CN115261771A - 一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法 - Google Patents
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Abstract
一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，涉及材料表面改性技术领域。本发明的目的是为了解决高温渗碳轴承钢制轴承套圈采用常规离子渗氮处理后轴承边角位置易出现脉状组织，以及非工作位置渗氮处理给后续磨削加工增加困难的问题。方法：在对高温渗碳轴承钢制轴承套圈的渗氮位置渗氮前，先对未渗氮位置采用合理镀铜方式对未渗氮面进行防渗保护，降低离子渗氮加工风险，提升C—N硬化轴承可靠性；提升后续加工效率以及避免边角位置脉状组织严重的问题，采用离子渗氮二次硬化处理后可以显著提升轴承耐磨性及抗疲劳性能。本发明可获得一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面改性技术领域，具体涉及一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法。
背景技术
高温渗碳轴承钢制套圈采用离子渗氮二次硬化处理后表面硬度及应力得到显著提升，可以有效提升轴承工作位置的耐磨性能及疲劳性能，用以满足发动机主轴轴承寿命长、可靠性能高的使用需求，但离子渗氮处理后轴承边角位置容易出现脉状组织，同时非工作位置渗氮处理给后续磨削加工增加困难。脉状组织属于脆性相组织，容易成为裂纹源。在轴承高温高速重载运转过程中，轴承边角位置一旦出现严重脉状组织，极易在脉状组织附近出现裂纹源，导致轴承提前剥落失效。
轴承采用C—N硬化处理后材料表面硬度得到显著提升，耐磨性得到显著提升，轴承非渗氮面在后续车倒角及磨削加工过程容易发生崩刀及磨削困难等问题，因此如何对非渗氮面进行渗氮处理成为一项关键技术，常规防渗氮涂料要求涂覆面积不超过工件整体面积1/3，相对防渗工装及防渗涂料等防护方式，镀铜防护防渗性价比相对更高。
发明内容
本发明的目的是为了解决高温渗碳轴承钢制轴承套圈采用常规离子渗氮处理后轴承边角位置易出现脉状组织，以及非工作位置渗氮处理给后续磨削加工增加困难的问题，而提供一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法。
一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，按以下步骤进行：
步骤一：将高温渗碳轴承钢制轴承套圈的表面依次进行除油处理和酸浸蚀，然后进行预镀镍，预镀镍的具体步骤为：在室温条件下，先置于镀液中浸渍2～4min，然后采用阴极电镀3～5min，预镀镍的镀液由硫酸镍、盐酸溶液和去离子水组成；
步骤二：将预镀镍后的高温渗碳轴承钢制轴承套圈进行氰化镀铜，具体步骤为：在10～30℃的温度条件下，置于镀液中电镀15～20min，氰化镀铜的镀液由氰化亚铜、氰化钾和去离子水组成；
步骤三：将氰化镀铜后的高温渗碳轴承钢制轴承套圈进行酸性镀铜，具体步骤为：在室温条件下，置于镀液中电镀60～150min，酸性镀铜的镀液由硫酸铜、硫酸溶液和去离子水组成；
步骤四：将酸性镀铜后的高温渗碳轴承钢制轴承套圈需要进行渗氮的位置去除镀铜层，然后在470～530℃的温度条件下，对高温渗碳轴承钢制轴承套圈的渗氮位置渗氮30～90h；再对未渗氮位置进行去除镀铜层及后续处理，完成高温渗碳轴承钢制轴承套圈的离子渗氮防渗。
本发明的有益效果：
本发明一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，优化加工路线，在对高温渗碳轴承钢制轴承套圈的渗氮位置渗氮前，先对未渗氮位置采用合理镀铜方式对未渗氮面进行防渗保护，降低离子渗氮加工风险，提升C—N硬化轴承可靠性；提升后续加工效率以及避免边角位置脉状组织严重的问题，采用离子渗氮二次硬化处理后可以显著提升轴承耐磨性及抗疲劳性能。
本发明可获得一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法。
附图说明
图1为本发明一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法的工艺流程图。
图2为镀铜防渗后渗氮位置和防渗镀铜位置的效果图。
