CN114574718A - 一种60NiTi合金轴承的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种60NiTi合金轴承的制备方法，该方法包括：一、通过感应熔炼法将60NiTi合金铸锭冒口材料作为底料并添加镍板和钛块得到一次熔炼铸锭；二、一次熔炼铸锭通过真空自耗熔炼法得到二次熔炼铸锭；三、多向锻造得到圆棒；四、切割分段并机加包套；五、加热保温后挤压；六、裁切后粗加工轴承内外圈；七、电阻加热后水冷硬化；八、精加工后装配得到60NiTi合金轴承。本发明通过控制熔炼底料、原料的添加顺序和种类，结合采用电阻和分段式加热，避免铸锭内部孔洞缺陷，减少了加工过程中坯料的内应力，60NiTi合金轴承具有轻质无磁、耐蚀耐磨、高硬度、抗冲击载荷的特性，适用于航空航天、海洋舰船、石油化工等领域。

Description

一种60NiTi合金轴承的制备方法
技术领域
本发明属于轴承制备技术领域，具体涉及一种60NiTi合金轴承的制备方法。
背景技术
60NiTi是一种镍质量含量接近60％的镍钛二元合金，硬化处理后硬度在HRC58-62，而且密度比钢小15％，还具有弹性模量低、超弹性(高承载能力)、密度小、导电无磁等性能，被美国国家航空航天局(NASA)称为未来一代的轴承材料。NASA在2010年使用粉末冶金法制备60NiTi的轴承滚珠，2012年申请了60NiTi球轴承的粉末冶金制备技术专利，并且在2016年制定了60NiTi粉末冶金铸锭的技术标准，在2015年将粉末冶金60NiTi轴承应用在国际空间站的废水处理系统。
但是至今为止，受制备技术以及成本所限，60NiTi轴承仍未能得到大规模的应用。60NiTi合金与常见的传统镍钛合金存在很大差异。传统的镍钛合金(镍质量含量为54.5％～57％)主要由NiTi母相组成，冷热加工难度低，使用传统方法即可制备，目前已经得到大规模应用。但是，60NiTi合金相组成十分复杂，包括NiTi母相、Ni3Ti平衡相、Ni4Ti3和Ni3Ti2亚稳相，特别是处于硬化状态时，Ni4Ti3相含量达到60％以上，这些金属间化合物由于化学键的强度高，且方向性强，导致材料整体具有本征脆性。另外，Ni4Ti3相的形成伴随着3.3％的体积收缩，极易在熔炼后的冷却过程中在材料内部形成巨大的缩孔，以及在后期热处理和热加工时在材料内部形成巨大的残余应力，导致加工时极易脆裂。因此，传统镍钛合金(镍质量含量为54.5％～57％)的熔炼和热成型方法无法直接应用在60NiTi合金上。而美国采用的粉末冶金技术规避了多向锻造热成型过程，但是粉末冶金不仅工序多，工期长，成本高，而且还存在粉体易受到氧化污染，热等静压后材料内部存在结合缺陷等问题，影响该材料的使用寿命和市场推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种60NiTi合金轴承的制备方法。该方法通过控制熔炼中原料的添加顺序和种类，降低杂质元素含量，避免了铸锭内部孔洞缺陷，结合采用电阻加热和分段式加热的方式，减少了60NiTi管材加工中坯料的内应力，保证了60NiTi合金管材的顺利成型，获得具有轻质无磁、耐蚀耐磨、高硬度、抗冲击载荷特性的60NiTi合金轴承，克服了粉末冶金方法的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将60NiTi合金铸锭冒口材料作为底料放入真空感应熔炼炉的坩埚内，并将坩埚加热至1290℃～1310℃进行一次熔炼，当底料熔化后先添加电解镍板，再逐渐添加钛块调整坩埚中镍的质量含量为59％～61％，待电解镍板和钛块熔解后将得到的熔液浇注至模具中，得到一次熔炼铸锭；
步骤二、对步骤一中得到的一次熔炼铸锭进行扒皮加工，然后对底部进行螺纹加工，并以螺纹扣合的方式与电极杆连接，再放入真空自耗电弧炉内进行二次熔炼，得到二次熔炼铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的二次熔炼铸锭进行切除冒口和扒皮加工，然后进行多向锻造加工，经过两火次锻造得到圆棒；
