CN111304539B - 一种高速高功率密度电机转轴及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速高功率密度电机转轴及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：(1)将钢液浇注成钢锭，之后锻造得钢棒；(2)将步骤(1)所得钢棒粗加工得毛坯转轴，再将毛坯转轴进行反复热处理后，得热处理毛坯转轴；(3)在惰性气体保护下，将多元镍基合金粉末、钼粉末和钴粉末喷涂于步骤(2)所得毛坯转轴表面，制备耐磨熔覆层，最后精加工至尺寸和精度符合要求，即得高速高功率密度电机转轴。所述制备方法通过加入微量合金元素，实现转轴强度和韧性的大幅度提高，并在此基础上，于转轴工作表面激光熔覆耐磨涂层，实现转轴表面硬度的大幅度提高，从而提高转轴耐磨性。

Description

一种高速高功率密度电机转轴及其制备方法
技术领域
本发明属于电机制造领域，具体涉及一种高速高功率密度电机转轴及其制备方法。
背景技术
用于驱动工业机器人、服务机器人和仿生机器人关节的电机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围，特别是像机器人末端执行器和关节应采用体积、质量尽可能小的电机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且有较大的短时过载能力。目前，高起动转矩、大转矩、低惯量的交流伺服电机在机器人中已经得到了广泛的应用。为了最大程度减小机器人的体积和重量，提高负载能力，进一步满足机器人小型化、轻量化、集成化、一体化、高能化的要求，需要在相同输出功率的前提下，最大限度地减小电机的体积和重量，从而提高电机的功率密度。
根据电机的有效尺寸(电枢直径的平方与轴向长度的乘积)与计算功率成正比，与转速和电磁负荷成反比的关系可知，提高电机功率密度有以下两种方法：一是提高转速，二是增加电机的电磁负荷。要实现电机的高速可靠运转，必须首先解决高速下转轴的安全、长寿命使用难题。
为了提高电机转轴的性能，公开号为CN105525140A的专利提出一种工业用主轴电机，其转轴由如下重量百分比的合金组成：Si:1～2％，At:1.9％，Sc:3.6％，Rb:1.5％，Ag:2.8％，Re:0.7％，余量为Ti和不可避免的杂质，但其由于含有价格昂贵的Ag和Sc，生产成本极高。公开号为CN105506372A的专利提出一种双速电机，其转轴由如下重量百分比的合金组成：Si:1～2％，S:1.5％，Be:2.3％，Co:2.6％，Nb:1.7％，Sb:3.8％，余量为Ti和不可避免的杂质，由于含有价格昂贵的Co及对操作工人身体有害的Be，不宜推广应用。公开号为CN105506371A的专利提出一种工业用变频电机，其转轴由如下重量百分比的合金组成：Si:1～2％，As:2.8％，K:0.1％，Ga:0.9％，Rh:1.2％，Ta:1.7％，余量为Ti和不可避免的杂质。但其中的As(砷)可与细胞中含巯基的酶结合，抑制细胞氧化过程，还能麻痹血管运动中枢，使毛细血管麻痹、扩张及通透性增高，重症可出现休克，肝脏损害，甚至死于中毒性心肌损害，因此对操作工人和使用者的危害巨大。公开号为CN105349838A的专利提出一种伺服电机，其转轴由如下重量百分比的合金组成：Si:1～2％，B:2.1％，Mg:5.9％，Au:1.8％，Tc:0.7％，Ba:2.4％，余量为Ti和不可避免的杂质，但其中含有较多的B，而B与Ti结合会生成硬度高、脆性大的TiB2和TiB，会使转轴使用中易出现断裂，影响电机的正常运行。公开号为CN104404303A的专利提出一种力发电机用直驱转轴，其金属主体由如下重量百分比的合金组成：Ce:4.67％，Pb:7.82％，Sc:8.13％，Zr:6.97％，Sb:5.47％，余量为Ti和不可避免的杂质，但是其中含有较多价格昂贵的Ce和对人体有害的Pb，限制了其应用。
综合分析可知，上述转轴材料或存在含量较高的贵重合金元素，导致转轴生产成本增加，又或存在对人体有害的元素，限制了应用。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种高速高功率密度电机转轴及其制备方法。所述制备方法通过加入微量合金元素，实现转轴强度和韧性的大幅度提高，并在此基础上，于转轴工作表面激光熔覆耐磨涂层，实现转轴表面硬度的大幅度提高，从而提高转轴耐磨性。
