專(zhuān)利名稱(chēng)：高強(qiáng)韌金屬梯度結(jié)構(gòu)軸及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于零件加工制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種高強(qiáng)韌耐磨梯度結(jié)構(gòu)軸及其制造方法。金屬梯度結(jié)構(gòu)材料在機(jī)械、冶金、交通、礦山以及兵器和航空等領(lǐng)域中具有更加廣闊的應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
軸是機(jī)械裝置中的一種重要零件，在機(jī)械、冶金、交通、礦山以及兵器和航空等領(lǐng)域得到里普遍的應(yīng)用。軸的主要功能是支持回轉(zhuǎn)零件及傳遞扭矩。軸在彎曲、扭轉(zhuǎn)等交變載荷作用下，其表面承受較高的應(yīng)力，軸頸在與軸承的相對(duì)運(yùn)動(dòng)下，還受到較大的摩擦和磨損，這就要求零件表面具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和較高的疲勞強(qiáng)度，而心部在保持一定的強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，具有較高的韌性。
用于制作軸類(lèi)零件的材料種類(lèi)很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對(duì)軸的強(qiáng)度、硬度、剛度、耐磨性等要求來(lái)選擇材料。目前在各類(lèi)機(jī)械裝置中應(yīng)用的軸類(lèi)零件通常是由同一種材料制成的。對(duì)于一些重要的機(jī)械裝備通常采用高強(qiáng)度、高耐磨性的合金鋼軸，以達(dá)到高速傳遞大功率并可以減輕重量的目的。由于合金鋼軸對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，在變化無(wú)常的氣候條件中，軸在彎曲、扭轉(zhuǎn)等交變載荷作用下，很容易發(fā)生表面磨損、疲勞斷裂現(xiàn)象。雖然通過(guò)制定合理的熱處理工藝，可以使合金鋼軸達(dá)到表面耐磨性好，心部韌性好的要求，但是，采用熱處理工藝很難保證合金鋼軸的強(qiáng)度、韌性沿軸斷面以及長(zhǎng)度方向的均勻變化，并且由于是同一種材料，一旦表面出現(xiàn)微裂紋，便可以直接擴(kuò)展到心部，造成斷裂。所以，目前的軸類(lèi)零件存在的突出缺點(diǎn)是(1)采用優(yōu)質(zhì)、貴金屬制造的軸，雖然質(zhì)量好但成本過(guò)高；(2)目前在工程機(jī)械、車(chē)輛等領(lǐng)域中大量使用的普通合金鋼軸，在使用過(guò)程中存在應(yīng)力集中，缺乏裂紋阻斷功能，一旦有微裂紋存在，便會(huì)迅速發(fā)生整體斷裂，造成災(zāi)難性的后果。目前，尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明相同或類(lèi)似的產(chǎn)品和制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種梯度結(jié)構(gòu)軸及其制造方法。從軸的表面到心部化學(xué)成分是連續(xù)變化的，并且軸的組織結(jié)構(gòu)以及性能也是連續(xù)變化的，從而具備應(yīng)力緩和、應(yīng)力阻止功能。本發(fā)明的梯度結(jié)構(gòu)軸由成分性能連續(xù)變化的2～15層材料構(gòu)成，軸的表層材料為具有高強(qiáng)度、高耐磨性的價(jià)格高的高品質(zhì)合金鋼材料，包括GCr15系列、G20CrNiMo、10Cr14Mo等。心部材料采用可以有效傳遞扭矩、柔韌性好的廉價(jià)的碳素鋼或微合金化鋼材料，包括20～50號(hào)碳素鋼、Q235、Q345、T8、T10、20CrMnTi、20Cr、40Cr、20CrMo、35CrMo、42CrMo、38CrMoAl、30CrMnSi等材料。由于材料是由價(jià)格高的高品質(zhì)合金鋼與廉價(jià)的碳鋼或微合金化鋼組成，因此，可以節(jié)約稀有、貴重以及具有戰(zhàn)略意義的金屬材料，降低成本，滿(mǎn)足可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
