CN117683973A - 一种滚动轴承钢球硬化装置和硬化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚动轴承钢球硬化装置和硬化方法，涉及表面硬化处理技术领域。该硬化装置，包括浴槽，设于浴槽下方的弹性基座，所述浴槽内装有工作介质和钢球，所述工作介质包括合金元素粉末、磨料粉末和导电溶液，所述浴槽上方设有脉冲等离子体枪，所述脉冲等离子体枪出口端插入浴槽内部且其轴线与浴槽的垂直轴线相交呈锐角，所述浴槽表面安装有可吸附钢球的电磁铁。并有与该装置匹配的硬化方法。通过本发明的技术方案在钢球表面上形成具有高硬度的合金层，提高钢球表面的硬化质量，使钢球能满足高负荷和腐蚀性环境条件下使用的性能要求。

Description

一种滚动轴承钢球硬化装置和硬化方法

技术领域

本发明涉及表面硬化处理技术领域，具体来说，涉及一种滚动轴承钢球硬化装置和硬化方法。

背景技术

目前滚动轴承钢球生产工艺包括热处理、硬化、再抛光研磨，对质量要求更高的钢球还需进行镀铬。

现有专利1：一种用于加工钢球的装置(苏联，编号131286，B24B11/02级，1959年)。这个设备用于滚珠轴承工业对钢球进行硬化加工。钢球放置在上下两个同轴圆盘之间的凹槽中，这两个圆盘连接到与盘形储料仓连结的环状工作表面，盘形存储仓/进料斗在支架上可以沿着轨道前后移动，这样在维修设备时，它就可以向后移动远离工作圆盘，从而腾出空间用于圆盘的调整、拆卸和安装，或者更换已磨损的圆盘等工作。

该装置工作原理如下：存储仓/进料斗的圆盘与工作圆盘同向旋转，当它们旋转时，钢球从存储仓/进料斗环形区域进入第一对圆盘的加工区域，然后离开该加工区域，在分配器的控制下它们被发送到存储仓/进料斗的环形区域，从那里再被送到第二对圆盘，然后到第三对圆盘，然后再从那里送回存储仓/进料斗，依此类推。这样，钢球在存储仓/进料斗中流转一圈，就会经过2-3对圆盘的工作区域，从而使钢球在滚道中硬化加工的时间增加2-3倍，提高了钢球加工效率，并改善钢球的表面状况。诸如钢球之类的球体在工作圆盘之间以这样的方式被加工：钢球每经过工作盘之间一次，钢球表面的一个带形区域就被硬化。

现有专利2：一种用于钢球硬化方法(白俄罗斯，编号3115 24B39/04 2006.04.13)已知一种通过塑性变形来硬化钢球的装置，其中包括螺杆和螺母，螺母通过位于螺旋槽中的钢球动态地与螺杆连接。螺母是长管状的，上面设有钢球供给和排出通道，螺杆是空心的并装有锥体，椎体安装在螺杆空腔内并可轴向移动，螺杆是变截面的，从供给通道到排出通道它的截面是逐渐减小的。

螺杆的一端制成空心，并配备有锥体，该锥体通过调整螺母安装在螺杆空腔中并可以轴向移动。螺杆的另一端安装在车床的卡盘中，螺母固定在车床的导轨上，该装置配有待硬化钢球存储器。将该装置(螺杆加上螺母)安装在车床卡盘中后，转动调整螺母使锥体在螺杆的空腔中移动，从而在螺母的内壁2和螺杆的外壁之间建立所需的间隙。

驱动螺杆(开始转动)后，钢球从储料器通过供给通道进入螺旋槽并在其中滚动，在滚动过程中钢球还与螺旋槽的壁面接触，钢球的整个表面被压缩。钢球在螺旋槽中移动到排出通道后被排出并落入托盘中。通过调节锥体轴向位置来控制压缩钢球力的均匀性。

