CN112959014A - 一种铜/钢复合轴套的制备方法 - Google Patents

一种铜/钢复合轴套的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种铜/钢复合轴套的制备方法，具体操作步骤为：步骤1：去除选用的轴承钢基材表面杂质，采用箱式炉对轴承钢基材进行预热处理，然后选择与轴承钢基材相匹配的焊丝通过GTAW焊接机器人进行增材制造；步骤2：利用车削的方式对步骤1得到的成型件表面进行处理；步骤3：对步骤2所制得的零件进行的热处理，即得铜/钢复合轴套。该制备方法，旨在提高轴承件的力学性能，避免轴承件因磨损引起失效，从而延长了工件的使用寿命。

Description

一种铜/钢复合轴套的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料增材制造领域，具体涉及一种铜/钢复合轴套的制备方法。
背景技术
随着现代工业制造领域的快速发展，对各种设备的服役要求提出了更高的要求。其中，轴承作为支承转动部件、减少摩擦的主要结构零件，被广泛应用于核电、航天、风电等领域。然而，设备在长时间运转过程中常常会由于磨损、烧伤、疲劳裂纹等缺陷，导致轴承套失效，严重时会引起整个设备的损坏，造成严重的经济损失。
金属铜由于具有良好的耐磨性、耐蚀性以及高热导率等性能，被大量应用于轴承套材料的表面改性，大大提高材料的耐磨性，同时也有利于降低轴承套发生烧伤失效的几率。因此，为了提高轴承的使用寿命，一般使用铜/钢复合件作为轴承套材料，但因其结合强度较低或制造工艺复杂等问题的存在，对轴承件使用性能的提升提出了巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜/钢复合轴套的制备方法，旨在提高轴承件的力学性能，避免轴承件因磨损引起失效，从而延长了工件的使用寿命。
本发明所采用的技术方案是，一种铜/钢复合轴套的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：去除选用的轴承钢基材表面杂质，采用箱式炉对轴承钢基材进行预热处理，然后选择与轴承钢基材相匹配的焊丝通过GTAW焊接机器人进行增材制造；
步骤2：利用车削的方式对步骤1得到的成型件表面进行处理；
步骤3：对步骤2所制得的零件进行的热处理，即得铜/钢复合轴套。
本发明的特征还在于，
步骤1中，轴承钢基材预热温度为200～300℃。
步骤1中，轴承钢基材的材质为GCr15SiMn、GCr15或20CrMnMo；
当轴承钢基材的材质为GCr15SiMn或20CrMnMo时，配合规格为Φ1.2mm的ERCuNi焊丝用于复合轴套的制备；
当轴承钢基材的材质为GCr15时，配合规格为Φ1.2mm的HS211硅青铜焊丝用于复合轴套的制备。
步骤1中，采用逐层沉积方式进行增材制造；其中，增材制造的工艺参数为：钨极直径为3～4mm，钨极伸出长度为15～20mm，钨极距离轴承钢基材工件3～6mm，焊接电流为170～210A，焊接电压为22～26V，保护气体选用99.99vol.％的氩气，增材过程中氩气流量为15～20L/min。
步骤2中，当增材厚度达到5～8mm时，对成型件进行的车削处理，使其表面粗糙度Ra达到1.2-1.6。
步骤3中，热处理工艺为：加热温度T＝500～550℃，保温时间t＝2～3h，随炉冷却。
本发明的有益效果是：
(1)采用电弧增材的方式，提高了铜/钢复合层的结合强度，有利于提高轴承的使用寿命。
(2)相较于单一材料的轴承套，铜/钢复合轴套能大大提高其耐磨性，防止轴承产生磨损失效。
(3)铜具有较高的导热率，可以降低轴承在高速运行过程中由于温度过高而导致烧伤失效产生的可能性。
(4)相较于GMAW，采用GTAW进行增材制造，减小了焊接热输入，大大降低了增材件的变形程度。
(5)采用硅青铜焊丝为增材材料，有利于提高轴承套工作区域的抗腐蚀能力。
(6)硅元素可以大大提高增材件的韧性，同时也可以降低异质金属增材过程中的热裂纹敏感性。