本发明的方案是，提供一种高速高功率密度电机转轴的制备方法，包括如下步骤：
(1)将钢液浇注成钢锭，之后锻造得钢棒；
(2)将步骤(1)所得钢棒粗加工得毛坯转轴，再将毛坯转轴进行反复热处理后，得热处理毛坯转轴；
(3)在惰性气体保护下，将多元镍基合金粉末、钼粉末和钴粉末喷涂于步骤(2)所得毛坯转轴表面，制备耐磨熔覆层，最后精加工至尺寸和精度符合要求，即得高速高功率密度电机转轴；
其中，所述钢液包括如下重量百分比的化学组成：碳0.29～0.36％、锰1.80～1.99％、铬0.70～0.85％、硅0.27～0.39％、铌0.045～0.071％、钒0.043～0.065％、镍1.77～1.94％、钼0.33～0.47％、镁0.006～0.018％、钇0.024～0.047％、氮0.008～0.019％、硼0.0025～0.0049％、铝0.005～0.014％、钙0.008～0.019％、钾0.029～0.048％、硫<0.015％、磷<0.020％和余量的Fe。
优选地，所述钢液包括如下重量百分比的化学组成：碳0.31％、锰1.93％、铬0.77％、硅0.33％、铌0.056％、钒0.049％、镍1.85％、钼0.38％、镁0.013％、钇0.034％、氮0.012％、硼0.0037％、铝0.009％、钙0.0015％、钾0.032％、硫0.006％、磷0.013％和余量的Fe。
优选地，步骤(1)中，所述浇注的温度为1525～1549℃。
优选地，步骤(1)中，所述钢棒直径为100～350mm，钢锭的锻造比为6～8。
优选地，步骤(2)中，所述反复热处理的方式为：将毛坯转轴加热至940～960℃、保温2～3h；待表面温度降至520～570℃时，重新加热至885～905℃，保温50～100min；出炉油冷淬火，待表面温度降至320～390℃时，重新加热至525～548℃，保温6～8h；出炉空冷，待表面温度降至230～280℃时，加热至485～505℃，保温8～10h，炉冷至温度低于120℃，再空冷至室温即可。
优选地，步骤(3)中，所述惰性气体为氩气。
优选地，步骤(3)中，所述多元镍基合金粉末、钼粉末和钴粉末的粒度均为150～320目，其喷涂所需的重量百分比分别为86～88％、6.5～7.5％和5.5～6.5％。
优选地，步骤(3)中，所述多元镍基合金粉末包括如下重量百分比的化学组成：碳0.9～1.1％、硼4.8～5.3％、铌3.5～4.0％、钛2.2～2.8％、硅4.1～4.9％、铈0.29～0.37％、铬16.3～17.7％、钇0.51～0.62％、铁≤5％和余量的镍。
优选地，步骤(3)中，喷涂后，耐磨熔覆层的厚度为1.3～1.6mm；精加工后，高速高功率密度电机转轴的耐磨熔覆层的厚度为1.0～1.2mm。
基于相同的技术构思，本发明再提供一种由上述方法制备得到的高速高功率密度电机转轴。
为便于对本发明的理解，下面对本发明的方案做进一步阐述。
钢液中添加0.29～0.36％的碳是为了确保电机转轴具有良好的强韧性及钢液具有较好的流动性；在此基础上加入1.80～1.99％的锰，0.70～0.85％的铬、0.27～0.39％的硅、1.77～1.94％镍和0.33～0.47％的钼，主要是为了提高转轴的强度，然而随着合金元素的加入，虽然可以提高转轴强度，但会导致其塑性和韧性的降低，因此，还加入了0.045～0.071％的铌、0.043～0.065％的钒、0.006～0.018％镁、0.024～0.047％的钇、0.008～0.019％的氮、0.029～0.048％的钾、0.0025～0.0049％的硼、0.005～0.014％的铝、0.008～0.019％的钙，主要是为了细化晶粒，减少夹杂物，有利于提高转轴的塑性和韧性，同时，加入0.0025～0.0049％的硼，还有利于提高转轴淬透性，且有利于贝氏体组织的形成，而贝氏体组织具有优异的强韧性。
作为优选的方案：
将所述钢液在温度为1525～1549℃的条件下浇注成钢锭，然后将钢锭锻造成直径为100mm～350mm的钢棒，钢锭锻造比为6～8，可以确保铸造组织的进一步细化，从而提高转轴的强度和韧性。