因此，通过装置挤压钢球并在整个表面上滚动来确保钢球的表面硬化。由于该装置产生较大的接触压力，这些力是相互作用，因此钢球会发生很大的塑性变形以及相应的硬化。

与本发明最相似的现有专利3：一种钢球的淬火硬化方法(白俄罗斯编号11580，C21B 10/00 2009.02.29)。该方法使用产生强度至少为10⁷A/m的脉冲磁场的设备来实现，脉冲持续时间不超过0.001s，脉冲数量为1到5，具体取决于钢球的直径以及钢球的数量。一批20-30个钢球被放置在磁脉冲装置的多圈(匝)式感应器中。这些钢球通过绝缘介质与电感器的线圈绝缘。这些钢球相互垂直叠放，即一个钢球置于另一个之上。后续通过感应器中线圈放电。电感器中的磁场在钢球中产生涡流电流。这些磁场会在感应器和钢球之间引起排斥力(反作用力)，从而使整个感应器中的钢球被压缩。因此，在钢球中发生相变、显微结构变化以及内应力的变化，这对钢球的强度产生了积极影响。

发明内容

本发明针对背景技术中的不足，提供了一种滚动轴承钢球硬化装置和硬化方法，通过本发明可以克服现有技术中钢球强化硬度不足、不能对钢球表面进行合金化处理、设备过度磨损等问题。通过本发明的技术方案在钢球表面上形成具有高硬度的合金层，提高钢球表面的硬化质量，使钢球能满足高负荷和腐蚀性环境条件下使用的性能要求。

为实现上述目的，本发明提供如下第一种技术方案：一种滚动轴承钢球硬化装置，包括：浴槽，设于浴槽下方的弹性基座，所述浴槽内装有工作介质和钢球，所述工作介质包括合金元素粉末、磨料粉末和导电溶液，所述浴槽上方设有脉冲等离子体枪，所述脉冲等离子体枪出口端插入浴槽内部且其轴线与浴槽的垂直轴线相交呈锐角，所述浴槽表面安装有可吸附钢球的电磁铁。

通过采用上述技术方案，脉冲等离子体射流作用于浴槽内的钢球上，工作介质液面以上且处于脉冲等离子体射流“光斑”内的钢球表面被加热(等离子体+电流)，同时脉冲等离子射流产生的冲击波作用于钢球层，(此时浴槽与浴槽内的钢球在电磁铁的作用下成为一体)使浴槽沿脉冲等离子枪轴线方向移动3-5mm，已被加热的钢球被工作介质淹没、冷却。随后脉冲等离子关断，电磁铁失电，浴槽与钢球解除一体限制，浴槽在弹性基座的弹力作用下震荡回复到原始位置，在震荡过程中钢球相对于钢球、钢球相对于工作介质(液体)、钢球和工作介质相对于浴槽产生相互滑移并在重力作用下逐渐恢复原始位置，在此过程中钢球表面被合金化、硬化、磨光。电磁铁通电，钢球与浴槽再次成为一体，脉冲等离子体再次作用，周而复始，直至设备完成一个工作循环将浴槽内钢球全部硬化。

本发明进一步设置为：所述脉冲等离子体枪包括生成等离子体的反应室，与反应室连通并输送等离子体形成气的爆炸喷枪，位于反应室中部的消耗电极，所述消耗电极与外部电源正极连接。

