一种高耐磨的金属主轴及其强化方法和应用与流程

1.本发明属于材料技术领域，涉及一种高耐磨的金属主轴及其强化方法和应用。


背景技术：

2.主轴是各种机械装备的核心部件，通常在高速、高负荷工况下工作，极易出现磨损问题。主轴的磨损会导致设备无法正常工作，需要更换主轴或整机报废，成本高或造成资产浪费。
3.如果要提高装备的寿命和性能，就必须要提升主轴的耐磨性能。为提高耐磨性，通常采用热处理(如感应淬火、火焰淬火、激光淬火等)或化学热处理(如渗碳、渗氮、碳氮共渗等)等方式提高零件硬度，但是这些工艺极易出现应力、变形、裂纹等问题，且工艺步骤复杂繁琐，生产周期长，成品率低，硬度提高有限，不易匹配硬度及韧性。
4.因此，亟需提供一种高耐磨的金属主轴。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种高耐磨的金属主轴及其强化方法和应用，具有高的耐磨性，提高金属主轴的利用率。
6.为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种高耐磨的金属主轴的强化方法。所述高耐磨的金属主轴的强化方法包括以下步骤：
7.(1)确定金属主轴的待强化区域；预处理所述待强化区域的表面；
8.(2)将硬质合金复合至所述待强化区域，得到复合层。
9.根据本发明的一些实施例，步骤(2)中，所述复合的方式为电弧堆焊、超声速等离子喷涂、激光熔敷、真空熔敷中的一种。
10.根据本发明的一些实施例，所述硬质合金为由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的合金材料。所述硬质合金为具有高硬度、高耐磨、强度和韧性好、耐热、耐腐蚀等的合金材料。
11.根据本发明的一些实施例，所述待强化区域为所述金属主轴的轴承位和齿轮位中的至少部分区域。
12.根据本发明的一些实施例，所述硬质合金为钨钢。优选地，所述钨钢的牌号为kg7型。所述kg7型钨钢的hra硬度89.5，比重为13.95g/cm3，抗折度为360kgf/mm2。
13.根据本发明的一些实施例，所述硬质合金为钨钴类硬质合金。优选地，所述钨钴类硬质合金的牌号为cd-40。所述cd-40型硬质合金的钴含量为13％，hra硬度为88.5-89.5，密度为14.2g/cm3，具有较好的抗弯、抗压性能。
14.根据本发明的一些实施例，按重量份数计，所述硬质合金由以下重量份数的组分组成：8-16份的铬、6-10份的镍、2-3份的钼、13-18份的碳化钛、2-5份的铁以及48-69份的钨。
15.根据本发明的一些实施例，所述硬质合金为片状材料、线状材料或粉末状材料。
16.根据本发明的一些实施例，所述片状材料的厚度为0.1-2mm。
17.根据本发明的一些实施例，所述线状材料的宽度为0.1-3mm。
18.根据本发明的一些实施例，所述粉末状材料的粒度为2-30μm。
19.根据本发明的一些实施例，所述复合层的厚度为0.3-1.5mm。
20.根据本发明的一些实施例，所述预处理包括：对所述待强化区域的表面清洗，干燥；对所述待强化区域的表面打磨，得到凹槽；清理所述凹槽表面的残渣。
21.根据本发明的一些实施例，所述打磨步骤之前还包括待打磨区域的确定。
22.根据本发明的一些实施例，所述打磨步骤之前还包括：
23.(1)无损检测所述待强化区域的表面，获取所述待强化区域所存在的缺陷；
24.(2)依据所述缺陷的位置，将所述位置所包围的范围和深度确定所述待强化区域表面的待打磨区域。
25.根据本发明的一些实施例，所述凹槽的深度为0.1-1mm。
26.根据本发明的一些实施例，所述复合的方式为电弧堆焊时，复合参数为：以所述硬质合金的线材为焊接材料，以90-150a为电流强度；以所述焊接材料为正极，以所述主轴为负极。
27.根据本发明的一些实施例，所述复合的方式为等离子喷涂时，复合参数为：以所述硬质合金的粉料为焊接材料，喷涂功率为40-50kw，弧电压为300-400v，氩气流量为30-50l/min，送粉量为3-5kg/h，喷涂距离为50-70mm。
28.根据本发明的一些实施例，所述复合的方式为激光熔敷时，复合参数为：以所述硬质合金的带材为焊接材料，激光功率为1.5-8kw，聚焦光斑为0.1-10mm，搭接率为35％-55％，激光扫描速度为5-10cm/s。
