CN110195147B - 大型医疗设备用销轴的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大型医疗设备用销轴的制备方法，通过热处理工艺和表面处理工艺的改进，采取分段冷却后回火，再进行特殊表面处理的制备工艺，严格控制加热、保温、冷却的温度和时间，保证产品的硬化层性能，对比合金成分和增光剂成分对销轴产品的影响，获得了机械性能优异、表面质量良好的大型医疗设备用销轴产品，能够满足医疗装置设备零部件的应用需求。

Description

大型医疗设备用销轴的制备方法

技术领域

本发明涉及金属加工领域，具体的说，是一种大型医疗设备用销轴的制备方法。

背景技术

装置设备机械用销轴，在宏观受力分析和销轴内力分布、销轴疲劳寿命研究、还有销轴材料及其制造工艺等多个方面，目前均是理论研究人员和工程技术人员以及高校相关专业师生的相关理论研究热点。特别是医疗设备或装置，对于操作精度、耐受条件和使用寿命等方面都具有一定的特殊要求。在销轴受力分析方面，武汉理工大学的朱浩等人对销轴连接接触力分布情况进行了研究，提出了销轴孔径与耳板厚度的比值及载荷大小是影响典型销轴连接接触力分布的因素；哈尔滨工业大学穆玉航对销轴连接的非线性力学行为进行了研究，探讨了很多销轴接触受力分析需要注意的问题。在疲劳寿命研究方面，青岛理工大学孔银响通过建立基于有限元分析和动力学仿真的疲劳寿命模型，对销轴在大载荷作用下的疲劳寿命及其指标进行研究，提出了剩余疲劳寿命的理论，并应用于销轴再制造性及修复技术的评估；威尔盛（等人在通过大量实验和理论研究，指出应力比与物理损伤之间关系的不唯一性，并提出了目前国内外流行的模型。在销轴材料及其制造工艺研究方面，河北医疗设备零部件有限公司李莉等人对热处理工艺对销轴机械性能的影响进行了研究；汉江机械厂热处理分厂闵艳平等人对材料的热处理工艺进行研究，得到了可以将材质性能充分发挥的最合理的热处理条件。

面对医疗设备用销轴的市场需求，从使用环境和保养程度上仍存在各种各样的差异，这些差异对销轴性能和使用寿命均会产生影响，且不容易进行数据化的统计。目前，大型医疗设备用销轴的处理工艺中，对于所获得产品的机械性能、耐受条件和使用寿命等均为该技术领域迫切需要解决的技术难点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了大型医疗设备用销轴的制备方法，该方法可以提供一种适合大型医疗设备的专用销轴，使销轴产品获得所需要的机械性能、耐受性和使用寿命。

大型医疗设备用销轴的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：将机加工后的销轴放入热处理炉，先预加热到300~400℃，保温20~30min。

步骤(2)：将预热后的销轴继续加热至800~830℃，保温时间为1~2h。

步骤(3)：将销轴随炉缓冷至650~700℃，然后从热处理炉中取出销轴放入急冷装置，在-30 ~ -50℃的环境下进行急冷处理15~30s。

步骤(4)：将所述冷却后的销轴重新加热进行低温回火，加热温度为200~350℃，保温时间为2~4h。

步骤(5)：将所述热处理后的销轴进行表面处理，获得销轴的最终产品。

所述销轴坯料的化学成分为：C 0.42~0.55wt%、Si 0.20~0.30wt%、Mn 0.50~0.65wt%、Cr 0.15~0.25wt%、Ni 0.01~0.02wt%、Al 0.01~0.02wt%、B 0.002~0.005wt%、S≤0.020wt%、P≤0.002wt%，余量为铁及不可避免的杂质。

所述步骤(5)表面处理具体为：先将所述热处理后的销轴浸泡在碱液中0.5~1h，取出后水洗，再放入硼酸或草酸中浸泡5~10min后水洗，然后采用增光剂对销轴进行表面处理。

所述步骤(3)的急冷装置也可采用水冷喷淋的方式，冷却时间为40~50s。

所述步骤(4)重复2~3次，反复进行低温回火。

所述增光剂成分包含：3~5份绿原酸，3~5份硼酸二氢钠，4~6份乙二胺，6~8份二氧化钛粉末，10~15份氨甲基丙醇，12~15份聚乙二醇。

浸泡使用的所述碱液为碳酸氢铵、硫酸铵、碳酸钠或碳酸氢钠溶液中的一种或两种以上。

所述销轴最终产品的金相组织为回火马氏体组织、极少量托氏体和铁素体组成。表面硬度为50~60HRC，心部硬度为28~32HRC，淬硬层深DI50HRC为8.0~9.5mm，断面收缩率为55~60%，伸长率为18~22%。

与现有技术相比，本发明的优点是：通过热处理工艺和表面处理工艺的改进，采取分段冷却后回火，再进行特殊表面处理的制备工艺，严格控制加热、保温、冷却的温度和时间，保证产品的硬化层性能，对比合金成分和增光剂成分对销轴产品的影响，获得了机械性能优异、表面质量良好的大型医疗设备用销轴产品，能够满足医疗装置设备零部件的应用需求。