步骤四、采用线切割将步骤三中得到的圆棒切割分段并机加出芯孔，然后表面喷涂防氧化涂料后进行包套，得到60NiTi包套坯料；
步骤五、采用电阻加热的方式将步骤四中得到的60NiTi包套坯料先加热至600℃～650℃保温2min，再升温至950℃～1000℃保温5min，然后进行挤压，空冷后机加去除包套得到60NiTi管材；
步骤六、将步骤五中得到的60NiTi管材进行裁切，然后进行轴承内外圈的粗加工，得到60NiTi轴承内外圈；
步骤七、将步骤六中得到的60NiTi轴承内外圈涂覆防氧化涂层，然后进行电阻加热，再进行水冷硬化处理；
步骤八、将步骤七中经水冷硬化处理后的60NiTi轴承内外圈精加工至设计尺寸，然后装配轴承滚珠和保持架，得到60NiTi合金轴承。
轴承用材料的耐磨性和力学性能与材料的成分，特别是杂质元素的含量关系紧密，而二元60NiTi合金在高温下非常活泼，极易与C、N、O、H等杂质元素反应；同时，感应熔炼常规采用的坩埚为石墨坩埚或氧化物坩埚，而石墨坩埚在熔炼温度超过1450℃时会导致60NiTi合金中C含量明显增加，而氧化物坩埚(Al2O3)在熔炼温度超过1340℃时会与钛反应，从而引入金属元素(Al)造成污染。因此，本发明通过采用低熔点的60NiTi合金铸锭冒口材料为底料，并严格控制Ni、Ti原料的添加顺序和用量，通过添加电解镍板降低熔炼材料熔点，从而降低熔炼温度，避免了Ti、Ni与杂质元素反应，保证了富镍的镍钛合金铸锭中杂质元素含量达标；另外，本发明采用钛块代替海绵钛作为Ti元素的原料，克服了海绵钛吸附气体元素造成杂质元素含量增加的问题，进一步实现了对杂质元素含量的控制，提高了60NiTi合金铸锭的质量和纯净度，避免了60NiTi合金铸锭内部孔洞缺陷，改善了60NiTi合金轴承的综合性能。
同时，本发明采用电阻加热和分段式加热的方式，使得60NiTi包套坯料内外均匀受热，减少了内应力的产生，保证了在高温下承受高速率大变形量的挤压加工而不开裂，进而保证了60NiTi合金管材的顺利成型。
本发明步骤三中的多向锻造加工工艺采用申请号202010895134.X的发明专利《一种富镍的镍钛金属间化合物的多向锻造方法》中公开的方法。
上述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤一中所述模具的直径为50mm～70mm；步骤二中所述二次熔炼采用的坩埚直径为90mm～120mm。60NiTi合金铸锭的凝固过程中会形成部分Ni4Ti3相，而Ni4Ti3相的形成伴随着3.3％的体积收缩，极易在材料内部形成巨大的缩孔，本申请的研究过程中发现在一定范围内随着铸锭尺寸增大后，铸锭中心的孔洞含量明显增多，因此，本发明通过控制一次熔炼模具的直径和二次熔炼坩埚的直径，将二次熔炼铸锭即60NiTi合金铸锭的直径控制在90mm～120mm，有效抑制了60NiTi合金铸锭内部孔洞的缺陷，提高了60NiTi合金轴承的质量。
上述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤一中所述浇注的温度为1450℃。通过限定浇注温度保证了熔液顺利流动成型，改善了浇注质量并避免引入杂质。
上述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤二中所述二次熔炼铸锭中Ni的质量含量为59％-61％，C的质量含量≤0.04％，H的质量含量≤0.003％，N和O的总质量含量≤0.04％。
上述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤三中所述两火次锻造后将圆棒在800℃保温5h～10h进行回火，炉冷至550℃后出炉，冷却至室温。通过上述回火工艺提高圆棒的成分组织均匀性，结合炉冷进行慢冷以促进Ni4Ti3硬质相的分解。