将锻造后的钢棒进行粗加工获得毛坯转轴，然后将毛坯转轴随炉加热至940～960℃，保温2～3h后，出炉空冷，可促使转轴组织形成均匀；当毛坯转轴表面温度降至520～570℃时将其重新加热，可以防止转轴变形；重新加热至885～905℃，保温50～100min，出炉油冷淬火，可以获得细小的板条马氏体和贝氏体复合组织，使转轴具有优异的强韧性；当毛坯转轴表面温度降至320～390℃时将其重新加热，可以防止转轴的变形和开裂；重新加热至525～548℃，保温6～8h，出炉空冷，可消除淬火组织中的残留奥氏体，确保组织稳定；当毛坯转轴表面温度降至230～280℃时，进行最终热处理，将其重新加热至485～505℃，保温8～10h，可以进一步消除内应力，确保转轴性能稳定；待炉冷至温度低于120℃后，出炉空冷至室温，使转轴具有优异的强韧性。
但是，上述转轴硬度低，工作部位在高速旋转过程中极易磨损失效，因此，本发明还对转轴的工作部位进行激光熔覆，使其硬度提高，耐磨性改善。本发明采用粒度为150～320目、重量百分比为86～88％的多元镍基合金粉末、7.5～8.5％的钼粉末和4.5～5.5％的钴粉末配料，采用同步送粉的方法，用激光器在热处理毛坯转轴的工作表面制备耐磨熔覆层。本发明使用的激光熔覆粉末主要是多元镍基合金粉末，而多元镍基合金粉末因含有4.8～5.3％的硼、3.5～4.0％的铌、2.2～2.8％的钛，因此获得的熔覆层具有高硬度和优异耐磨性，但是，熔覆层脆性极大，使用中极易开裂和剥落，为此加入0.29～0.37％的铈和0.51～0.62％的钇，降低熔覆层脆性。为了进一步降低熔覆层脆性，还加入了重量百分比为7.5～8.5％的钼粉末、4.5～5.5％的钴粉末，其中加入钴粉，可以提高熔覆层的高温硬度，而钼粉加入后，激光熔覆层显微组织主要由富镍的γ(Ni,Fe)树枝晶以及铬的碳化物的共晶组成。这是由于在激光熔覆的冷却过程中，富镍的树枝晶首先从液相中析出，剩余液相最后通过共晶反应在枝晶间凝固为共晶混合物。加入钼粉后熔覆层显微组织尺寸明显细化，而且在枝晶界面间还存在许多短粗的棒状碳化物，这是由于钼的加入导致熔覆层形核方式改变所致，钼元素的加入一方面能够较强的阻止奥氏体长大的作用，使熔覆层组织得到细化，另一方面，钼部分固溶于熔覆层中，使晶格发生比较大的畸变。由于钼元素的加入，导致析出物中的部分铬被钼取代，由于成分发生了改变，导致析出物的形态和分布不同于普通镍基合金熔覆层。此外，由于钼的加入使熔覆层中脆性相减少，熔覆层中细小的韧性相增加，组织更加细化、均匀，使得熔覆层抗磨性能提高，耐磨性增加。喷涂后，耐磨熔覆层的厚度为1.3～1.6mm；激光光斑尺寸为5mm×5mm，激光头及送粉喷头固定在一台工业机器人手臂上，熔覆时通入氩气保护熔池，最后精加工至高速高功率密度电机转轴规定的尺寸和精度，即可获得高速高功率密度电机转轴，成品高速高功率密度电机转轴耐磨熔覆层厚度为1.0～1.2mm。
本发明的有益效果为：
本发明所述高速高功率密度电机转轴的制备方法，通过钢液化学组成的严格确定，得到的电机转轴强度高、韧性佳，激光熔覆后，硬度大幅度提高，经检测表明，抗拉强度Rm≥2200MPa，屈服强度Rp0.2≥1750MPa，延伸率A≥14％，断面收缩率Z≥46％，20℃下Aku≥80J，硬度由常规的320～350HV，提高至750～790HV，且使用寿命比普通转轴寿命提高2倍以上。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种高速高功率密度电机转轴的制备方法，包括如下步骤：
(1)于1500公斤真空感应电炉内熔炼转轴材料的钢液，并在1525℃条件下浇注成钢锭，再锻造成直径为100mm的钢棒；其中钢液包括如下重量百分比的化学组成：碳0.29％、锰1.99％、铬0.70％、硅0.39％、铌0.045％、钒0.065％、镍1.77％、钼0.47％、镁0.006％、钇0.047％、氮0.008％、硼0.0049％、铝0.005％、钙0.019％、钾0.029％、硫0.009％、磷0.013％和余量的Fe；钢锭的锻造比为6；
(2)将步骤(1)所得钢棒粗加工得毛坯转轴，再将毛坯转轴随炉加热至940℃，保温3h，出炉空冷，当毛坯转轴表面温度降至520～530℃时，将其重新加热至905℃，保温50min，出炉油冷淬火，当毛坯转轴表面温度降至320～330℃时，将其重新加热至525℃，保温8h，出炉空冷；当毛坯转轴表面温度降至230～240℃时，进行最终热处理，将其重新加热至505℃，保温8h，炉冷至温度低于120℃后，出炉空冷至室温，得热处理毛坯转轴；