优选的，所述反应室包括等离子枪喷嘴，所述等离子枪喷嘴与外部电源负极连接。

优选的，所述浴槽具有导电性且与外部电源负极连接。

本发明进一步设置为：所述浴槽为内壁呈球状的球形浴槽。

优选的，所述球形浴槽的槽壁内设有空腔，所述空腔与外部冷却系统连通。

优选的，所述球形浴槽分为上浴槽和下浴槽，所述上浴槽和下浴槽的一侧铰接。

优选的，所述电磁铁的轴线垂直于球形浴槽内壁。

优选的，所述脉冲等离子体枪的轴线与球形浴槽垂直轴线相交呈30°。

为实现上述目的，本发明提供如下第二种技术方案：一种滚动轴承钢球硬化方法，基于上述的硬化装置，包括以下步骤：

S1：打开上浴槽，将工作介质加入浴槽；

S2：打开冷却系统开关，使冷却系统进入工作状态；

S3：打开硬化设备电源开关、等离子气供气阀门；

S4：按比例将待硬化钢球加入浴槽，将上浴槽放下锁紧；

S5：打开钢球硬化控制程序开关，设备运行一个工作循环后自动停止；

S6：打开上浴槽，取出已硬化钢球；

S7：重复步骤S4至步骤S6，直至完成同批次钢球硬化工作；

S8：排出工作介质并清洁浴槽；

S9：关闭硬化设备电源开关与等离子气供气阀门；

S10：关闭冷却系统开关，结束工作。

通过上述硬化方法的脉冲等离子体射流和电流加热钢球的表面并进行热扩散合金化处理，细化了钢球表面层组织结构，提高了表面层的显微硬度，使钢球表面层抗卡咬性能和耐腐蚀性能提高了数倍。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.通过脉冲等离子体射流和电流将钢球表面加热，同时脉冲等离子射流产生的冲击波配合脉冲等离子体关断、电磁铁失电、弹性基座的弹力作用产生震荡，并在震荡过程中“翻炒”钢球和工作介质，使得钢球表面被合金化、硬化、磨光，实现了钢球表面层的碳、氮、铬、钼等合金元素的合金化，并将钢球表面层组织结构细化成纳米晶体，提高了钢球表面层的显微硬度，同时钢球表面层抗卡咬性能和耐腐蚀性能提高了数倍。

附图说明

附图1是本发明的滚动轴承钢球硬化装置的剖面图；

附图2是本发明的脉冲等离子体枪形成等离子体射流并对钢球表面处理示意图；

附图3是本发明的硬化装置处理后的钢球表面层的显微组织及显微硬度值分布图；

图中各标号含义：1、浴槽；2、弹性基座；3、工作介质；4、钢球；5、吊架；6、平板；7、电磁铁；8、反应室；9、爆炸喷枪；10、火花塞；11、柔性接头；12、消耗电极；13、导电嘴；14、储能电容器；15、等离子枪喷嘴；16、球形浴槽；17、空腔；18、上浴槽；19、下浴槽。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。

如图1所示，一种滚动轴承钢球硬化装置，该钢球硬化装置由浴槽1和高能等离子体脉冲源组成，包括浴槽1、弹性基座2、工作介质3、钢球4、吊架5、平板6、电磁铁7、反应室8、爆炸喷枪9、火花塞10、柔性接头11和消耗电极12。

浴槽1为内壁呈球状的球形浴槽16，球形浴槽16由导电材料制成并依次与平板6、弹性基座2固定连接，球形浴槽16内装满工作介质3和待硬化的钢球4，工作介质3由合金元素粉末、磨料粉末和导电溶液组成，多个电磁铁7固定在球形浴槽16上，电磁铁7的轴线垂直于球形浴槽16内壁，电磁铁7通电后产生电磁力把钢球4与球形浴槽16固定成为一体，电磁铁7断电后钢球4与浴槽1的“一体化”解除，实现浴槽1内钢球4的移动和混合，而在钢球4位置发生变化时，它们会旋转并均匀混合。球形浴槽16上方还设有将球形浴槽16内部与外界连通的出口，该出口作为持续排出废气(等离子体工作过程产生，无毒性)的通道。