具体实施方式

现有技术中的处理工艺存在生产效率低下，耗能较高等缺点。因此，经过调研论证本发明的研究人员针对销轴的制备方法进行了改进。采用本发明的技术处理的销轴表面有极高的抗腐蚀能力和抗磨性，显著提高了销轴的表面性能，解决了由销轴表面质量引起的性能问题。

本发明的研究人员对销轴热处理工序进行了改善，通过加热淬火试验可以得出，保持一定的加热速度，工件达到一定的温度后，由于工件热量的散失及传导到心部的能量与加热能量接近平衡状态，因此加热速度放慢。选择特定的淬火温度，严格控制加热保温时间，使奥氏体晶粒细小，以减小工件开裂倾向。根据试验结果，销轴淬火温度选择在650~700℃。采用预热加热工艺、两段冷却和表面处理的方式，通过控制保温时间来保证晶粒尺寸，晶粒尺寸越小，淬火硬度越高。随着保温时间延长，零件表面热量往心部传导，使奥氏体更加均匀，淬火后硬度增加；再随着保温时间延长，奥氏体晶粒长大。回火温度越高，材料塑性越高，随之其强度降低；温度越低，材料脆性越大。

并且，本发明的研究人员通过对比各材料组成成分的差异对热处理性能的影响，例如，由于材料含有Cr和Ni元素，晶粒长大倾向小，但是长时间偏高温度加热容易引起晶粒粗大，在淬火和中温回火后，容易引起开裂，且淬火后容易引起销轴几个面硬度不均。通过对制备方法的改进，本发明实现了提高销轴性能的稳定性，减少力学性能偏差，保证将销轴材料进行处理加工之后能充分发挥材料的性能，并注重医疗需求的高精度角度，确保销轴使用寿命得到确实的提高。

下面结合实施例和对比例对本发明进一步详细说明。

实施例1：

大型医疗设备用销轴的制备方法，所述销轴坯料的化学成分为：C 0.42wt%、Si0.20wt%、Mn 0.55wt%、Cr 0.25wt%、Ni 0.01wt%、Al 0.01wt%、B 0.005wt%、S≤0.020wt%、P≤0.002wt%，余量为铁及不可避免的杂质。

包括以下步骤：

步骤(1)：将机加工后的销轴放入热处理炉，先预加热到30℃，保温30min。

步骤(2)：将预热后的销轴继续加热至800℃，保温时间为2h。

步骤(3)：将销轴随炉缓冷至650℃，然后从热处理炉中取出销轴放入急冷装置，在-30℃的环境下进行急冷处理15s。

步骤(4)：将所述冷却后的销轴重新加热进行低温回火，加热温度为350℃，保温时间为2h，低温回火重复2次。

步骤(5)：将所述热处理后的销轴进行表面处理，先将所述热处理后的销轴浸泡在碱液中1h，取出后水洗，再放入硼酸或草酸中浸泡5min后水洗，然后采用增光剂对销轴进行表面处理，获得销轴的最终产品。增光剂成分包含：3份绿原酸，3份硼酸二氢钠，6份乙二胺，6份二氧化钛粉末，10份氨甲基丙醇，12份聚乙二醇。浸泡使用的所述碱液为碳酸氢铵、硫酸铵、碳酸钠或碳酸氢钠溶液中的一种或两种以上。

所述销轴最终产品的金相组织为回火马氏体组织、极少量托氏体和铁素体组成。表面硬度为50HRC，心部硬度为28HRC，淬硬层深DI50HRC为8.0mm，断面收缩率为58%，伸长率为20%。

实施例2：

大型医疗设备用销轴的制备方法，所述销轴坯料的化学成分为：C 0.45wt%、Si0.25wt%、Mn 0.55wt%、Cr 0.25wt%、Ni 0.02wt%、Al 0.01wt%、B 0.005wt%、S≤0.020wt%、P≤0.002wt%，余量为铁及不可避免的杂质。

包括以下步骤：

步骤(1)：将机加工后的销轴放入热处理炉，先预加热到350℃，保温25min。

步骤(2)：将预热后的销轴继续加热至820℃，保温时间为2h。

步骤(3)：将销轴随炉缓冷至680℃，然后从热处理炉中取出销轴放入急冷装置，在-50℃的环境下进行急冷处理20s。

步骤(4)：将所述冷却后的销轴重新加热进行低温回火，加热温度为250℃，保温时间为4h，低温回火重复3次。

步骤(5)：将所述热处理后的销轴进行表面处理，先将所述热处理后的销轴浸泡在碱液中1h，取出后水洗，再放入硼酸或草酸中浸泡8min后水洗，然后采用增光剂对销轴进行表面处理，获得销轴的最终产品。增光剂成分包含：5份绿原酸，5份硼酸二氢钠，4份乙二胺，6份二氧化钛粉末，12份氨甲基丙醇，13份聚乙二醇。浸泡使用的所述碱液为碳酸氢铵、硫酸铵、碳酸钠或碳酸氢钠溶液中的一种或两种以上。