(3)采用重量百分比为87％的多元镍基合金粉末，7％的钼粉末和6％的钴粉末，采用同步送粉末的方法，采用激光器于步骤(2)所得热处理毛坯转轴表面制备耐磨熔覆层，耐磨熔覆层的厚度为1.5mm，激光光斑尺寸为5mm×5mm，激光头及送粉喷头固定在一台工业机器人手臂上，熔覆时通入氩气保护熔池，最后精加工至高速高功率密度电机转轴规定的尺寸和精度，即可获得高速高功率密度电机转轴，成品高速高功率密度电机转轴耐磨熔覆层厚度为1.1mm；其中多元镍基合金粉末包括如下重量百分比的化学组成：碳0.98％、硼4.97％、铌3.80％、钛2.61％、硅4.68％、铈0.34％、铬16.82％、铁3.69％、钇0.57％和余量的Ni，粉末粒度均为150～160目。
实施例2
本实施例提供一种高速高功率密度电机转轴的制备方法，包括如下步骤：
(1)于1500公斤真空感应电炉内熔炼转轴材料的钢液，并在1549℃条件下浇注成钢锭，再锻造成直径为350mm的钢棒；其中钢液包括如下重量百分比的化学组成：碳0.36％、锰1.80％、铬0.85％、硅0.27％、铌0.071％、钒0.043％、镍1.94％、钼0.33％、镁0.018％、钇0.024％、氮0.019％、硼0.0025％、铝0.014％、钙0.008％、钾0.048％、硫0.012％、磷0.017％和余量的Fe；钢锭的锻造比为8；
(2)将步骤(1)所得钢棒粗加工得毛坯转轴，再将毛坯转轴随炉加热至960℃，保温2h，出炉空冷，当毛坯转轴表面温度降至560～570℃时，将其重新加热至885℃，保温100min，出炉油冷淬火，当毛坯转轴表面温度降至380～390℃时，将其重新加热至548℃，保温6h，出炉空冷；当毛坯转轴表面温度降至270～280℃时，进行最终热处理，将其重新加热至485℃，保温10h，炉冷至温度低于120℃后，出炉空冷至室温，得热处理毛坯转轴；
(3)采用重量百分比为88％的多元镍基合金粉末，6.5％的钼粉末和5.5％的钴粉末，采用同步送粉末的方法，采用激光器于步骤(2)所得热处理毛坯转轴表面制备耐磨熔覆层，耐磨熔覆层的厚度为1.6mm，激光光斑尺寸为5mm×5mm，激光头及送粉喷头固定在一台工业机器人手臂上，熔覆时通入氩气保护熔池，最后精加工至高速高功率密度电机转轴规定的尺寸和精度，即可获得高速高功率密度电机转轴，成品高速高功率密度电机转轴耐磨熔覆层厚度为1.2mm；其中多元镍基合金粉末包括如下重量百分比的化学组成：碳1.1％、硼4.8％、铌4.0％、钛2.2％、硅4.9％、铈0.29％、铬17.7％、铁5.0％、钇0.62％和余量的Ni，粉末粒度均为310～320目。
实施例3
本实施例提供一种高速高功率密度电机转轴的制备方法，包括如下步骤：
(1)于1500公斤真空感应电炉内熔炼转轴材料的钢液，并在1537℃条件下浇注成钢锭，再锻造成直径为260mm的钢棒；其中钢液包括如下重量百分比的化学组成：碳0.31％、锰1.93％、铬0.77％、硅0.33％、铌0.056％、钒0.049％、镍1.85％、钼0.38％、镁0.013％、钇0.034％、氮0.012％、硼0.0037％、铝0.009％、钙0.0015％、钾0.032％、硫0.006％、磷0.013％和余量的Fe；钢锭的锻造比为7；
(2)将步骤(1)所得钢棒粗加工得毛坯转轴，再将毛坯转轴随炉加热至950℃，保温3h，出炉空冷，当毛坯转轴表面温度降至540～550℃时，将其重新加热至895℃，保温80min，出炉油冷淬火，当毛坯转轴表面温度降至350～360℃时，将其重新加热至535℃，保温7h，出炉空冷；当毛坯转轴表面温度降至250～260℃时，进行最终热处理，将其重新加热至495℃，保温9h，炉冷至温度低于120℃后，出炉空冷至室温，得热处理毛坯转轴；
(3)采用重量百分比为86％的多元镍基合金粉末，7.5％的钼粉末和6.5％的钴粉末，采用同步送粉末的方法，采用激光器于步骤(2)所得热处理毛坯转轴表面制备耐磨熔覆层，耐磨熔覆层的厚度为1.3mm，激光光斑尺寸为5mm×5mm，激光头及送粉喷头固定在一台工业机器人手臂上，熔覆时通入氩气保护熔池，最后精加工至高速高功率密度电机转轴规定的尺寸和精度，即可获得高速高功率密度电机转轴，成品高速高功率密度电机转轴耐磨熔覆层厚度为1.0mm；其中多元镍基合金粉末包括如下重量百分比的化学组成：碳0.9％、硼5.3％、铌3.5％、钛2.8％、硅4.1％、铈0.37％、铬16.3％、铁2.19％、钇0.51％和余量的Ni，粉末粒度均为250～260目。
为表明所述高速高功率密度电机转轴的力学性能，对实施例1～3所得转轴进行测试，结果如表1所示。