本發(fā)明的制備方法是通過(guò)螺旋配合、電渣重熔、復(fù)合澆鑄、塑性加工復(fù)合等方法，將同種材料或不同種材料有效地結(jié)合在一起裝配成梯度結(jié)構(gòu)軸的待軋坯，再利用目前普遍存在的楔橫軋機(jī)軋制成需要的軸的尺寸規(guī)格，經(jīng)過(guò)退火成為具有梯度結(jié)構(gòu)的軸的毛坯。具體方法為1、金屬材料X1、X2、X3……Xn分別為強(qiáng)度逐漸降低韌性逐漸增強(qiáng)的鋼，Xn為圓鋼，其余為相互能夠配合的鋼管。其中，X1、X2、X3……Xn是指GCr15系列、G20CrNiMo、10Cr14Mo、20～50號(hào)、Q235、Q345、T8、T10、20CrMnTi、20Cr、40Cr、20CrMo、35CrMo、42CrMo、38CrMoAl、30CrMnSi等軸承鋼、碳素結(jié)構(gòu)鋼、微合金鋼材料。
2、將金屬材料X1、X2、X3……Xn表面通過(guò)脫脂、酸洗、漂洗、干燥等工藝處理干凈；3、應(yīng)用旋轉(zhuǎn)鋼絲刷將鋼的表面刷洗，直到金屬表面充分暴露出新鮮的金屬；4、將金屬材料X1、X2、X3……Xn按順序組裝成具有多層結(jié)構(gòu)的圓鋼粗坯。
5、使用氬氣將組裝好的圓鋼粗坯清掃干凈，使得組裝層間保持惰性氣氛；6、將圓鋼粗坯兩端在氬氣保護(hù)下焊接密封，成為待軋圓坯；7、用加熱爐加熱組裝焊接好的待軋圓坯，加熱溫度在材料X1的再結(jié)晶溫度以下0℃～30℃保溫1～10小時(shí)；8、用楔橫軋機(jī)或其它塑性加工方法將加熱好的圓坯軋成預(yù)定軸；9、根據(jù)所選材料制定退火工藝，退火溫度一般在700℃～850℃，退火時(shí)間一般4～6小時(shí)，得到復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)軸的毛坯。
本發(fā)明的復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)軸的毛坯也可以采用螺旋配合法、包澆法或電渣重溶方法來(lái)進(jìn)行制備，采用這種方法制備出的復(fù)合坯料，在進(jìn)行后續(xù)塑性加工時(shí)，對(duì)首道次壓下量無(wú)特殊要求，可按常規(guī)塑性加工方法進(jìn)行。
本發(fā)明所用的金屬材料為合金鋼與碳鋼或微合金化鋼，屬于同一類(lèi)鐵基材料，只是各材料的化學(xué)成分含量和性能不同，即使采用塑性加工方法也可以得到有效的復(fù)合。復(fù)合軸經(jīng)過(guò)熱塑性加工或熱處理工藝后，通過(guò)原子擴(kuò)散過(guò)程，形成了結(jié)構(gòu)梯度軸。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于所制造的結(jié)構(gòu)梯度軸的化學(xué)成分的梯度變化，保證了材料結(jié)構(gòu)的梯度變化，其強(qiáng)度、塑性、韌性等力學(xué)性能也是按一定梯度變化的。使軸的表面具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性，心部具有良好的韌性，可以有效地傳遞扭矩。由于結(jié)合界面以及心部韌性好的金屬對(duì)裂紋擴(kuò)展起到阻礙作用，因此，即使表面出現(xiàn)微裂紋，在短時(shí)間內(nèi)仍然可以正常工作，從而可以避免災(zāi)難性后果的發(fā)生。可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、交通、礦山以及兵器和航空等領(lǐng)域。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1梯度結(jié)構(gòu)傳動(dòng)軸的制造1、選用外徑50mm，內(nèi)徑22mm長(zhǎng)度為300mm的40Cr鋼管以及22mm的普碳鋼圓鋼。
