4Cl或ZnCl2等作催渗剂。因此，在上述现有技术的基础上，提供一种降低扩渗温度且保持轴承滚动体整体性能的方法具有重要意义。
发明内容
本发明解决的技术问题在于一共轴承滚动体的表面改性方法，本申请提供的改性方法在降低表面层扩渗温度的同时还可提升轴承滚动体的整体性能。
有鉴于此，本申请提供了一种轴承滚动体的表面改性方法，包括以下步骤：
A)将轴承滚动体棒材置于扭转试验机上进行扭转变形，得到轴承滚动体样品；
B)将所述轴承滚动体样品进行感应加热扩散渗处理。
优选的，所述扭转变形的扭转方式为单向扭转或往复扭转。
优选的，所述单向扭转的扭转角度为500～800°，所述单向扭转的扭转速度为5°～10°/min。
优选的，所述扭转变形在室温下进行。
优选的，所述扩散渗处理采用包埋渗的方式，所述包埋渗的包埋剂由渗源金属/合金、填充剂与催渗剂组成。
优选的，所述渗源金属/合金为纯铝粉或铝合金，所述填充剂为氧化铝，所述催渗剂为氯化铵。
优选的，所述感应加热扩散渗处理的温度小于1200℃，时间小于24h。
优选的，所述轴承滚动体棒材的横截面为圆形。
优选的，所述轴承滚动体20Cr钢、40Cr钢或GCr15钢。
本申请提供了一种轴承滚动体的表面改性方法，其首先将轴承滚动体棒材置于扭转试验机上进行扭转变形，再将得到的轴承滚动体样品进行感应加热扩散渗处理；本申请采用扭转变形的方式向轴承滚动体材料表面引入高密度晶体缺陷，提高了表面原子的快速扩散通道，因此后续进行的感应加热扩散渗处理，可降低加热温度，同时由于扭转变形自身特征，轴承滚动体材料内部变形量小，保留了材料的原始组织和塑性，提高了滚动轴承提的整体性能。
附图说明
图1为本发明中的制备工艺原理图；
图2为本发明实施例1中40Cr钢扭转720°心部和表层基于EBSD数据计算出的位错密度分布图；
图3为本发明实施例1中的40Cr钢扭转720°后感应加热包埋扩散渗铝样品的扫描电子显微镜剖视图；
图4为本发明实施例2中的40Cr钢扭转720°后感应加热包埋扩散渗铬样品的扫描电子显微镜剖视图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
申请人研究发现：利用扭转剪切变形可以在同样条件下实现材料的大变形，进而可以在钢表面引入高密度位错、提高钢强度。研究结果表明：室温扭转变形可以在包括钢材料的金属内部引入呈梯度分布的位错，且位错密度从心部到边部逐渐增高。此外，扭转变形加工后棒材表层孪晶界数量增高，表层晶体取向转动剧烈，这些组织演化同样有益于提高扩渗速率、降低扩渗温度。因此，申请人认为：首先对轴承滚动体材料进行室温扭转塑性变形加工在材料表层引入高密度缺陷，然后再利用感应加热对其进行表面加热扩渗合金，有助于降低扩渗温度、提高扩渗效率、增大渗层厚度、提高扩渗件整体性能。具体的，本申请所述轴承滚动体的表面改性方法，包括以下步骤：
A)将轴承滚动体棒材置于扭转试验机上进行扭转变形，得到轴承滚动体样品；
B)将所述轴承滚动体样品进行感应加热扩散渗处理。
在上述轴承滚动体的表面改性方法中，首先将轴承滚动体棒材置于扭转试验机上进行扭转变形，以得到轴承滚动体样品；在此过程中，所述轴承滚动体为圆柱状的轴承滚动体样品，即所述轴承滚动体的横截面为圆形，以利于扭转变形中的位错的形成。所述扭转试验机为本领域技术人员熟知的扭转试验机，对此本申请没有特别的限制，所述轴承滚动体在所述扭转试验机上进行扭转变形的具体操作过程为本领域技术人员熟知的，对此本申请没有特别的限制。
在本申请中，所述扭转变形的变形方式为单向扭转或往复扭转；其中，所述单向扭转是在一个方向上进行的扭转，其扭转速度为5°～10°/min，所述扭转角度为500°～800°；在具体实施例中，所述扭转变形的扭转速度为10°/min，所述扭转角度为720°。上述扭转变形处理在室温下进行。本申请所述轴承滚动体为本领域技术人员熟知的轴承滚动体，其材质具体为传统轴承滚动体钢，如20Cr钢、40Cr钢或GCr15钢。
经过上述扭转变形后，在轴承滚动体内形成由内向外逐渐增高的晶体缺陷，心部缺陷密度少而表层梯度缺陷密度高，高密度的晶体缺陷作为原子的快速扩散通道，以利于后续感应加热扩散渗铝的过程中渗源元素的快速渗透。
