CN114672675A - 一种富镍的镍钛合金齿轮及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，该方法包括：一、通过感应熔炼法将富镍的镍钛合金铸锭的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、将一次熔炼铸锭通过真空自耗熔炼法得到二次熔炼铸锭；三、将二次熔炼铸锭多向锻造得到圆棒；四、将圆棒切割后粗加工得到粗齿轮；五、加热粗齿轮的轮齿并水冷硬化；六、精加工得到富镍的镍钛合金齿轮。本发明采用二联熔炼方法，经多向锻造、切割、粗加工得到粗齿轮，再对粗齿轮的齿轮加热并水冷，保证了轮齿的高硬度特性以及其他部分的高压缩塑性，使得富镍的镍钛合金齿轮具有轻质无磁、耐蚀耐磨、高硬度、耐高温、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

一种富镍的镍钛合金齿轮及其制备方法
技术领域
本发明属于齿轮技术领域，具体涉及一种富镍的镍钛合金齿轮及其制备方法。
背景技术
齿轮因其具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠等优点,一直是机械工业中重要的基础部件。然而，随着我国工业水平的不断提高，对齿轮提出了更高要求，特别是在特殊工况条件下，传统的钢制齿轮已经不能满足使用需求。例如，某重大工程中传输具有很强腐蚀性的特种气体时，原使用的40Cr合金钢齿轮因腐蚀和摩擦产生铁磁性粉末，致使内磁转子与隔套产生摩擦，加快磁传动器的升温速率，大幅降低了磁传动器的使用寿命。直升机传动系统用齿轮承受着交变载荷和剧烈的冲击载荷，其工况环境包括各种交变应力、冲击动应力以及磨损、腐蚀等，而且随着设计的进步、传递能量及速度的增大，齿轮啮合表面承受的温度也在不断升高，齿轮啮合表面温度已超过300℃，这些对于齿轮的性能和材料方面均提出了更高的要求。
为了满足上述特殊工况对齿轮的要求，需要一种轻质无磁、耐蚀耐磨、高硬度、抗冲击载荷，而且在300℃还能长期保持综合性能的材料。对于钛合金以及传统镍钛合金(镍质量含量为54.5％～57％)材料，由于其硬度均不大于HRC45，不得不采用各种表面强化的方法保证齿轮的承载要求，防止齿轮在高速、重载条件下出现齿面失效。但是经过表面处理的钛合金或传统镍钛合金(镍含量在54.5％-57％)，由于硬化层厚度在微米量级，服役过程中容易磨损脱落，大大减少了齿轮寿命，这也是目前钛合金齿轮没有得到广泛应用的原因之一。
富镍的镍钛合金(镍质量含量为58％～62％)的硬度在HRC58～62，满足齿轮材料高硬度的要求，而且密度比钢小15％，耐蚀耐磨，导电无磁。最重要的是，该材料还具有超高的压缩强度和超弹特性，能够承受交变载荷和剧烈的冲击载荷，材料中的硬质相在300℃长期工作中不会分解，硬度依然能够保持在HRC60左右。大量的实验研究数据表明，富镍的镍钛合金(镍质量含量为58％～62％)是一种具有综合性能的齿轮材料。
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，富镍的镍钛合金(镍质量含量为58％～62％)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，导致了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。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富镍的镍钛合金(镍质量含量为58％～62％)上，目前尚无任何富镍的镍钛合金(镍质量含量为58％～62％)齿轮的相关制备技术报道。
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，提供一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法。该方法采用二联熔炼方法即“真空感应熔炼+真空自耗电弧熔炼”制备得到富镍的镍钛合金铸锭，然后经多向锻造、切割、粗加工得到粗齿轮，再对粗齿轮的齿轮部分进行加热并水冷，保证了轮齿的高硬度特性以及其他部分的高压缩塑性的双性能结构，使得富镍的镍钛合金齿轮具有轻质无磁、耐蚀耐磨、高硬度、耐高温、抗冲击载荷的特性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将富镍的镍钛合金铸锭的冒口材料作为底料放入真空感应熔炼炉内并加热至1290℃～1310℃进行一次熔炼，一次熔炼过程中当底料熔化后先添加电解镍板，再逐渐添加钛块调整熔炼体系中镍的质量含量为58％～62％，待电解镍板和钛板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、将步骤一中得到的一次熔炼铸锭扒皮后，对底部进行螺纹加工，然后以螺纹扣合的方式将螺纹加工后的一次熔炼铸锭与电极杆连接，并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，共经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成齿轮圆柱坯料，然后进行粗加工，得到粗齿轮；