上述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤六中所述粗加工余量为0.1mm。
上述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤七中所述电阻加热的温度为950℃～1000℃，保温时间为10s～20s。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过控制熔炼底料、Ni、Ti原料的添加顺序和用量、Ti元素的原料，有效降低熔炼温度，实现了对富镍的镍钛合金铸锭中杂质元素含量的控制，提高了二次熔炼铸锭即60NiTi合金铸锭的质量和纯净度，避免了60NiTi合金铸锭内部孔洞缺陷，改善了60NiTi合金轴承的综合性能，并延长其使用寿命。
2、本发明采用电阻加热和分段式加热的方式，减少了60NiTi管材加工中坯料的内应力，保证了60NiTi合金管材的顺利成型。
3、本发明的制备方法操作简单，成品率高，仅需采用常规设备，大大降低了60NiTi合金轴承的制备成本，克服了目前粉末冶金制备60NiTi合金轴承的工序多、工期长、成本高、易氧化污染等不足。
4、本发明制备的60NiTi合金轴承具有轻质无磁、耐蚀耐磨、高硬度、抗冲击载荷的特性，可以与钢制滚珠、60NiTi合金滚珠以及陶瓷滚珠等多种滚珠搭配，应用范围广，使用价值高。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1中一次熔炼铸锭的实物图。
图2为本发明实施例1中60NiTi轴承内外圈粗加工前后的实物图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将60NiTi合金铸锭冒口材料作为底料放入真空感应熔炼炉的坩埚内，并将坩埚加热至1310℃进行一次熔炼，当底料熔化后先添加电解镍板，再逐渐添加钛块调整坩埚中镍的质量含量为59％，待电解镍板和钛块充分熔解后将得到的熔液浇注至直径70mm的模具中，浇注的温度为1450℃，得到一次熔炼铸锭，如图1所示；
步骤二、对步骤一中得到的一次熔炼铸锭进行扒皮加工，然后对底部进行螺纹加工，并以螺纹扣合的方式与电极杆连接，再放入真空自耗电弧炉内进行二次熔炼，二次熔炼采用的坩埚直径为120mm，得到二次熔炼铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的二次熔炼铸锭进行切除冒口和扒皮加工，然后进行多向锻造加工，一火开坯锻造温度为1000℃，二次熔炼铸锭经过两组墩拔变形加工成边长120mm的方棒，二火锻造温度为980℃，经过一组墩拔变形后滚圆得到直径80mm的圆棒；所述两火次锻造后将圆棒在800℃保温10h进行回火，炉冷至550℃后出炉，冷却至室温；
步骤四、采用线切割将步骤三中得到的圆棒切割分段并机加出芯孔，然后表面喷涂JYT-1103防氧化涂料后进行包套，得到60NiTi包套坯料；
步骤五、采用电阻加热的方式将步骤四中得到的60NiTi包套坯料先加热至600℃保温2min，再升温至950℃保温5min，然后采用挤压机进行挤压，空冷后机加去除包套得到60NiTi管材；
步骤六、将步骤五中得到的60NiTi管材进行裁切，然后进行轴承内外圈的粗加工，粗加工余量为0.1mm，得到60NiTi轴承内外圈，如图2所示；
步骤七、将步骤六中得到的60NiTi轴承内外圈涂覆防氧化涂层，然后进行电阻加热至950℃保温20s，再进行水冷硬化处理；
步骤八、将步骤七中经水冷硬化处理后的60NiTi轴承内外圈精加工至设计尺寸，然后装配60NiTi轴承滚珠和保持架，得到60NiTi合金轴承。
