CN114654178A - 一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法。对锻造出的增压器轴承进行预处理工艺，再进行超声表面滚压处理，超声表面滚压处理的参数取值通过有限元仿真确定，将超声表面滚压处理后的轴承进行离子氮碳共渗处理，于轴承基体获得较深的纳米梯度氮碳强化层，大幅的提高增压器轴承表面硬度和强度；对改善轴承的耐磨性和耐蚀性能起到关键作用，工艺在零件表面产生理想的压应力，使其疲劳强度大大提高，最终全面提高轴承的综合使用性能。
Description
技术领域
本发明涉及轴承精密加工技术领域，具体涉及一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法。
背景技术
轴承作为涡轮增压器关键的运动部件，关系到涡轮工作的可靠性与耐用度问题。轴承损坏将使增压器失效，柴油机将无法正常工作，其动力性、经济性、排放性都将大大恶化，因此对轴承提出了耐腐蚀、耐高温、抗氧化等要求，以保证轴承安全使用及可靠的使用寿命。为了提高其工作可靠性，提高其防腐蚀性能，或者改进其施工工艺性，对轴承进行表面处理已成为常规处理手段，其中表面涂层是最通用的方法之一，常用的涂层方法如电镀、化学镀、激光熔覆、离子辅助涂覆、冷喷涂、热喷涂、化学气相喷涂、物理气相喷涂、物理气相沉积等。
热喷涂技术是国内外公认的长效防护技术，因为工艺过程简单，耗材少，成膜均匀致密，广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域。但是，随着轴承技术的发展，尤其是高碳铬轴承钢制轴承及其热处理技术的广泛应用，现有热喷涂防护技术越来越无法满足现代轴承产品的防护要求，一是膜/基结合力弱，膜层容易出现脱落而导致构件失效；二是涂层后表面粗糙度高，且表面存在残余拉应力，从而导致构件机械性能差、服役寿命短。因此，需要提供一种综合有效的表面处理方法，以克服上述现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法。该方法采用超声表面滚压技术（USRP）使轴承表面发生塑性变形，获得金属纳米表层，并产生残余压应力，显著降低轴承表面粗糙度，并进行离子氮碳共渗处理，提高耐磨性和使用寿命，此工艺操作过程简单、设备易获取，适合于各类对磨损及疲劳性能有一定要求的零部件表面强化加工。
本发明专利的具体技术方案是：对锻造出的增压器轴承进行预处理工艺，再进行超声表面滚压处理，超声表面滚压处理的参数取值通过有限元仿真确定，将超声表面滚压处理后的轴承进行离子氮碳共渗处理，于轴承基体获得较深的纳米梯度氮碳强化层。其具体方案如下：
S1. 对锻造出的增压器轴承采用车加工、磨加工等预处理，在轴承加工表面留有0.05mm~0.1mm加工余量，表面粗糙度为Ra 0 .4μ m~Ra0.8；
S2. 有限元软件，对所述S1的轴承进行建模并仿真，更快且有效确定超声表面滚压的工艺参数取值范围；
S3. 进行超声表面滚压处理，对S1所述轴承件进行安装夹持，并按S2确定的参数进行超声表面滚压处理；
S4. 将S3中的轴承放入无水乙醇中进行超声波清洗10min~30minmi，烘干；
S5. 将S4中清洗后轴承置于真空炉内，工艺温度在450~550℃，真空度为3.0×10- 4Pa~2.0×10-3Pa，炉压为400Pa~900Pa，并通入渗入元素气体进行等离子氮碳共渗处理2~3h；所述渗入元素气体包括二氧化碳气体和氨气，CO2：NH3(体积百分比)为1:8~1:15，NH3流量为35ml/min~50ml/min；
S6. 等离子渗碳处理后，将S5中轴承在1050℃下固溶处理1~2h，进行气体淬火；
进一步的，所述的有限元软件有abaqus、ansys；
进一步的，所述超声表面滚压处理参数包括施加静载力、超声频率和超声波振幅；
进一步地，所述超声表面滚压装置主要包括超声发生器、换能器、变幅杆和滚球工具头，所述超声发生器将市电转换成高频交流电信号，其功率为20kHz~40kHz，所述换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率再传递出去，所述变幅杆用于增大和减小振幅，变幅杆一端与换能器连接，另一端与滚球工具头连接。
进一步的，所述步骤中，对滚压工具头施加轴向静载力为450~1000N，超声频率为20~33kHz，超声波振幅为6~15μm，以0.05~0.1mm/r进给速度沿打磨后的轴承的径向进行运动，同时使预处理后的轴承以250~400r/min的转速进行旋转运动。
进一步的，所述增压器轴承材料为G13Cr4Mo4Ni4V钢材。
进一步的，所述G13Cr4Mo4Ni4V钢材包括以下按照质量分数计的组分：C:0.11%~0.15%、Mn：0.15%~0.35%、Si：0.10%~0.25%、Cr：4.00%~4.25%、Ni：3.20%~3.60%、Mo：4.00~4.50%、W:0~0.15%、V：1.13%~1.33%、余量为Fe，各组分的质量分数之和为100%；