步骤五、将步骤四中得到的粗齿轮涂覆防氧化涂层，然后采用高频局部感应加热粗齿轮的轮齿，再进行水冷硬化处理，得到淬火齿轮；
步骤六、将步骤五中得到的淬火齿轮精加工至设计尺寸，得到富镍的镍钛合金齿轮。
齿轮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NiTi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，真空感应熔炼常规采用的坩埚为石墨坩埚或氧化物坩埚，使用石墨坩埚时，当熔炼温度超过1450℃时富镍的镍钛合金铸锭中C含量会明显增加，而氧化物坩埚在熔炼温度超过1340℃时会与熔炼体系中的钛发生反应，造成其他金属元素(Al)的污染。针对上述问题，本发明在二联熔炼方法的真空感应熔炼过程中，采用低熔点的富镍的镍钛合金铸锭的冒口材料作为底料，并严格控制Ni、Ti原料的添加顺序和用量，既先添加电解镍板进一步降低熔炼材料熔点，再逐渐添加钛块调整熔炼体系的成分组成为富镍的镍钛合金，从而降低熔炼温度，并通过严格控制两次熔炼过程中的温度，尽量避免Ti、Ni与杂质元素反应，并避免引入杂质金属元素，保证了富镍的镍钛合金铸锭中杂质元素含量达标；同时，相较于常规熔炼时添加海绵钛作为Ti元素的原料，本发明采用添加钛块的方式避免了采用海绵钛吸附气体元素、造成杂质元素含量增加的问题。本发明通过上述方式共同实现了对富镍的镍钛合金铸锭中杂质元素含量的有效控制，确保材料内部无孔洞等缺陷，保证了富镍的镍钛合金铸锭的力学性能，有利于改善富镍的镍钛合金齿轮的综合性能，延长了富镍的镍钛合金齿轮的使用寿命。
另外，本发明采用高频局部感应加热法对涂覆防氧化涂层的粗齿轮的轮齿进行加热，再进行水冷硬化处理实现淬火，同时保证了粗齿轮中轮齿的高硬度特性以及其他部分的高压缩塑性，从而保证了富镍的镍钛合金齿轮的使用性能。
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。
上述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，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。本发明通过控制一次熔炼模具的直径间接控制了一次熔炼铸锭的尺寸，同时通过控制二次熔炼坩埚的直径，有效控制并减小了富镍的镍钛合金铸锭的尺寸，抑制了铸锭凝固过程中因Ni4Ti3相形成造成的体积收缩，从而减小了富镍的镍钛合金铸锭内部的缩孔并减少了大部分气孔，进一步提高了富镍的镍钛合金齿轮的质量和性能。
上述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤一中所述浇注的温度为1450℃。本发明通过控制浇注温度保证熔液的流动性向，进而保证浇注质量，同时避免了增加杂质含量。
上述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤二中所述二次熔炼铸锭的化学成分组成为：Ni质量含量为58％～62％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述不可避免的杂质中C的质量含量不超过0.04％，H的质量含量不超过0.003％，且N和O的总质量含量不超过0.04％。
上述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，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。本发明在两火次锻造后采用回火工艺提高了圆棒的均匀性，并结合炉冷进行慢冷以分解硬质相，改善圆棒的质量。
上述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤四中所述粗加工的加工余量为0.1mm～0.2mm。
上述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤五中所述高频局部感应加热的温度为950℃～1050℃，保温时间为10s～20s。通过控制高频局部感应加热的温度和时间，保证了粗齿轮的轮齿部分充分受热，从而经淬火后获得外硬内软即外面轮齿耐磨、内里塑性好抗冲击的齿轮产品。