图3为对渗氮处理后轴承套圈进行脱铜处理后的钢制轴承套圈形貌。
图4为对渗氮处理后轴承套圈进行脱铜处理后的钢制轴承套圈形貌。
图5为对渗氮处理后轴承套圈进行脱铜处理后的钢制轴承套圈形貌。
图6为脱铜处理后的渗氮位置200X形貌图。
图7为脱铜处理后的防渗位置200X形貌图。
图8为脱铜处理后的渗氮位置500X形貌图。
图9为脱铜处理后的防渗位置500X形貌图。
图10为脱铜处理后的边角位置500X形貌图。
图11为脱铜处理后的钢制轴承套圈典型位置的硬度梯度曲线图，■表示渗氮位置，●表示防渗位置。
图12为最终加工完成的钢制轴承套圈典型位置的表面应力趋势图，■表示渗氮位置的应力梯度，●表示防渗位置的应力梯度。
图13为轴承外圈沟道的渗氮位置。
图14为轴承内圈沟道的渗氮位置。
注：图6-10中的“X”表示倍数。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，按以下步骤进行：
步骤一：将高温渗碳轴承钢制轴承套圈的表面依次进行除油处理和酸浸蚀，然后进行预镀镍，预镀镍的具体步骤为：在室温条件下，先置于镀液中浸渍2～4min，然后采用阴极电镀3～5min，预镀镍的镀液由硫酸镍、盐酸溶液和去离子水组成；
步骤二：将预镀镍后的高温渗碳轴承钢制轴承套圈进行氰化镀铜，具体步骤为：在10～30℃的温度条件下，置于镀液中电镀15～20min，氰化镀铜的镀液由氰化亚铜、氰化钾和去离子水组成；
步骤三：将氰化镀铜后的高温渗碳轴承钢制轴承套圈进行酸性镀铜，具体步骤为：在室温条件下，置于镀液中电镀60～150min，酸性镀铜的镀液由硫酸铜、硫酸溶液和去离子水组成；
步骤四：将酸性镀铜后的高温渗碳轴承钢制轴承套圈需要进行渗氮的位置去除镀铜层，然后在470～530℃的温度条件下，对高温渗碳轴承钢制轴承套圈的渗氮位置渗氮30～90h；再对未渗氮位置进行去除镀铜层及后续处理，完成高温渗碳轴承钢制轴承套圈的离子渗氮防渗。
本实施方式的有益效果：
本实施方式一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，优化加工路线，在对高温渗碳轴承钢制轴承套圈的渗氮位置渗氮前，先对未渗氮位置采用合理镀铜方式对未渗氮面进行防渗保护，降低离子渗氮加工风险，提升C—N硬化轴承可靠性；提升后续加工效率以及避免边角位置脉状组织严重的问题，采用离子渗氮二次硬化处理后可以显著提升轴承耐磨性及抗疲劳性能。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的高温渗碳轴承钢制轴承套圈的型号为G13Cr4Mo4Ni4V。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是：步骤一中1L镀液中含有260～320g硫酸镍和180～220mL盐酸溶液，余量为去离子水。
其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中电镀的电流密度为5～10A/dm2。
其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中1L镀液中含有18～35g氰化亚铜和10～25g氰化钾，余量为去离子水。
其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中电镀的电流密度为0.2～0.5A/dm2。
其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤三中1L镀液中含有150～200g硫酸铜和50～70mL硫酸溶液，余量为去离子水。
其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤三中电镀的电流密度为1～2A/dm2。
其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤一中采用热的氢氧化钠溶液对高温渗碳轴承钢制轴承套圈的表面进行除油处理。
其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤一中将高温渗碳轴承钢制轴承套圈的表面进行酸浸蚀的步骤如下：先使用浓度为30％的盐酸-氢氟酸溶液腐蚀30～40s，再使用浓度为10～15％的盐酸溶液腐蚀30～60s。