表1实施例1～3所得转轴的力学性能
力学性能 实施例1 实施例2 实施例3
抗拉强度/MPa 2240 2265 2235
屈服强度/MPa 1795 1760 1780
延伸率/％ 15.9 14.7 15.5
断面收缩率/％ 48.1 46.3 47.0
冲击韧性/A<sub>ku</sub>/J 84.7 82.1 86.9
工作表面硬度/HV 782 767 755
结论：
本发明所述转轴具有强度高、韧性好的特点，其中抗拉强度Rm≥2200MPa，屈服强度Rp0.2≥1750MPa，延伸率A≥14％，断面收缩率Z≥46％，20℃下Aku≥80J。本发明转轴工作表面经激光熔覆后，硬度大幅度提高，由常规的320～350HV，提高至750～790HV。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高速高功率密度电机转轴的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将钢液浇注成钢锭，之后锻造得钢棒；
(2)将步骤(1)所得钢棒粗加工得毛坯转轴，再将毛坯转轴进行反复热处理后，得热处理毛坯转轴；所述反复热处理的方式为：将毛坯转轴加热至940～960℃、保温2～3h；待表面温度降至520～570℃时，重新加热至885～905℃，保温50～100min；出炉油冷淬火，待表面温度降至320～390℃时，重新加热至525～548℃，保温6～8h；出炉空冷，待表面温度降至230～280℃时，加热至485～505℃，保温8～10h，炉冷至温度低于120℃，再空冷至室温即可；
(3)在惰性气体保护下，将多元镍基合金粉末、钼粉末和钴粉末喷涂于步骤(2)所得毛坯转轴表面，制备耐磨熔覆层，最后精加工至尺寸和精度符合要求，即得高速高功率密度电机转轴；
其中，所述钢液包括如下重量百分比的化学组成：碳0.29～0.36％、锰1.80～1.99％、铬0.70～0.85％、硅0.27～0.39％、铌0.045～0.071％、钒0.043～0.065％、镍1.77～1.94％、钼0.33～0.47％、镁0.006～0.018％、钇0.024～0.047％、氮0.008～0.019％、硼0.0025～0.0049％、铝0.005～0.014％、钙0.008～0.019％、钾0.029～0.048％、硫<0.015％、磷<0.020％和余量的Fe。
2.根据权利要求1所述高速高功率密度电机转轴的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述浇注的温度为1525～1549℃。
3.根据权利要求1所述高速高功率密度电机转轴的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钢棒直径为100～350mm，钢锭的锻造比为6～8。
4.根据权利要求1所述高速高功率密度电机转轴的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述惰性气体为氩气。
5.根据权利要求1所述高速高功率密度电机转轴的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述多元镍基合金粉末、钼粉末和钴粉末的粒度均为150～320目，其喷涂所需的重量百分比分别为86～88％、6.5～7.5％和5.5～6.5％。
6.根据权利要求1所述高速高功率密度电机转轴的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述多元镍基合金粉末包括如下重量百分比的化学组成：碳0.9～1.1％、硼4.8～5.3％、铌3.5～4.0％、钛2.2～2.8％、硅4.1～4.9％、铈0.29～0.37％、铬16.3～17.7％、钇0.51～0.62％、铁≤5％和余量的镍。
7.根据权利要求1所述高速高功率密度电机转轴的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，喷涂后，耐磨熔覆层的厚度为1.3～1.6mm；精加工后，高速高功率密度电机转轴的耐磨熔覆层的厚度为1.0～1.2mm。
8.权利要求1～7任一方法制备得到的高速高功率密度电机转轴。
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