另外，本发明还公开了一种根据上述的方法制备的富镍的镍钛合金齿轮。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明根据富镍的镍钛合金的本征特性，采用二联熔炼方法，通过严格控制底料以及Ni、Ti原料的添加顺序和用量，从而降低熔炼温度，结合采用钛块作为Ti原料，实现了对富镍的镍钛合金铸锭中杂质元素含量的有效控制，确保材料内部无孔洞等缺陷，保证了富镍的镍钛合金铸锭的力学性能，有利于改善富镍的镍钛合金齿轮的综合性能，延长了富镍的镍钛合金齿轮的使用寿命。
2、本发明通过控制减小富镍的镍钛合金铸锭的尺寸，抑制了铸锭凝固过程中因Ni4Ti3相形成造成的体积收缩，减小了富镍的镍钛合金铸锭内部的缩孔并减少了大部分气孔，进一步提高了富镍的镍钛合金齿轮的质量和性能。
3、本发明采用高频局部感应加热法对涂覆防氧化涂层的粗齿轮的轮齿进行硬化处理，保证了粗齿轮中轮齿的高硬度特性以及其他部分的高压缩塑性，该双性能结构保障了富镍的镍钛合金齿轮具有足够的硬度和耐磨性，且齿心具有足够的韧性，有效保障了富镍的镍钛合金齿轮的服役性能。
4、本发明制备的富镍的镍钛合金齿轮具有轻质无磁、耐蚀耐磨、高硬度、抗冲击载荷的特性，而且在300℃还能长期保持力学性能并正常服役，是目前唯一具有这些综合性能的齿轮。
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为本发明实施例中制备的一次熔炼铸锭的实物图。
图2为本发明实施例1中制备的富镍的镍钛合金齿轮的实物图。
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铸锭的冒口材料作为底料放入真空感应熔炼炉内并加热至1300℃进行一次熔炼，一次熔炼过程中当底料熔化后先添加电解镍板，再逐渐添加钛块调整熔炼体系中镍的质量含量为60％，待电解镍板和钛板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，如图1所示；
步骤二、将步骤一中得到的一次熔炼铸锭切除冒口后，对底部进行螺纹加工，然后以螺纹扣合的方式将螺纹加工后的一次熔炼铸锭与电极杆连接，并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切除冒口和扒皮加工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成齿轮圆柱坯料，然后进行粗加工，加工余量为0.2mm，得到2模36齿的粗齿轮；
步骤五、将步骤四中得到的粗齿轮涂覆KBC-12抗氧化涂料，然后采用高频局部感应加热粗齿轮的轮齿，加热的温度为1000℃，保温时间为20s，再进行水冷硬化处理，得到淬火齿轮；
步骤六、将步骤五中得到的淬火齿轮精加工至设计尺寸，得到富镍的镍钛合金齿轮，如图2所示。
经检测，本实施例制备的富镍的镍钛合金齿轮中Ni质量含量为59.76％，C质量含量为0.04％，H质量含量为0.0006％，N和O的总质量含量小于0.039％。同时，该富镍的镍钛合金齿轮的轮齿部位硬度高，耐磨性好，其余部分韧性好，齿轮导电无磁，耐蚀性优异，在300℃时仍可保持优良的综合性能，满足了直升机传动齿轮使用要求。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将60NiTi铸锭的冒口材料作为底料放入真空感应熔炼炉内并加热至1310℃进行一次熔炼，一次熔炼过程中当底料熔化后先添加电解镍板，再逐渐添加钛块调整熔炼体系中镍的质量含量为58％，待电解镍板和钛板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；
步骤二、将步骤一中得到的一次熔炼铸锭切除冒口后，对底部进行螺纹加工，然后以螺纹扣合的方式将螺纹加工后的一次熔炼铸锭与电极杆连接，并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切除冒口和扒皮加工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8h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成齿轮圆柱坯料，然后进行粗加工，加工余量为0.1mm，得到2模36齿的粗齿轮；
步骤五、将步骤四中得到的粗齿轮涂覆KBC-12抗氧化涂料，然后采用高频局部感应加热粗齿轮的轮齿，加热的温度为1050℃，保温时间为15s，再进行水冷硬化处理，得到淬火齿轮；
步骤六、将步骤五中得到的淬火齿轮精加工至设计尺寸，得到富镍的镍钛合金齿轮。