本发明的积极进步效果在于：
1. 本发明提供了一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法，通过采用超声表面滚压工艺对轴承的表面改性强化，轴承基体表面发生严重塑形变形，表面获得梯度纳米晶/微晶变形强化层，该强化层具有很好的化学活性，表面附近区域存在高体积分数的非平衡晶界，在后续等离子氮碳共渗处理时，高密度的位错和大量的三叉晶界，为元素扩散提供了理想的扩散通道，使得原子的扩散激活能更低，扩散系数更高，从而大幅度地提高了轴承表面化学元素的渗入深度和浓度，最终全面提高轴承的综合使用性能。
2. 超声表面滚压是用超声冲击能量和静载滚压相结合，该方法能够高效、低成本的获得更深和更均匀的梯度细晶强化层，并且可以降低试样的表面粗糙度。更为重要的是，它可大幅的提高轴承表面硬度和强度；对改善轴承的耐磨性和耐蚀性能起到关键作用，工艺在零件表面产生理想的压应力，使其疲劳强度大大提高。
3. 本发明采用超声表面滚压和等离子碳氮共渗技术相结合，其强化层是在轴承基体上通过机械方式诱导金产生的，有效解决“膜/基结合力弱，膜层容易出现脱落而导致构件失效”的问题；此外还改善了渗层的均匀性和厚度，以及使渗层的力学性能得到了明显的提高，从而可以提高增压器轴承的使用寿命。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施例1
本发明的目的在于提供了一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法。其制备工艺步骤如下：
S1. 对锻造出的增压器轴承采用车加工、磨加工等预处理，在轴承加工表面留有0.05mm加工余量，表面粗糙度为Ra 0 .5μ m所述轴承材料为G13Cr4Mo4Ni4V钢材，其组分按照质量分数计为：C:0.11%~0.15%、Mn：0.15%~0.35%、Si：0.10%~0.25%、Cr：4.00%~4.25%、Ni：3.20%~3.60%、Mo：4.00~4.50%、W:0~0.15%、V：1.13%~1.33%、余量为Fe，各组分的质量分数之和为100%；
S2. 有限元软件ABAQUS，对所述S1的轴承进行建模并仿真，更快且有效确定超声表面滚压的工艺参数取值范围；
S3. 进行超声表面滚压处理，对S1所述轴承件进行安装夹持，并按S2确定的参数进行超声表面滚压处理，对滚压工具头施加轴向静载力为500N，超声频率为20kHz，超声波振幅为6μm，以0.05mm/r进给速度沿打磨后的轴承的径向进行运动，同时使预处理后的轴承以250r/min的转速进行旋转运动；
S4. 将S3中的轴承放入无水乙醇中进行超声波清洗10min，烘干；
S5. 将S4中清洗后轴承置于真空炉内，工艺温度在450℃，真空度为3.0×10-4Pa~2.0×10-3Pa，炉压为600Pa，并通入渗入元素气体进行等离子氮碳共渗处理2h；所述渗入元素气体包括二氧化碳气体和氨气，CO2：NH3(体积百分比)为1:8，NH3流量为40ml/min；
S6. 等离子渗碳处理后，将S5中轴承在1050℃下固溶处理1h，进行气体淬火，获得所需轴承。
具体实施例2
本发明的目的在于提供了一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法。其制备工艺步骤如下：
S1. 对锻造出的增压器轴承采用车加工、磨加工等预处理，在轴承加工表面留有0.05mm加工余量，所述轴承材料为G13Cr4Mo4Ni4V钢材，其组分按照质量分数计为：C:0.11%~0.15%、Mn：0.15%~0.35%、Si：0.10%~0.25%、Cr：4.00%~4.25%、Ni：3.20%~3.60%、Mo：4.00~4.50%、W:0~0.15%、V：1.13%~1.33%、余量为Fe，各组分的质量分数之和为100%；
S2. 有限元软件ABAQUS，对所述S1的轴承进行建模并仿真，更快且有效确定超声表面滚压的工艺参数取值范围；
S3. 进行超声表面滚压处理，对S1所述轴承件进行安装夹持，并按S2确定的参数进行超声表面滚压处理，对滚压工具头施加轴向静载力为600N，超声频率为25kHz，超声波振幅为8μm，以0.07mm/r进给速度沿打磨后的轴承的径向进行运动，同时使预处理后的轴承以300r/min的转速进行旋转运动；
S4. 将S3中的轴承放入无水乙醇中进行超声波清洗15min，烘干；
S5. 将S4中清洗后轴承置于真空炉内，工艺温度在500℃，真空度为3.0×10-4Pa~2.0×10-3Pa，炉压为700Pa，并通入渗入元素气体进行等离子氮碳共渗处理2h；所述渗入元素气体包括二氧化碳气体和氨气，CO2：NH3(体积百分比)为1:10，NH3流量为45ml/min；