所述销轴最终产品的金相组织为回火马氏体组织、极少量托氏体和铁素体组成。表面硬度为58HRC，心部硬度为32HRC，淬硬层深DI50HRC为9.5mm，断面收缩率为57%，伸长率为18%。

实施例3：

大型医疗设备用销轴的制备方法，所述销轴坯料的化学成分为：C 0.55wt%、Si0.30wt%、Mn 0.60wt%、Cr 0.20wt%、Ni 0.02wt%、Al 0.02wt%、B 0.004wt%、S≤0.020wt%、P≤0.002wt%，余量为铁及不可避免的杂质。

包括以下步骤：

步骤(1)：将机加工后的销轴放入热处理炉，先预加热到400℃，保温30min。

步骤(2)：将预热后的销轴继续加热至830℃，保温时间为1h。

步骤(3)：将销轴随炉缓冷至700℃，然后从热处理炉中取出销轴放入急冷装置，采用水冷喷淋的方式，冷却时间为40s。

步骤(4)：将所述冷却后的销轴重新加热进行低温回火，加热温度为350℃，保温时间为3h，低温回火重复2次。

步骤(5)：将所述热处理后的销轴进行表面处理，先将所述热处理后的销轴浸泡在碱液中0.5h，取出后水洗，再放入硼酸或草酸中浸泡5min后水洗，然后采用增光剂对销轴进行表面处理，获得销轴的最终产品。增光剂成分包含：3份绿原酸，5份硼酸二氢钠， 6份乙二胺，7份二氧化钛粉末，10份氨甲基丙醇，14份聚乙二醇。浸泡使用的所述碱液为碳酸氢铵、硫酸铵、碳酸钠或碳酸氢钠溶液中的一种或两种以上。

所述销轴最终产品的金相组织为回火马氏体组织、极少量托氏体和铁素体组成。表面硬度为60HRC，心部硬度为29HRC，淬硬层深DI50HRC为9.0mm，断面收缩率为60%，伸长率为22%。

对比例1：

本发明的制造方法中，当改变表面处理试剂的选择时，特别是增光剂材料的绿原酸、硼酸二氢钠、乙二胺、二氧化钛粉末等组成成分和含量发生改变，将影响表面处理的效果，导致销轴最终产品的表面质量不佳，高应力环境下使用寿命缩短，易出现表面裂纹，耐腐蚀性能差等缺陷。

对比例2：

当退火工艺和合金成分发生改变时，将导致销轴微观结构变化，例如加热不充分导致出现块状铁素体组织，硬化层存在铁素体残留，或者表面硬化层深度偏低，使最终产品的使用寿命下降。

由实施例1-3和对比例1和2可以看出，实验结果表明：本发明通过针对热处理工艺和表面处理工艺的控制，以及选择适当的合金成分和表面处理试剂，采取分段冷却后回火，再进行特殊表面处理的制备工艺，最终获得了具有优异性能的大型医疗设备用销轴产品，不仅机械性能优异，表面质量良好，并且使用性能完全能够满足医疗装置设备零部件的商品应用需求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.大型医疗设备用销轴的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：将机加工后的销轴放入热处理炉，先预加热到300~400℃，保温20~30min；

步骤(2)：将预热后的销轴继续加热至800~830℃，保温时间为1~2h；

步骤(3)：将销轴随炉缓冷至650~700℃，然后从热处理炉中取出销轴放入急冷装置，在-30 ~ -50℃的环境下进行急冷处理15~30s；

步骤(4)：将冷却后的销轴重新加热进行低温回火，加热温度为200~350℃，保温时间为2~4h；

步骤(5)：将热处理后的销轴进行表面处理，获得销轴的最终产品；

所述销轴坯料的化学成分为：C 0.42~0.55wt%、Si 0.20~0.30wt%、Mn 0.50~0.65wt%、Cr 0.15~0.25wt%、Ni 0.01~0.02wt%、Al 0.01~0.02wt%、B 0.002~0.005wt%、S≤0.020wt%、P≤0.002wt%，余量为铁及不可避免的杂质；

所述步骤(5)表面处理具体为：先将所述热处理后的销轴浸泡在碱液中0.5~1h，取出后水洗，再放入硼酸或草酸中浸泡5~10min后水洗，然后采用增光剂对销轴进行表面处理；

所述增光剂成分包含：3~5份绿原酸，3~5份硼酸二氢钠，4~6份乙二胺，6~8份二氧化钛粉末，10~15份氨甲基丙醇，12~15份聚乙二醇；

所述销轴最终产品的金相组织为回火马氏体组织、极少量托氏体和铁素体组成；

所述销轴最终产品的表面硬度为50~60HRC，心部硬度为28~32HRC，淬硬层深DI50HRC为8.0~9.5mm，断面收缩率为55~60%，伸长率为18~22%。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)的急冷装置也可采用水冷喷淋的方式，冷却时间为40~50s。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)重复2~3次，反复进行低温回火。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：浸泡使用的所述碱液为碳酸氢铵、硫酸铵、碳酸钠或碳酸氢钠溶液中的一种或两种以上。