经检测，本实施例制备的富镍的镍钛合金齿轮中Ni质量含量为58.27％，C质量含量为0.037％，H质量含量为0.0015％，N和O的总质量含量小于0.033％。同时，该富镍的镍钛合金齿轮的轮齿部位硬度高，耐磨性好，其余部分韧性好，齿轮导电无磁，耐蚀性优异，在300℃时仍可保持优良的综合性能。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将60NiTi铸锭的冒口材料作为底料放入真空感应熔炼炉内并加热至1290℃进行一次熔炼，一次熔炼过程中当底料熔化后先添加电解镍板，再逐渐添加钛块调整熔炼体系中镍的质量含量为62％，待电解镍板和钛板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、将步骤一中得到的一次熔炼铸锭切除冒口后，对底部进行螺纹加工，然后以螺纹扣合的方式将螺纹加工后的一次熔炼铸锭与电极杆连接，并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切除冒口和扒皮加工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成齿轮圆柱坯料，然后进行粗加工，加工余量为0.15mm，得到2模36齿的粗齿轮；
步骤五、将步骤四中得到的粗齿轮涂覆KBC-12抗氧化涂料，然后采用高频局部感应加热粗齿轮的轮齿，加热的温度为950℃，保温时间为10s，再进行水冷硬化处理，得到淬火齿轮；
步骤六、将步骤五中得到的淬火齿轮精加工至设计尺寸，得到富镍的镍钛合金齿轮。
经检测，本实施例制备的富镍的镍钛合金齿轮中Ni质量含量为61.89％，C质量含量为0.040％，H质量含量为0.0020％，N和O的总质量含量小于0.032％。同时，该富镍的镍钛合金齿轮的轮齿部位硬度高，耐磨性好，其余部分韧性好，齿轮导电无磁，耐蚀性优异，在300℃时仍可保持优良的综合性能。
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 (8)

1.一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将富镍的镍钛合金铸锭的冒口材料作为底料放入真空感应熔炼炉内并加热至1290℃～1310℃进行一次熔炼，一次熔炼过程中当底料熔化后先添加电解镍板，再逐渐添加钛块调整熔炼体系中镍的质量含量为58％～62％，待电解镍板和钛板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、将步骤一中得到的一次熔炼铸锭扒皮后，对底部进行螺纹加工，然后以螺纹扣合的方式将螺纹加工后的一次熔炼铸锭与电极杆连接，并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，共经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成齿轮圆柱坯料，然后进行粗加工，得到粗齿轮；
步骤五、将步骤四中得到的粗齿轮涂覆防氧化涂层，然后采用高频局部感应加热粗齿轮的轮齿，再进行水冷硬化处理，得到淬火齿轮；
步骤六、将步骤五中得到的淬火齿轮精加工至设计尺寸，得到富镍的镍钛合金齿轮。
2.根据权利要求1所述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，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所述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，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所述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤二中所述二次熔炼铸锭的化学成分组成为：Ni质量含量为58％～62％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述不可避免的杂质中C的质量含量不超过0.04％，H的质量含量不超过0.003％，且N和O的总质量含量不超过0.04％。
5.根据权利要求1所述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，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所述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤四中所述粗加工的加工余量为0.1mm～0.2mm。
7.根据权利要求1所述的一种富镍的镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤五中所述高频局部感应加热的温度为950℃～1050℃，保温时间为10s～20s。
8.一种根据权利要求1～权利要求7中任一权利要求所述的方法制备的富镍的镍钛合金齿轮。
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