由此，本申请在扭转变形之后进行了扩散渗处理，所述扩散渗处理具体将上述扭转变形的轴承滚动体样品包埋在感应加热扩散渗装置中进行扩散渗处理，以在轴承滚动体表面制备金属或合金涂层。所述扩散渗处理采用包埋渗的方式，所述包埋渗的包埋剂由渗源金属/合金、填充剂与催渗剂组成；所述渗源金属/合金、填充剂与催渗剂的质量比为10：9：1；更具体的，所述渗源金属/合金为纯铝粉或铝合金粉，所述填充剂为氧化铝，所述催渗剂为氯化铵。所述扩散渗的温度小于1200℃，扩散时间小于24h；在具体实施例中，所述扩散渗的温度为1100℃，扩散时间为2～10h。
本申请轴承滚动体的表面改性方法利用梯度缺陷实现了表面涂层的快速渗透，显著提高了渗源材料原子的扩散速率，降低了包埋渗加热温度，具有设备简单，生产效率高，节能减排等优点。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的轴承滚动体的表面改性方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
如图1所示，图1为轴承滚动体表面梯度缺陷助渗合金的方法工艺流程图。
首先将商业40Cr钢加工成标准拉伸试样，再进行室温扭转变形加工，扭转方式为单向扭转，扭转角度为720°，扭转速度为10°/min，然后将扭转加工后样品包埋在扩散渗混合粉末中进行感应加热扩渗，混合粉末由重量百分比为45％的纯铝粉(纯度99.2％，颗粒直径约80μm)、5％的氯化铵(颗粒直径约100μm)粉末以及50％的氧化铝(颗粒直径约100μm)粉等组成；感应加热温度设置为1100℃，扩渗时间约1h。
图3所示为感应加热包埋扩散渗铝后的扫描电子显微镜组织照片和能谱线扫描结果；从图中可以看出，1100℃1h热扩渗后，40Cr钢表层形成了厚度约270μm的铝涂层，铝涂层较为均匀；从背散射照片可以显著看出，铝涂层和钢基体具有显著的亮度差异，这是因为基体是铁原子为主，而涂层以铝原子为主，铁原子序数大于铝原子序数，因而基体组织更明亮；能谱线扫描结果显示涂层中含有较高的铝元素，为冶金结合，涂层厚度约270μm。在相同扩散温度和扩散时间条件下，未扭转处理的40Cr钢涂层厚度约230μm，所述表面梯度缺陷助渗合金法提高渗铝层厚度约18.2％。表面梯度缺陷助渗铬涂层后，表层腐蚀电位(Ecorr)提高约21％(腐蚀环境为：0.05mol H2SO4和0.25mol Na2SO4水溶液)，平均腐蚀速率大大降低。
对比例1
将商业40Cr钢加工成标准拉伸试样，再进行室温扭转变形加工，扭转方式为单向扭转，扭转角度为180°，扭转速度为10°/min，然后将扭转加工后样品包埋在扩散渗混合粉末中进行感应加热扩渗，混合粉末由重量百分比为45％的纯铝粉(纯度99.2％，颗粒直径约80μm)、5％的氯化铵(颗粒直径约100μm)粉末以及50％的氧化铝(颗粒直径约100μm)粉等组成；感应加热温度设置为1100℃，扩渗时间1h后铝层厚度约235μm。而在相同扩散温度和扩散时间条件下，未扭转处理的40Cr钢涂层厚度约230μm，涂层厚度增加很小，梯度缺陷助渗效果不明显。
对比例2
将商业40Cr钢加工成标准拉伸试样，再进行室温扭转变形加工，扭转方式为单向扭转，扭转速度为180°/min，扭转角度为仅360°(发生扭转破断)，然后将扭转加工后样品包埋在扩散渗混合粉末中进行感应加热扩渗，混合粉末由重量百分比为45％的纯铝粉(纯度99.2％，颗粒直径约80μm)、5％的氯化铵(颗粒直径约100μm)粉末以及50％的氧化铝(颗粒直径约100μm)粉等组成；感应加热温度设置为1100℃，扩渗时间1h后铝层厚度约230μm。而在相同扩散温度和扩散时间条件下，未扭转处理的40Cr钢涂层厚度约230μm，涂层厚度增加不明显，梯度缺陷助渗效果不明显。
对比例3
将商业40Cr钢加工成标准拉伸试样，再在200℃下进行扭转变形加工，扭转方式为单向扭转，扭转速度为10°/min，扭转角度为1800°，然后将扭转加工后样品包埋在扩散渗混合粉末中进行感应加热扩渗，扩散渗参数同上。在相同扩散温度和扩散时间条件下，与未扭转处理的样品相比，涂层厚度无明显变化，说明在高温下扭转处理，表层引入的梯度缺陷含量减少，梯度缺陷助渗效果不明显。
扩散渗时间影响很大，时间越长渗层越厚，但工业化生产为了追求效益，时间不宜过长，因此实例中均采用的1-2小时。
实施例2