高能等离子体脉冲源为脉冲等离子体枪且固定在球形浴槽16上方的吊架5上，吊架5固定在平板6上，脉冲等离子体枪的枪口插入球形浴槽16内部且其轴线与球形浴槽16的垂直轴线相交呈锐角，使球形浴槽16整体在非水平、非垂直方向产生位移并震动，球形浴槽16的“倾覆”摆动使得球形浴槽16内的钢球4和工作介质3被“翻炒”。脉冲等离子体枪包括反应室8、位于反应室8中部的消耗电极12、与反应室8连通的爆炸喷枪9、用于供应可燃混合气体进入爆炸喷枪9的柔性接头11、设在爆炸喷枪9上的用于点燃可燃混合气体的火花塞10。球形浴槽16的外壁与外部电源负极连接，消耗电极12与外部电源正极连接。

钢球硬化装置工作时，电磁铁7通电使得浴槽1与浴槽1内的钢球4在电磁力的作用下成为一体，脉冲等离子体射流作用于浴槽1内的钢球4上，工作介质3液面以上且处于脉冲等离子体射流“光斑”内的钢球4表面被加热(通过等离子体射流的照射和消耗电极与钢球4表面之间的放电进行加热)，同时等离子射流产生的冲击波作用于钢球层，使浴槽1沿脉冲等离子枪轴线方向移动3-5mm，已被加热的钢球4被工作介质3淹没、冷却。脉冲等离子体关断，电磁铁7失电，浴槽1与钢球4解除一体限制，浴槽1在弹性基座2的弹力作用下震荡并最终回复原始位置，在震荡中钢球4相对于钢球4、钢球4相对于工作介质3、钢球4和工作介质3相对于浴槽1产生相互滑移并在重力作用下逐渐恢复原始位置，在此过程中钢球4表面被合金化、硬化、磨光。电磁铁7通电，钢球4与浴槽1再次成为一体，脉冲等离子体再次作用，周而复始，直至所有的钢球4硬化工作循环结束。

如图2所示为脉冲等离子体枪形成等离子体射流并对钢球4表面处理示意图，导电嘴13和消耗电极12连接到电源的储能电容器14的正极板上，等离子枪喷嘴15连接到储能电容器14的负极(接地)。脉冲等离子体是由于储能电容器14通过来自爆炸喷枪9的可燃混合物气体的燃烧、放电而形成的。

实施例1

将120个直径为5mm的滚珠轴承的钢球4放入球形浴槽16中。球形浴槽16中装满了工作介质3，工作介质3包含碳酸氢钠溶液(溶液的质量分数为10-15％)，占工作介质3总质量分数30％左右的粒径为5-10μm的细碎石墨、粒径为15μm的铬粉，以及磨料颗粒。将脉冲等离子枪的反应室8末端插入球形浴槽16中，使其轴线与球形浴槽16垂直轴线呈30°交叉，此时，脉冲等离子枪的轴线与球形浴槽16的最大水平截面的交点与球形浴槽16的球心的间距等于球形浴槽16直径的1/4。

工作介质3与钢球4数量的混合比例应使得上面两排钢球4高于工作介质3液面，然后启动脉冲等离子枪。脉冲等离子体射流和消耗电极12与钢球4之间电流对上层钢球的表面进行加热并进行热扩散合金化处理，表面加热深度可达15-20μm。同时伴随每个脉冲的冲击波作用在钢球4的表面上，使球形浴槽16在弹性基座2变形的范围内移动3-5mm。在脉冲等离子体关断期，电磁铁7失电，球形浴槽16回到初始位置，但球形浴槽16中所有钢球4的位置都发生了改变。在这个过程中，它们被旋转并均匀地混合。在这个过程中，钢球4与带有磨料颗粒和饱和合金属元素粉末的工作介质3的相互移动导致钢球4表面被研磨清洁，同时钢球4的表面包覆一层薄薄的合金属元素粉末在脉冲等离子体射流作用下受热产生热扩散并合金化，导致钢球4的表面均匀硬化。