2、將40Cr鋼管以及普碳鋼圓鋼表面通過(guò)脫脂、酸洗、漂洗、干燥等工藝處理干凈；3、應(yīng)用旋轉(zhuǎn)鋼絲刷將鋼的表面刷洗，直到金屬表面充分暴露出新鮮的金屬；4、將40Cr鋼管以及普碳鋼圓鋼組裝成粗坯。
5、使用氬氣將組裝好的圓鋼粗坯清掃干凈，使得組裝層間保持惰性氣氛；6、將圓鋼粗坯兩端在氬氣保護(hù)下焊接密封，成為待軋圓坯；7、用加熱爐以每分鐘200℃的速度快速加熱組裝焊接好的待軋圓坯，加熱溫度在750℃保溫60分鐘；8、用楔橫軋機(jī)將加熱好的圓坯軋成預(yù)定軸，首次次壓下量60％；9、用加熱爐加熱至600℃，保溫10小時(shí)，爐冷得到復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)傳動(dòng)軸的毛坯。
實(shí)施例2梯度結(jié)構(gòu)輪轂軸的制造1、選用外徑50mm，內(nèi)徑22mm長(zhǎng)度為150mm的GCr15鋼管以及22mm的45#圓鋼。
2、將GCr15鋼管以及45#圓鋼表面通過(guò)脫脂、酸洗、漂洗、干燥等工藝處理干凈；3、應(yīng)用旋轉(zhuǎn)鋼絲刷將鋼的表面刷洗，直到金屬表面充分暴露出新鮮的金屬；4、將GCr15鋼管以及45#圓鋼組裝成粗坯。
5、使用氬氣將組裝好的圓鋼粗坯清掃干凈，使得組裝層間保持惰性氣氛；6、將圓鋼粗坯兩端在氬氣保護(hù)下焊接密封，成為待軋圓坯；7、用加熱爐以每分鐘200℃的速度快速加熱組裝焊接好的待軋圓坯，加熱溫度在750℃保溫120分鐘；8、用楔橫軋機(jī)將加熱好的圓坯軋成預(yù)定軸，首次次壓下量60％；9用加熱爐加熱至550℃，保溫10小時(shí)，爐冷得到復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)輪轂軸的毛坯。
實(shí)施例3復(fù)合結(jié)構(gòu)軸坯料的螺旋配合法1、分別選用高碳合金鋼管、中碳合金鋼管、普碳鋼圓鋼作為原料；
2、將所選原料做成可以相互配合的螺紋；3、表面通過(guò)脫脂、酸洗、漂洗、干燥等工藝處理干凈；4、應(yīng)用旋轉(zhuǎn)鋼絲刷將鋼的表面刷洗，直到金屬表面充分暴露出新鮮的金屬；5、將坯料組合成復(fù)合軸坯；6、將圓鋼粗坯兩端在氬氣保護(hù)下焊接密封，成為待軋圓坯；7、用加熱爐以每分鐘200℃的速度快速加熱組裝焊接好的待軋圓坯，加熱溫度在850℃保溫120分鐘；8、用楔橫軋機(jī)將加熱好的圓坯軋成預(yù)定軸；9、根據(jù)軸的大小將得到的復(fù)合軸退火、爐冷、精加工得到最終產(chǎn)品。
實(shí)施例4復(fù)合結(jié)構(gòu)軸坯料的復(fù)合包澆法1、分別選用分別選用化學(xué)成分依次降低的高碳合金鋼管、中碳合金鋼管、普碳鋼圓鋼作為原料；2、應(yīng)用成熟的復(fù)合鑄造法澆鑄成從心部到表層化學(xué)成分逐漸升高變化的復(fù)合軸坯料；3、加熱坯料，溫度為850℃，保溫120分鐘；4、用楔橫軋機(jī)將加熱好的圓坯軋成預(yù)定軸；5、退火，爐冷、精加工得到最終產(chǎn)品。
實(shí)施例5復(fù)合結(jié)構(gòu)軸坯料的電渣重熔法將例4的其它步驟不變，復(fù)合軸初始坯料的制備可以選擇普遍應(yīng)用的電渣重熔法。則制造成本有所上升，但是，質(zhì)量將提升，此法適合制造高質(zhì)量的復(fù)合結(jié)構(gòu)軸。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)韌金屬梯度結(jié)構(gòu)軸，其特征在于從軸的表面到心部化學(xué)成分是連續(xù)變化的，并且軸的組織結(jié)構(gòu)以及性能也是連續(xù)變化的，從而具備應(yīng)力緩和、應(yīng)力阻止功能；該軸由成分、性能連續(xù)變化的2～15層材料構(gòu)成，軸的表層材料為具有高強(qiáng)度、高耐磨性的價(jià)格高的高品質(zhì)合金鋼材料，包括GCr15系列、G20CrNiMo、10Cr14Mo；心部材料采用有效傳遞扭矩、柔韌性好的廉價(jià)的碳素鋼或微合金化鋼材料，包括20～50號(hào)碳素鋼、Q235、Q345、T8、T10、20CrMnTi、20Cr、40Cr、20CrMo、35CrMo、42CrMo、38CrMoAl、30CrMnSi材料。