(7)对成型件进行退火处理，有利于降低残余应力，稳定尺寸，减少变形与热裂纹倾向；同时，也能消除组织缺陷，优化组织，提高成型件的综合力学性能。
(8)对轴承钢基材进行热处理后，可以减小热输入，从而降低增材过程中材料的裂纹敏感性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种铜/钢复合轴套的制备方法，具体操作步骤为：
步骤1：去除选用的轴承钢基材表面杂质，采用箱式炉对轴承钢基材进行预热处理，然后选择与轴承钢基材相匹配的焊丝通过GTAW焊接机器人进行增材制造；
步骤1中，轴承钢基材预热温度为200～300℃。
步骤1中，轴承钢基材的材质为GCr15SiMn、GCr15或20CrMnMo；其规格为：外径(mm)×高度(mm)×壁厚(mm)＝Φ(30-60)×(20-35)×δ4；
当轴承钢基材的材质为GCr15SiMn或20CrMnMo时，配合规格为Φ1.2mm的ERCuNi焊丝用于复合轴套的制备；
当轴承钢基材的材质为GCr15时，配合规格为Φ1.2mm的HS211硅青铜焊丝用于复合轴套的制备。
步骤1中，采用逐层沉积方式进行增材制造；其中，增材制造的工艺参数为：钨极直径为3～4mm，钨极伸出长度为15～20mm，钨极距离轴承钢基材工件3～6mm，焊接电流为170～210A，焊接电压为22～26V，保护气体选用99.99vol.％的氩气，增材过程中氩气流量为15～20L/min。
步骤2：利用车削的方式对步骤1得到的成型件表面进行处理；步骤2中，当增材厚度达到5～8mm时，对成型件进行的车削处理，使其表面粗糙度Ra达到1.2-1.6。
步骤3：对步骤2所制得的零件进行的热处理，即得铜/钢复合轴套。
步骤3中，轴套的后热处理工艺为退火处理；热处理工艺为：加热温度T＝500～550℃，保温时间t＝2～3h，随炉冷却。
实施例1
步骤1，轴承钢GCr15表面清理及增材过程
(1)对规格为外径×高度×壁厚＝Φ50×25×δ4(mm)的轴承钢表面进行机械清理，并利用超声波清洗仪清洗18min，去除材料表面杂质；(2)利用箱式炉对轴承钢基材进行预热处理，预热温度270℃；(3)采用规格为Φ1.2mm的HS211硅青铜焊丝进行铜/钢复合轴套的制备；(4)为避免轴承套产生热变形，保证成型件具有良好的使用性能，选用热输入较小的GTAW为主要成形手段，采用逐层沉积方式进行增材制造，其具体的增材工艺参数为：钨极直径3mm，钨极伸出长度15mm，钨极距离轴承钢基材工件表面3mm，增材电流为170A，电压为22V，保护气体为99.99vol.％的氩气，其氩气流量为15L/min。
步骤2，当增材厚度达到5mm时，采用车削的方式对成型件表面进行处理，使其粗糙度Ra为1.6；
步骤3，对成型件进行去应力退火处理。退火温度T＝500℃，保温时间t＝2h，随后随炉冷却至室温。
实施例1中采用一种铜/钢复合轴套的制备方法制备的铜/钢复合件，具有较高的强度及耐磨性，经力学性能检测，剪切强度为257Mpa，摩擦系数为0.35，轴套表面平均显微硬度为120.3HV0.1,。
实施例2
步骤1，轴承钢GCr15表面清理及增材过程
(1)对规格为外径×高度×壁厚＝Φ50×25×δ4(mm)的轴承钢表面进行机械清理，并利用超声波清洗仪清洗18min，去除材料表面杂质；(2)利用箱式炉对轴承钢基材进行预热处理，预热温度270℃；(3)采用规格为Φ1.2mm的HS211硅青铜焊丝进行铜/钢复合轴套的制备；(4)为避免轴承套产生热变形，保证成型件具有良好的使用性能，选用热输入较小的GTAW为主要成形手段，采用逐层沉积方式进行增材制造，其具体的增材工艺参数为：钨极直径3mm，钨极伸出长度16mm，钨极距离轴承钢基材工件表面4mm，增材电流为180A，电压为23V，保护气体为99.99vol.％的氩气，其氩气流量为16L/min。
步骤2，当增材厚度达到6mm时，采用车削的方式对成型件表面进行处理，使其粗糙度Ra为1.6；
步骤3，对成型件进行去应力退火处理。退火温度T＝510℃，保温时间t＝2h，随后随炉冷却至室温。