经过4-5次加工后，钢球4表面变成均匀的银白色。如图3所示，金相分析表明，钢球4表层被均匀硬化深度达到15-20μm，平均显微硬度值为1000MPa。

在脉冲等离子体处理过程中，消耗电极12固定，以便电极末端与球形浴槽16(球形浴槽接地，电势为“-”)中钢球4之间的间隙中的电流来形成脉冲电磁透镜将等离子体射流聚焦到钢球4表面上。消耗电极12过热会导致电极端部表层熔化和蒸发。电极熔化和蒸发的产物与等离子体射流混合、加速并在钢球4表面形成极薄的压缩层，从而引发扩散、等离子体化学合成以及合成化合物在钢球4表面沉积的过程。这种脉冲等离子体处理的模式的相关参数如表1所示。

表1

当使用容量为800μF、充电电压为3.2kV的电容器以3Hz的频率操作脉冲等离子枪时，其功耗为12.3kW，等离子体加工斑点直径等于10mm。在此条件下，钢球4硬化率为每分钟50-80个。如果电容器电容增加到1000μF，电容器充电电压增加到5kV，等离子管功率增加到37.5kW，在这种条件下，通过模式改变并将等离子处理斑点散焦至20mm，在等离子枪频率(3Hz)相同的情况下，生产率将提高至每分钟200个。

如图1所示，球形浴槽16分为上浴槽18和下浴槽19，上浴槽18和下浴槽19的一侧铰接，球形浴槽16内的钢球4硬化后，将球形浴槽16的上浴槽18升起，将钢球4从球形浴槽16中取出，并将剩下的同批次钢球4放进去，使用磁性捡拾器和相应的组合机械手可以实现钢球硬化设备上料、下料的自动化。

不同批次钢球4硬化所用的工作介质3不同，一个批次结束，工作介质3需要排出并清洁球形浴槽16。大批量生产过程中间还需要检测工作介质3的导电性指标，并对工作介质3的成分进行补充与调整。同时如图1所示，球形浴槽16的槽壁内设有空腔17，空腔17与外部冷却系统连通，使得工作介质3的温度保持在合理的范围。

本发明所提出的用于硬化钢球的装置具有以下技术优势，可以自动进行钢球4的表面热扩散硬化，显著提高滚动轴承钢球的性能。根据爆炸喷枪9燃烧产物的成分、保护气体的成分、消耗电极12的材料以及工作介质3中合金元素粉末的成分可以使用多种元素进行热扩散合金化。依据钢球4在特定载荷下的抗咬合性及其耐腐蚀性需求，设定所需的硬化厚度与表面层显微硬度。

对由俄罗斯滚珠轴承钢ШХ-15钢号(中国GCr15钢号，欧盟100Cr6钢号)所制成的钢球4分别采用本发明所提出的硬化技术方案以及现有专利3(白俄罗斯专利编号11580)的硬化技术方案进行硬化处理。

显微硬度测定是通过在20g负载下将钢球4压入金刚石锥体来进行的。

根据GOST 9490-75标准(俄罗斯)，在滑动摩擦条件下，在四球摩擦试验机上对处理过的钢球4进行抗咬合性测试。在试验过程中，直径d＝12.70mm的硬化滚珠轴承钢球4被夹紧在机床主轴中，机床主轴以1430转/分钟速度旋转。三个固定钢球4在垂直于主轴轴线的平面上呈正三角形放置，130N≤F≤10000N的给定载荷下压在该钢球4上。基于钢球4的卡咬负荷来评估其极限负荷能力。

硬化处理后的钢球4放置在3％的NaCl溶液中12个月，进行全面腐蚀对比试验。测定钢球4的质量损失率，得到钢球4的耐腐蚀性能。

以上测定结果如表2所示。

表2

从表2可以看出，本发明的硬化技术方案得到的滚珠轴承钢球4表层平均显微硬度值可达到1000MPa，远高于现有技术3的硬化技术方案，同时钢球4表面层抗卡咬性能和耐腐蚀性能均提高了数倍。