其他步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：如图1所示，一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，按以下步骤进行：
1、镀铜工艺：
(1)镀铜前轴承套圈表面质量要求；
镀铜前零件的表面不应出现氧化皮、斑点、凹坑、凸瘤、毛刺、划伤、瑕疵、麻点、刀花、锈蚀和因机加工不当造成的金属堆积等不符合要求的现象。
(2)设计镀铜主要工序工艺参数；
a.预镀镍：
将高温渗碳轴承钢制轴承套圈的表面先采用热的氢氧化钠溶液对高温渗碳轴承钢制轴承套圈的表面进行除油处理，然后使用浓度为30％的盐酸-氢氟酸溶液腐蚀40s，再使用浓度为10％的盐酸溶液腐蚀40s，
结束后进行预镀镍，预镀镍的具体步骤为：在室温条件下，先置于镀液中浸渍4min，然后采用阴极电镀4min；高温渗碳轴承钢制轴承套圈的型号为G13Cr4Mo4Ni4V；1L镀液中含有308g硫酸镍和200mL盐酸溶液，余量为去离子水；电镀的电流密度为6A/dm2。
b.氰化镀铜：
将预镀镍后的高温渗碳轴承钢制轴承套圈进行氰化镀铜，具体步骤为：在28℃的温度条件下，置于镀液中电镀20min；1L镀液中含有33g氰化亚铜和24g氰化钾，余量为去离子水；电镀的电流密度为0.3A/dm2。
c.酸性镀铜：
将氰化镀铜后的高温渗碳轴承钢制轴承套圈进行酸性镀铜，具体步骤为：在室温条件下，置于镀液中电镀90min；1L镀液中含有195g硫酸铜和60mL硫酸溶液，余量为去离子水；电镀的电流密度为1.5A/dm2。
2、镀铜处理后对镀铜层质量进行检验，镀铜层无起泡，厚度为0.1mm，结合力满足HB/Z 5069《电镀铜工艺及质量检验要求》，孔隙率为0％，以保证防护效果。对镀铜后轴承套圈渗氮位置进行细磨加工去除镀铜层，调整磨削参数保障细磨处理后轴承尺寸精度达到工艺要求同时采用磁粉探伤方式确保磨削层无烧伤等质量问题。
3、选取高温渗碳轴承钢典型离子渗氮工艺对轴承套圈进行氮化处理，渗氮温度选取515℃，氮化时间选取75h。对渗氮后轴承套圈随炉套圈进行检测分析，确保渗氮层组织、硬度以及应力水平达到标准要求。
4、脱铜处理采用铬酐硫酸混合溶液方法脱铜及注意点：
脱铜时串动零件，避免零件相互叠合，使脱铜均匀。脱除镀铜膜溶液根据使用情况更换。脱镍过程中必须保证零件干燥，严禁带入水分，以免零件过腐蚀。过程中抖动零件，保证零件表面完全被溶液浸润。
5、脱铜处理后随机抽取套圈对渗氮面、防渗面以及边角位置进行检测分析，要求渗氮处理后防渗面无渗氮层出现，表面硬度无明显增加。轴承边角位置无脉状组织生成，渗氮层组织及硬度相关指标符合标准要求。
6、工艺路线如下：
粗车—渗碳处理—退火—细车—淬回火—退磁—粗磨加工—中温稳定—细磨加工—镀铜防护—细磨滚道(沟道)—渗氮处理—脱铜处理—终磨—酸洗—除氢—去锐角—精光饰—探伤—精研—修磨—退磁、清洗、提交。
效果：
1.整体形貌：
图2为实施例1中G13Cr4Mo4Ni4V高温渗碳轴承钢制套圈经过C—N硬化处理后轴承套圈整体形貌；如图2所示，渗氮层表面无裂纹、剥落和明显的电弧烧伤痕迹，表面色泽应为暗灰色，防渗位置镀铜层未出现剥落情况。
图3-5为对渗氮处理后轴承套圈进行脱铜处理后的钢制轴承套圈形貌。如图3-5所示，防渗位置由于经过酸洗成暗灰色，沟道渗氮位置颜色相对防渗位置相对较深，均可采用机械加工方式去除，颜色均匀一致，未见裂纹、麻点等表面异常缺陷。
2.金相组织：
图6为脱铜处理后的渗氮位置200X形貌图，图7为脱铜处理后的防渗位置200X形貌图，图8为脱铜处理后的渗氮位置500X形貌图，图9为脱铜处理后的防渗位置500X形貌图，图10为脱铜处理后的边角位置500X形貌图。
脱铜处理后对渗氮位置及防渗位置进行金相组织检查，检查结果如图6-10所示，渗氮层均匀，无脉状组织形成，边角位置无脉状组织，镀铜防渗位置未见形成渗氮层形貌，起到很好的防渗效果。
脉状组织是脆性相，容易成为裂纹源，边角位置脉状组织的消除将有效降低轴承在高速重载工况下出现提前剥落失效的风险。
3.硬度梯度：
图11为脱铜处理后的钢制轴承套圈典型位置的硬度梯度曲线图，■表示渗氮位置，●表示防渗位置。脱铜处理后对轴承套圈典型位置硬度梯度进行检测分析，检测结果如图11所示，渗氮位置表面硬度达到960HV0.3左右，镀铜防渗部分在距表面0.03mm以内处硬度略有上升，这主要是由于离子渗氮过程中清洗溅射及渗氮过程氮离子轰击作用导致，其余深度位置硬度梯度与渗碳处理后无差异，其硬度值相对未防渗面降低较为明显。