实施例2中采用一种铜/钢复合轴套的制备方法制备的铜/钢复合件，具有较高的强度及耐磨性，经力学性能检测，剪切强度为267Mpa，摩擦系数为0.32，轴套表面平均显微硬度为128.5HV0.1。
实施例3
步骤1，轴承钢GCr15表面清理及增材过程
(1)对规格为外径×高度×壁厚＝Φ50×25×δ4(mm)的轴承钢表面进行机械清理，并利用超声波清洗仪清洗18min，去除材料表面杂质；(2)利用箱式炉对轴承钢基材进行预热处理，预热温度270℃；(3)采用规格为Φ1.2mm的HS211硅青铜焊丝进行铜/钢复合轴套的制备；(4)为避免轴承套产生热变形，保证成型件具有良好的使用性能，选用热输入较小的GTAW为主要成形手段，采用逐层沉积方式进行增材制造，其具体的增材工艺参数为：钨极直径3mm，钨极伸出长度17mm，钨极距离轴承钢基材工件表面4.5mm，增材电流为190A，电压为24V，保护气体为99.99vol.％的氩气，其氩气流量为17L/min；
步骤2，当增材厚度达到7mm时，采用车削的方式对成型件表面进行处理，使其粗糙度Ra为1.6；
步骤3，对成型件进行去应力退火处理。退火温度T＝520℃，保温时间t＝2.5h，随后随炉冷却至室温。
实施例3中采用一种铜/钢复合轴套的制备方法制备的铜/钢复合件，具有较高的强度及耐磨性，经力学性能检测，剪切强度为280Mpa，摩擦系数为0.22，轴套表面平均显微硬度为145.2HV0.1。
实施例4
步骤1，轴承钢GCr15表面清理及增材过程
(1)对规格为外径×高度×壁厚＝Φ50×25×δ4(mm)的轴承钢表面进行机械清理，并利用超声波清洗仪清洗18min，去除材料表面杂质；(2)利用箱式炉对轴承钢基材进行预热处理，预热温度270℃；(3)采用规格为Φ1.2mm的HS211硅青铜焊丝进行铜/钢复合轴套的制备；(4)为避免轴承套产生热变形，保证成型件具有良好的使用性能，选用热输入较小的GTAW为主要成形手段，采用逐层沉积方式进行增材制造，其具体的增材工艺参数为：钨极直径3mm，钨极伸出长度18mm，钨极距离轴承钢基材工件表面5mm，增材电流为200A，电压为25V，保护气体为99.99vol.％的氩气，其氩气流量为18L/min。
步骤2，当增材厚度达到6mm时，采用车削的方式对成型件表面进行处理，使其粗糙度Ra为1.6；
步骤3，对成型件进行去应力退火处理。退火温度T＝540℃，保温时间t＝2.5h，随后随炉冷却至室温。
实施例4中采用一种铜/钢复合轴套的制备方法制备的铜/钢复合件，具有较高的强度及耐磨性，经力学性能检测，剪切强度为255Mpa，摩擦系数为0.25，轴套表面平均显微硬度为131.4HV0.1。
实施例5
步骤1，轴承钢GCr15表面清理及增材过程
(1)对规格为外径×高度×壁厚＝Φ50×25×δ4(mm)的轴承钢表面进行机械清理，并利用超声波清洗仪清洗18min，去除材料表面杂质；(2)利用箱式炉对轴承钢基材进行预热处理，预热温度270℃；(3)采用规格为Φ1.2mm的HS211硅青铜焊丝进行铜/钢复合轴套的制备；(4)为避免轴承套产生热变形，保证成型件具有良好的使用性能，选用热输入较小的GTAW为主要成形手段，采用逐层沉积方式进行增材制造，其具体的增材工艺参数为：钨极直径3mm，钨极伸出长度20mm，钨极距离工件表面6mm，增材电流为210A，电压为26V，保护气体为99.99vol.％的氩气，其氩气流量为20L/min；
步骤2，当增材厚度达到8mm时，采用车削的方式对成型件表面进行处理，使其粗糙度Ra为1.6。
步骤3，对成型件进行去应力退火处理。退火温度T＝550℃，保温时间t＝3h，随后随炉冷却至室温。
实施例5中采用一种铜/钢复合轴套的制备方法制备的铜/钢复合件，具有较高的强度及耐磨性，经力学性能检测，剪切强度为265Mpa，摩擦系数为0.28，轴套表面平均显微硬度为129.7HV0.1。
实施例6
步骤1，轴承钢GCr15SiMn表面清理及增材过程