首先将商业40Cr钢加工成标准拉伸试样，再进行室温扭转变形加工，扭转方式为单向扭转，扭转角度为720°，扭转速度为10°/min；然后将扭转加工后样品包埋在扩散渗混合粉末中进行感应加热扩渗，混合粉末由重量百分比为45％的纯铝铬(纯度99.9％，颗粒直径约100μm)、5％的氯化铵(颗粒直径约100μm)粉末以及50％的氧化铝(颗粒直径约100μm)粉等组成，感应加热温度设置为1100℃，扩渗时间约1h。
图4所示为感应加热包埋扩散渗铬后的扫描电子显微镜组织照片和能谱线扫描结果；从图中可以看出，1100℃1h热扩渗后，40Cr钢表层形成了厚度约100μm的铬涂层。而在相同扩散温度和扩散时间条件下，未扭转处理的40Cr钢涂层厚度约91μm，所述表面梯度缺陷助渗合金法提高渗铬层厚度约9％。从高放大倍数的背散射照片可以显著看出，铬涂层是由含铬的合金渗碳体组成，显而易见合金渗碳体硬度高，能显著提高涂层的耐磨性能；能谱线扫描结果显示，涂层含有较高的铬元素和铁元素，也即在包埋热扩散过程中，涂层和基体发生了铬原子和铁原子的互扩散，是一种典型的冶金结合，显而易见冶金结合具有较高的界面结合强度。
表面梯度缺陷助渗铬涂层后，显微硬度从位涂层的200HV左右提高到800HV左右；在0.05mol H2SO4和0.25mol Na2SO4水溶液的腐蚀环境下，表层腐蚀电位(Ecorr)由-600mV提高到-450mv，腐蚀电流密度(Icorr)由180μA降低到0.4μA左右，平均腐蚀速率由730mpy降低到0.6mpy左右。
所述轴承滚动体表面梯度缺陷助渗合金的方法优选传统轴承滚动体钢，如20Cr钢、40Cr钢或GCr15钢，优选大直径棒材，优选扭转速度<10°/min的慢速扭转。轴承滚动体材料在扭转变形过程中，应变量和应变速率沿半径方向递增，表层具有最大的应变量和最高的应变速率，直径增大有助于向表层引入更高密度的晶体缺陷，从而提高感应加热扩散渗时原子的扩散速率。采用较慢的扭转速度有助于实现大角度的扭转变形，同样可以提高表层缺陷密度，提高扩渗效率。所述轴承滚动体表面梯度缺陷助渗合金的方法，通过传统轴承滚动体材料表面的晶体缺陷密度，增加原子扩散的快速通道，相对于传统热扩散而言，可以降低加热温度，避免基体组织粗化，提高统轴承滚动体材料的整体性能。
所述感应加热扩散渗铝的加热温度优选为1200℃以下，更优选的为800℃～1100℃；加热温度过高，虽然有助于加速铝原子的扩渗速度，但加热温度过高，容易导致基体组织粗化和氧化脱碳，导致轴承滚动体材料整体性能下降，加热温度过低，包埋热扩散渗效率下降严重，扩渗时间需显著延长，生成效率低，也不利于节能减排。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种轴承滚动体的表面改性方法，包括以下步骤：
A)将轴承滚动体棒材置于扭转试验机上进行扭转变形，得到轴承滚动体样品；
B)将所述轴承滚动体样品进行感应加热扩散渗处理。
2.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述扭转变形的扭转方式为单向扭转或往复扭转。
3.根据权利要求2所述的表面改性方法，其特征在于，所述单向扭转的扭转角度为500～800°，所述单向扭转的扭转速度为5°～10°/min。
4.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述扭转变形在室温下进行。
5.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述扩散渗处理采用包埋渗的方式，所述包埋渗的包埋剂由渗源金属/合金、填充剂与催渗剂组成。
6.根据权利要求5所述的表面改性方法，其特征在于，所述渗源金属/合金为纯铝粉或铝合金，所述填充剂为氧化铝，所述催渗剂为氯化铵。
7.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述感应加热扩散渗处理的温度小于1200℃，时间小于24h。
8.根据权利要求1～7任一项所述的表面改性方法，其特征在于，所述轴承滚动体棒材的横截面为圆形。
9.根据权利要求1～7任一项所述的表面改性方法，其特征在于，所述轴承滚动体20Cr钢、40Cr钢或GCr15钢。
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