经检测，本实施例制备的二次熔炼铸锭中Ni的质量含量为59.73％，C的质量含量为0.033％，H的质量含量为0.0025％，N和O的总质量含量小于0.027％。同时，本实施例制备的60NiTi合金轴承硬度高，耐磨性好，导电无磁，耐蚀性优异，能够承受剧烈冲击载荷，适用于航空航天、海洋舰船、石油化工等领域。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将60NiTi合金铸锭冒口材料作为底料放入真空感应熔炼炉的坩埚内，并将坩埚加热至1290℃进行一次熔炼，当底料熔化后先添加电解镍板，再逐渐添加钛块调整坩埚中镍的质量含量为61％，待电解镍板和钛块充分熔解后将得到的熔液浇注至直径50mm的模具中，浇注的温度为1450℃，得到一次熔炼铸锭；
步骤二、对步骤一中得到的一次熔炼铸锭进行扒皮加工，然后对底部进行螺纹加工，并以螺纹扣合的方式与电极杆连接，再放入真空自耗电弧炉内进行二次熔炼，二次熔炼采用的坩埚直径为90mm，得到二次熔炼铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的二次熔炼铸锭进行切除冒口和扒皮加工，然后进行多向锻造加工，一火开坯锻造温度为1050℃，二次熔炼铸锭经过两组墩拔变形加工成边长120mm的方棒，二火锻造温度为1000℃，经过一组墩拔变形后滚圆得到直径80mm的圆棒；所述两火次锻造后将圆棒在800℃保温5h进行回火，炉冷至550℃后出炉，冷却至室温；
步骤四、采用线切割将步骤三中得到的圆棒切割分段并机加出芯孔，然后表面喷涂JYT-1103防氧化涂料后进行包套，得到60NiTi包套坯料；
步骤五、采用电阻加热的方式将步骤四中得到的60NiTi包套坯料先加热至650℃保温2min，再升温至1000℃保温5min，然后采用挤压机进行挤压，空冷后机加去除包套得到60NiTi管材；
步骤六、将步骤五中得到的60NiTi管材进行裁切，然后进行轴承内外圈的粗加工，粗加工余量为0.1mm，得到60NiTi轴承内外圈；
步骤七、将步骤六中得到的60NiTi轴承内外圈涂覆防氧化涂层，然后进行电阻加热至1000℃保温10s，再进行水冷硬化处理；
步骤八、将步骤七中经水冷硬化处理后的60NiTi轴承内外圈精加工至设计尺寸，然后装配钢制轴承滚珠和保持架，得到60NiTi合金轴承。
经检测，本实施例制备的二次熔炼铸锭中Ni的质量含量为60.84％，C的质量含量为0.035％，H的质量含量为0.0015％，N和O的总质量含量小于0.037％。同时，本实施例制备的60NiTi合金轴承硬度高，耐磨性好，导电无磁，耐蚀性优异，能够承受剧烈冲击载荷，适用于航空航天、海洋舰船、石油化工等领域。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将60NiTi合金铸锭冒口材料作为底料放入真空感应熔炼炉的坩埚内，并将坩埚加热至1300℃进行一次熔炼，当底料熔化后先添加电解镍板，再逐渐添加钛块调整坩埚中镍的质量含量为60％，待电解镍板和钛块充分熔解后将得到的熔液浇注至直径60mm的模具中，浇注的温度为1450℃，得到一次熔炼铸锭；
步骤二、对步骤一中得到的一次熔炼铸锭进行扒皮加工，然后对底部进行螺纹加工，并以螺纹扣合的方式与电极杆连接，再放入真空自耗电弧炉内进行二次熔炼，二次熔炼采用的坩埚直径为110mm，得到二次熔炼铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的二次熔炼铸锭进行切除冒口和扒皮加工，然后进行多向锻造加工，一火开坯锻造温度为1020℃，二次熔炼铸锭经过两组墩拔变形加工成边长120mm的方棒，二火锻造温度为980℃，经过一组墩拔变形后滚圆得到直径80mm的圆棒；所述两火次锻造后将圆棒在800℃保温7h进行回火，炉冷至550℃后出炉，冷却至室温；
步骤四、采用线切割将步骤三中得到的圆棒切割分段并机加出芯孔，然后表面喷涂JYT-1103防氧化涂料后进行包套，得到60NiTi包套坯料；
步骤五、采用电阻加热的方式将步骤四中得到的60NiTi包套坯料先加热至630℃保温2min，再升温至980℃保温5min，然后采用挤压机进行挤压，空冷后机加去除包套得到60NiTi管材；