实施例2

一种滚动轴承钢球硬化方法，基于实施例1所述的硬化装置，包括以下步骤：

S1：打开上浴槽18，将工作介质3加入浴槽1；

S2：打开冷却系统开关，使冷却系统进入工作状态；

S3：打开硬化设备电源开关、等离子气供气阀门；

S4：按比例将待硬化钢球4加入浴槽1，将上浴槽18放下锁紧；

S5：打开钢球硬化控制程序开关，设备运行一个工作循环后自动停止；

S6：打开上浴槽18，取出已硬化钢球4；

S7：重复步骤S4至步骤S6，直至完成同批次钢球4硬化工作；

S8：排出工作介质3并清洁浴槽1；

S9：关闭硬化设备电源开关与等离子气供气阀门；

S10：关闭冷却系统开关，结束工作。

通过上述硬化方法的脉冲等离子体射流和电流加热钢球的表面并进行热扩散合金化处理，细化了钢球表面层组织结构，提高了表面层的显微硬度，使钢球表面层抗卡咬性能和耐腐蚀性能提高了数倍。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，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 (10)

1.一种滚动轴承钢球硬化装置，其特征在于，包括：浴槽（1），设于浴槽（1）下方的弹性基座（2），所述浴槽（1）内装有工作介质（3）和钢球（4），所述工作介质（3）包括合金元素粉末、磨料粉末和导电溶液，所述浴槽（1）上方设有脉冲等离子体枪，所述脉冲等离子体枪出口端插入浴槽（1）内部且其轴线与浴槽（1）的垂直轴线相交呈锐角，所述浴槽（1）表面安装有可吸附钢球（4）的电磁铁（7）。

2.根据权利要求1所述的滚动轴承钢球硬化装置，其特征在于：所述脉冲等离子体枪包括生成等离子体的反应室（8），与反应室（8）连通并输送等离子体形成气的爆炸喷枪（9），位于反应室（8）中部的消耗电极（12），所述消耗电极（12）与外部电源正极连接。

3.根据权利要求2所述的滚动轴承钢球硬化装置，其特征在于：所述反应室（8）包括等离子枪喷嘴（15），所述等离子枪喷嘴（15）与外部电源负极连接。

4.根据权利要求3所述的滚动轴承钢球硬化装置，其特征在于：所述浴槽（1）具有导电性且与外部电源负极连接。

5.根据权利要求1所述的滚动轴承钢球硬化装置，其特征在于：所述浴槽（1）为内壁呈球状的球形浴槽（16）。

6.根据权利要求5所述的滚动轴承钢球硬化装置，其特征在于：所述球形浴槽（16）的槽壁内设有空腔（17），所述空腔（17）与外部冷却系统连通。

7.根据权利要求6所述的滚动轴承钢球硬化装置，其特征在于：所述球形浴槽（16）分为上浴槽（18）和下浴槽（19），所述上浴槽（18）和下浴槽（19）的一侧铰接。

8.根据权利要求5所述的滚动轴承钢球硬化装置，其特征在于：所述电磁铁（7）的轴线垂直于球形浴槽（16）内壁。

9.根据权利要求5所述的滚动轴承钢球硬化装置，其特征在于：所述脉冲等离子体枪的轴线与球形浴槽（16）垂直轴线相交呈30°。

10.一种滚动轴承钢球硬化方法，其特征在于，基于权利要求1~9中任意一项所述的硬化装置，包括以下步骤：

S1：打开上浴槽（18），将工作介质（3）加入浴槽（1）；

S2：打开冷却系统开关，使冷却系统进入工作状态；

S3：打开硬化设备电源开关、等离子气供气阀门；

S4：按比例将待硬化钢球（4）加入浴槽（1），将上浴槽（18）放下锁紧；

S5：打开钢球硬化控制程序开关，设备运行一个工作循环后自动停止；

S6：打开上浴槽（18），取出已硬化钢球（4）；

S7：重复步骤S4至步骤S6，直至完成同批次钢球（4）硬化工作；

S8：排出工作介质（3）并清洁浴槽（1）；

S9：关闭硬化设备电源开关与等离子气供气阀门；

S10：关闭冷却系统开关，结束工作。