离子渗氮处理后由硬度梯度曲线可知，镀铜防渗处理后有效阻止未渗氮面硬度提升，降低后期机械加工难度，提升加工效率。
4.应力梯度：
图12为最终加工完成的钢制轴承套圈典型位置的表面应力趋势图，■表示渗氮位置的应力梯度，●表示防渗位置的应力梯度。对最终加工完成套圈典型位置进行应力梯度分析，沟道位置表面残余压应力达到400MPa以上，硬化层中最大残余压应力达到700MPa以上，与前期工艺验证应力梯度检测吻合；防渗位置应力梯度与渗碳处理后应力梯度一致(如图12所示)，说明增加镀铜防渗工序后对应力梯度无影响。
通过上述对轴承套圈典型位置进行组织、硬度以及应力梯度检测分析可知，镀铜防护可以有效降低边角位置脉状组织级别，防止未渗氮面硬度升高。在不影响渗氮效果同时降低渗氮层边角位置剥落失效风险，提升后续加工效率。
Claims (10)
1.一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
步骤一：将高温渗碳轴承钢制轴承套圈的表面依次进行除油处理和酸浸蚀，然后进行预镀镍，预镀镍的具体步骤为：在室温条件下，先置于镀液中浸渍2～4min，然后采用阴极电镀3～5min，预镀镍的镀液由硫酸镍、盐酸溶液和去离子水组成；
步骤二：将预镀镍后的高温渗碳轴承钢制轴承套圈进行氰化镀铜，具体步骤为：在10～30℃的温度条件下，置于镀液中电镀15～20min，氰化镀铜的镀液由氰化亚铜、氰化钾和去离子水组成；
步骤三：将氰化镀铜后的高温渗碳轴承钢制轴承套圈进行酸性镀铜，具体步骤为：在室温条件下，置于镀液中电镀60～150min，酸性镀铜的镀液由硫酸铜、硫酸溶液和去离子水组成；
步骤四：将酸性镀铜后的高温渗碳轴承钢制轴承套圈需要进行渗氮的位置去除镀铜层，然后在470～530℃的温度条件下，对高温渗碳轴承钢制轴承套圈的渗氮位置渗氮30～90h；再对未渗氮位置进行去除镀铜层及后续处理，完成高温渗碳轴承钢制轴承套圈的离子渗氮防渗。
2.根据权利要求1所述的一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，其特征在于所述的高温渗碳轴承钢制轴承套圈的型号为G13Cr4Mo4Ni4V。
3.根据权利要求1所述的一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，其特征在于步骤一中1L镀液中含有260～320g硫酸镍和180～220mL盐酸溶液，余量为去离子水。
4.根据权利要求1所述的一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，其特征在于步骤一中电镀的电流密度为5～10A/dm2。
5.根据权利要求1所述的一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，其特征在于步骤二中1L镀液中含有18～35g氰化亚铜和10～25g氰化钾，余量为去离子水。
6.根据权利要求1所述的一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，其特征在于步骤二中电镀的电流密度为0.2～0.5A/dm2。
7.根据权利要求1所述的一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，其特征在于步骤三中1L镀液中含有150～200g硫酸铜和50～70mL硫酸溶液，余量为去离子水。
8.根据权利要求1所述的一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，其特征在于步骤三中电镀的电流密度为1～2A/dm2。
9.根据权利要求1所述的一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，其特征在于步骤一中采用热的氢氧化钠溶液对高温渗碳轴承钢制轴承套圈的表面进行除油处理。
10.根据权利要求1所述的一种高温渗碳轴承钢制轴承套圈离子渗氮防渗方法，其特征在于步骤一中将高温渗碳轴承钢制轴承套圈的表面进行酸浸蚀的步骤如下：先使用浓度为30％的盐酸-氢氟酸溶液腐蚀30～40s，再使用浓度为10～15％的盐酸溶液腐蚀30～60s。
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