S6. 等离子渗碳处理后，将S5中轴承在1050℃下固溶处理1h，进行气体淬火，获得所需轴承。
具体实施例3
本发明的目的在于提供了一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法。其制备工艺步骤如下：
S1. 对锻造出的增压器轴承采用车加工、磨加工等预处理，在轴承加工表面留有0.05mm加工余量，所述轴承材料为G13Cr4Mo4Ni4V钢材，其组分按照质量分数计为：C:0.11%~0.15%、Mn：0.15%~0.35%、Si：0.10%~0.25%、Cr：4.00%~4.25%、Ni：3.20%~3.60%、Mo：4.00~4.50%、W:0~0.15%、V：1.13%~1.33%、余量为Fe，各组分的质量分数之和为100%；
S2. 有限元软件ABAQUS，对所述S1的轴承进行建模并仿真，更快且有效确定超声表面滚压的工艺参数取值范围；
S3. 进行超声表面滚压处理，对S1所述轴承件进行安装夹持，并按S2确定的参数进行超声表面滚压处理，对滚压工具头施加轴向静载力为800N，超声频率为30kHz，超声波振幅为10μm，以0.09mm/r进给速度沿打磨后的轴承的径向进行运动，同时使预处理后的轴承以400r/min的转速进行旋转运动；
S4. 将S3中的轴承放入无水乙醇中进行超声波清洗20min，烘干；
S5. 将S4中清洗后轴承置于真空炉内，工艺温度在550℃，真空度为3.0×10-4Pa~2.0×10-3Pa，炉压为850Pa，并通入渗入元素气体进行等离子氮碳共渗处理2h；所述渗入元素气体包括二氧化碳气体和氨气，CO2：NH3(体积百分比)为1:12，NH3流量为50ml/min；
S6. 等离子渗碳处理后，将S5中轴承在1050℃下固溶处理1h，进行气体淬火，获得所需轴承；
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法，其特征在于锻造出的增压器轴承进行预处理工艺，再进行超声表面滚压处理，超声表面滚压处理的参数取值通过有限元仿真确定，将超声表面滚压处理后的轴承进行离子氮碳共渗处理，于轴承基体获得较深的纳米梯度氮碳强化层；其具体方案如下：
（1）对锻造出的增压器轴承采用车加工、磨加工等预处理；
（2）有限元软件，对所述S1的轴承进行建模并仿真，更快且有效确定超声表面滚压的工艺参数取值范围；
（2） 进行超声表面滚压处理，对S1所述轴承件进行安装夹持，并按S2确定的参数进行超声表面滚压处理；
（4） 将S3中的轴承放入无水乙醇中进行超声波清洗10min~30min，烘干；
（5）将S4中清洗后轴承置于真空炉内，工艺温度在450~550℃，真空度为3.0×10-4Pa~2.0×10-3Pa，炉压为400Pa~900Pa，并通入渗入元素气体进行等离子氮碳共渗处理2~3h；所述渗入元素气体包括二氧化碳气体和氨气，CO2：NH3(体积百分比)为1:8~1:15，NH3流量为35ml/min~50ml/min；
（6）等离子渗碳处理后，将S5中轴承在1050℃下固溶处理1~2h，进行气体淬火。
2.根据权利要求1所述的一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法，其特征是，在轴承加工表面留有0.05mm~0.1mm加工余量，表面粗糙度为Ra 0 .4μ m~Ra0.8μm。
3.根据权利要求1所述的一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法，其特征是，所述的有限元软件有abaqus、ansys。
4.根据权利要求1所述的一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法，其特征是，所述超声表面滚压处理参数包括施加静载力、超声频率和超声波振幅。
5.根据权利要求1所述的一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法，其特征是，所述超声表面滚压装置主要包括超声发生器、换能器、变幅杆和滚球工具头，所述超声发生器将市电转换成高频交流电信号，其功率为20kHz~40kHz，所述换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率再传递出去，所述变幅杆用于增大和减小振幅，变幅杆一端与换能器连接，另一端与滚球工具头连接。
6.根据权利要求1所述的一种高精度耐磨损涡轮增压器轴承的加工方法，其特征是，所述步骤中，对滚压工具头施加轴向静载力为450~1000N，超声频率为20~33kHz，超声波振幅为6~15μm，以0.05~0.1mm/r进给速度沿打磨后的轴承的径向进行运动，同时使预处理后的轴承以250~400r/min的转速进行旋转运动。
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