2.一種制備權(quán)利要求1所述高強(qiáng)韌耐磨梯度結(jié)構(gòu)軸的方法其特征在于利用楔橫軋機(jī)、電渣重熔、復(fù)合澆鑄、塑性加工復(fù)合等方法，將同種材料或不同種材料有效地結(jié)合在一起；具體工藝為a、金屬材料X1、X2、X3……Xn分別為強(qiáng)度逐漸降低韌性逐漸增強(qiáng)的鋼，Xn為圓鋼，其余為相互能夠配合的鋼管；b、將金屬材料X1、X2、X3…..Xn表面通過(guò)脫脂、酸洗、漂洗、干燥工藝處理干凈；c、應(yīng)用旋轉(zhuǎn)鋼絲刷將鋼的表面刷洗，直到金屬表面充分暴露出新鮮的金屬；d、將金屬材料X1、X2、X3…..Xn按順序組裝成具有多層結(jié)構(gòu)的圓鋼粗坯；e、使用氬氣將組裝好的圓鋼粗坯清掃干凈，使得組裝層間保持惰性氣氛；f、將圓鋼粗坯兩端在氬氣保護(hù)下焊接密封，成為待軋圓坯；g、用加熱爐加熱組裝焊接好的待軋圓坯，加熱溫度在材料X1的再結(jié)晶溫度以下0℃～30℃，保溫1～10小時(shí)；h、用楔橫軋機(jī)或其它塑性加工方法將加熱好的圓坯軋成預(yù)定軸；i、根據(jù)所選材料制定退火工藝，退火溫度在700℃～850℃，退火時(shí)間4～6小時(shí)，得到復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)軸的毛坯。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)軸的毛坯采用螺旋配合法、包澆法或電渣重溶方法來(lái)進(jìn)行制備，采用這種方法制備出的復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)軸的毛坯，在進(jìn)行后續(xù)塑性加工時(shí)，對(duì)首道次壓下量無(wú)特殊要求，按常規(guī)塑性加工方法進(jìn)行。
4.按照權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于所述的X1、X2、X3……Xn是指GCr15系列、G20CrNiMo、10Cr14Mo、20～50號(hào)、Q235、Q345、T8、T10、20CrMnTi、20Cr、40Cr、20CrMo、35CrMo、42CrMo、38CrMoAl、30CrMnSi軸承鋼、碳素結(jié)構(gòu)鋼、微合金鋼材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)韌金屬梯度結(jié)構(gòu)軸及其制備方法，屬于零件加工制造技術(shù)領(lǐng)域。其梯度結(jié)構(gòu)軸由2～15層構(gòu)成，材料分別為價(jià)格高的高品質(zhì)合金鋼與廉價(jià)的碳鋼或微合金化鋼。軸的表層為具有高強(qiáng)度、高耐磨性的材料，心部采用可以有效傳遞扭矩、柔韌性好的材料，從軸的表面到心部化學(xué)成分是連續(xù)變化的，并且軸的組織結(jié)構(gòu)以及性能也是連續(xù)變化的，從而具備應(yīng)力緩和、應(yīng)力阻止功能。本發(fā)明的制備方法是利用目前普遍存在的楔橫軋制設(shè)備，通過(guò)螺旋配合、電渣重熔、復(fù)合澆鑄、塑性加工復(fù)合等方法，將同種材料或不同種材料有效地結(jié)合在一起。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于具備應(yīng)力緩和、應(yīng)力阻止功能?？梢怨?jié)約稀有、貴重以及具有戰(zhàn)略意義的金屬材料，降低成本。
文檔編號(hào)B32B15/01GK1686713SQ20051006310
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月4日
發(fā)明者任學(xué)平, 侯紅亮, 許榮昌, 金憲哲, 唐荻 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)