步骤六、将步骤五中得到的60NiTi管材进行裁切，然后进行轴承内外圈的粗加工，粗加工余量为0.1mm，得到60NiTi轴承内外圈；
步骤七、将步骤六中得到的60NiTi轴承内外圈涂覆防氧化涂层，然后进行电阻加热至1000℃保温15s，再进行水冷硬化处理；
步骤八、将步骤七中经水冷硬化处理后的60NiTi轴承内外圈精加工至设计尺寸，然后装配陶瓷轴承滚珠和保持架，得到60NiTi合金轴承。
经检测，本实施例制备的二次熔炼铸锭中Ni的质量含量为59.76％，C的质量含量为0.040％，H的质量含量为0.0006％，N和O的总质量含量小于0.039％。同时，本实施例制备的60NiTi合金轴承硬度高，耐磨性好，导电无磁，耐蚀性优异，能够承受剧烈冲击载荷，适用于航空航天、海洋舰船、石油化工等领域。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将60NiTi合金铸锭冒口材料作为底料放入真空感应熔炼炉的坩埚内，并将坩埚加热至1290℃～1310℃进行一次熔炼，当底料熔化后先添加电解镍板，再逐渐添加钛块调整坩埚中镍的质量含量为59％～61％，待电解镍板和钛块熔解后将得到的熔液浇注至模具中，得到一次熔炼铸锭；
步骤二、对步骤一中得到的一次熔炼铸锭进行扒皮加工，然后对底部进行螺纹加工，并以螺纹扣合的方式与电极杆连接，再放入真空自耗电弧炉内进行二次熔炼，得到二次熔炼铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的二次熔炼铸锭进行切除冒口和扒皮加工，然后进行多向锻造加工，经过两火次锻造得到圆棒；
步骤四、采用线切割将步骤三中得到的圆棒切割分段并机加出芯孔，然后表面喷涂防氧化涂料后进行包套，得到60NiTi包套坯料；
步骤五、采用电阻加热的方式将步骤四中得到的60NiTi包套坯料先加热至600℃～650℃保温2min，再升温至950℃～1000℃保温5min，然后进行挤压，空冷后机加去除包套得到60NiTi管材；
步骤六、将步骤五中得到的60NiTi管材进行裁切，然后进行轴承内外圈的粗加工，得到60NiTi轴承内外圈；
步骤七、将步骤六中得到的60NiTi轴承内外圈涂覆防氧化涂层，然后进行电阻加热，再进行水冷硬化处理；
步骤八、将步骤七中经水冷硬化处理后的60NiTi轴承内外圈精加工至设计尺寸，然后装配轴承滚珠和保持架，得到60NiTi合金轴承。
2.根据权利要求1所述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤一中所述模具的直径为50mm～70mm；步骤二中所述二次熔炼采用的坩埚直径为90mm～120mm。
3.根据权利要求1所述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤一中所述浇注的温度为1450℃。
4.根据权利要求1所述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤二中所述二次熔炼铸锭中Ni的质量含量为59％-61％，C的质量含量≤0.04％，H的质量含量≤0.003％，N和O的总质量含量≤0.04％。
5.根据权利要求1所述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤三中所述两火次锻造后将圆棒在800℃保温5h～10h进行回火，炉冷至550℃后出炉，冷却至室温。
6.根据权利要求1所述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤六中所述粗加工余量为0.1mm。
7.根据权利要求1所述的一种60NiTi合金轴承的制备方法，其特征在于，步骤七中所述电阻加热的温度为950℃～1000℃，保温时间为10s～20s。
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