(1)对规格为外径×高度×壁厚＝Φ50×25×δ4(mm)的轴承钢表面进行机械清理，并利用超声波清洗仪清洗18min，去除材料表面杂质；(2)利用箱式炉对轴承钢基材进行预热处理，预热温度270℃；(3)采用规格为Φ1.2mm的ERCuNi焊丝进行铜/钢复合轴套的制备；(4)为避免轴承套产生热变形，保证成型件具有良好的使用性能，选用热输入较小的GTAW为主要成形手段，采用逐层沉积方式进行增材制造，其具体的增材工艺参数为：钨极直径3mm，钨极伸出长度15mm，钨极距离轴承钢基材工件表面3mm，增材电流为170A，电压为22V，保护气体为99.99vol.％的氩气，其氩气流量为15L/min。
步骤2，当增材厚度达到5mm时，采用车削的方式对成型件表面进行处理，使其粗糙度Ra为1.6；
步骤3，对成型件进行去应力退火处理。退火温度T＝500℃，保温时间t＝2h，随后随炉冷却至室温。
实施例1中采用一种铜/钢复合轴套的制备方法制备的铜/钢复合件，经力学性能检测，剪切强度为247Mpa，摩擦系数为0.34，轴套表面平均显微硬度为120.1HV0.1。
实施例7
步骤1，轴承钢20CrMnMo表面清理及增材过程
(1)对规格为外径×高度×壁厚＝Φ50×25×δ4(mm)的轴承钢表面进行机械清理，并利用超声波清洗仪清洗18min，去除材料表面杂质；(2)利用箱式炉对轴承钢基材进行预热处理，预热温度270℃；(3)采用规格为Φ1.2mm的ERCuNi焊丝进行铜/钢复合轴套的制备；(4)为避免轴承套产生热变形，保证成型件具有良好的使用性能，选用热输入较小的GTAW为主要成形手段，采用逐层沉积方式进行增材制造，其具体的增材工艺参数为：钨极直径3mm，钨极伸出长度15mm，钨极距离轴承钢基材工件表面3mm，增材电流为170A，电压为22V，保护气体为99.99vol.％的氩气，其氩气流量为15L/min。
步骤2，当增材厚度达到5mm时，采用车削的方式对成型件表面进行处理，使其粗糙度Ra为1.6；
步骤3，对成型件进行去应力退火处理。退火温度T＝500℃，保温时间t＝2h，随后随炉冷却至室温。
实施例1中采用一种铜/钢复合轴套的制备方法制备的铜/钢复合件，具有较高的强度及耐磨性，经力学性能检测，剪切强度为249Mpa，摩擦系数为0.36，轴套表面平均显微硬度为119.1HV0.1。

Claims (6)

1.一种铜/钢复合轴套的制备方法，其特征在于，具体操作步骤为：
步骤1：去除选用的轴承钢基材表面杂质，采用箱式炉对轴承钢基材进行预热处理，然后选择与轴承钢基材相匹配的焊丝通过GTAW焊接机器人进行增材制造；
步骤2：利用车削的方式对步骤1得到的成型件表面进行处理；
步骤3：对步骤2所制得的零件进行的热处理，即得铜/钢复合轴套。
2.根据权利要求1所述的一种铜/钢复合轴套的制备方法，其特征在于，步骤1中，轴承钢基材预热温度为200～300℃。
3.根据权利要求1所述的一种铜/钢复合轴套的制备方法，其特征在于，步骤1中，轴承钢基材的材质为GCr15SiMn、GCr15或20CrMnMo；
当轴承钢基材的材质为GCr15SiMn或20CrMnMo时，配合规格为Φ1.2mm的ERCuNi焊丝用于复合轴套的制备；
当轴承钢基材的材质为GCr15时，配合规格为Φ1.2mm的HS211硅青铜焊丝用于复合轴套的制备。
4.根据权利要求1所述的一种铜/钢复合轴套的制备方法，其特征在于，步骤1中，采用逐层沉积方式进行增材制造；其中，增材制造的工艺参数为：钨极直径为3～4mm，钨极伸出长度为15～20mm，钨极距离轴承钢基材工件3～6mm，焊接电流为170～210A，焊接电压为22～26V，保护气体选用99.99vol.％的氩气，增材过程中氩气流量为15～20L/min。
5.根据权利要求1所述的一种铜/钢复合轴套的制备方法，其特征在于，步骤2中，当增材厚度达到5～8mm时，对成型件进行的车削处理，使其表面粗糙度Ra达到1.2-1.6。
6.根据权利要求1所述的一种铜/钢复合轴套的制备方法，其特征在于，步骤3中，热处理工艺为：加热温度T＝500～550℃，保温时间t＝2～3h，随炉冷却。
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