29.根据本发明的一些实施例，所述复合的方式为真空熔敷时，复合参数为：将硬质合金粉料铺覆于所述待强化区域，以模具夹持所述待强化区域，置于真空炉中真空烧结，以0.1-150pa为真空度，从室温升温至450-550℃，保温15-30min；然后升温至950-1050℃，保温8-20min；然后升温至1300-1400℃，保温20-35min，然后自然冷却至室温。
30.根据本发明的一些实施例，还包括以下步骤：对复合后的金属主轴进行后处理，使主轴的尺寸和表面粗糙度或平整度达到相应的要求。
31.本发明的第二方面提供一种金属主轴，所述金属主轴包括强化区域，所述强化区域由上述的强化方法所制得。
32.本发明的第三方面提供上述的强化方法在制造金属主轴中的应用。
33.本发明的第四方面提供上述的强化方法在修复金属主轴中的应用。
34.本发明的第五方面提供上述的金属主轴在制造机械装备中的应用。
35.因此，本发明的有益效果包括：
36.1.本发明提供的金属主轴的强化方法，对金属主轴中对耐磨性要求较高的区域表面复合硬质合金，使得该金属主轴的耐磨性提高，使用寿命延长，实现了金属主轴的再利用；
37.2.本发明提供的金属主轴的强化方法简单，易于产业化实现。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
39.实施例1
40.一种金属主轴，该金属主轴为无人机用主轴。该金属主轴的强化方法，包括以下步骤：
41.(1)将金属主轴的齿轮位、轴承位作为待强化区域；
42.(2)用无尘布蘸取酒精，对待强化区域表面进行擦洗；
43.(3)用氮气吹干；将待强化区域表面打磨至光亮，得到0.1-1mm厚度的凹槽；
44.(4)用高压氮气吹扫，配合毛刷清理掉打磨后的残渣；
45.(5)以cd-40型硬质合金线材为焊接材料，通过电弧堆焊方式复合至该待强化区域，得到1mm厚的复合层；焊接前对焊接材料置于90℃烘干1小时；电弧堆焊时以焊接材料为正极，金属主轴为负极，电流强度为90-150a；
46.(6)对复合后的金属主轴进行后处理，使主轴的尺寸及表面粗糙度或平整度符合该金属主轴的相应要求。
47.实施例2
48.一种金属主轴，该金属主轴为无人机用主轴。该金属主轴的强化方法，包括以下步骤：
49.(1)将金属主轴的齿轮位、轴承位作为待强化区域；
50.(2)用无尘布蘸取酒精，对待强化区域表面进行擦洗；
51.(3)用氮气吹干；将待强化区域表面打磨至光亮，得到0.1-1mm厚度的凹槽；
52.(4)用高压氮气吹扫，配合毛刷清理掉打磨后的残渣；
53.(5)以kg7型硬质合金线材为焊接材料，通过电弧堆焊方式复合至该待强化区域，得到1mm厚的复合层；焊接前对焊接材料置于90℃烘干1小时；电弧堆焊时以焊接材料为正极，金属主轴为负极，电流强度为90-150a；
54.(6)对复合后的金属主轴进行后处理，使主轴的尺寸及表面粗糙度或平整度符合该金属主轴的相应要求。
55.实施例3
56.一种金属主轴，该金属主轴为无人机用主轴。该金属主轴的强化方法，包括以下步骤：
57.(1)将金属主轴的齿轮位、轴承位作为待强化区域；
58.(2)用无尘布蘸取酒精，对待强化区域表面进行擦洗；
59.(3)用氮气吹干；将待强化区域表面打磨至光亮，得到0.1-1mm厚度的凹槽；
60.(4)用高压氮气吹扫，配合毛刷清理掉打磨后的残渣；
61.(5)以硬质合金粉末为焊接材料，通过超声速等离子喷涂方式复合至该待强化区域，得到1mm厚的复合层；喷涂功率为45kw，弧电压为350v，氩气流浪为40l/min，送粉量为4kg/h，喷涂距离为60mm；
62.该硬质合金粉末由以下组分组成：10质量份的cr、8质量份的ni、2.5质量份的mo、15质量份的tic、3质量份的fe以及61.5质量份的w；
63.(6)对复合后的金属主轴进行后处理，使主轴的尺寸及表面粗糙度或平整度符合该金属主轴的相应要求。
64.实施例4
65.一种金属主轴，该金属主轴为无人机用主轴。该金属主轴的强化方法，包括以下步骤：
66.(1)将金属主轴的齿轮位、轴承位作为待强化区域；
67.(2)用无尘布蘸取酒精，对待强化区域表面进行擦洗；
68.(3)用氮气吹干；将待强化区域表面打磨至光亮，得到0.1-1mm厚度的凹槽；
69.(4)用高压氮气吹扫，配合毛刷清理掉打磨后的残渣；
70.(5)以硬质合金带材为焊接材料，通过激光熔敷方式复合至该待强化区域，得到1mm厚的复合层；激光功率为5kw，聚焦光斑为5mm，搭接率为45％，激光扫描速度为8cm/s；
71.该硬质合金带材由以下组分组成：10质量份的cr、8质量份的ni、2.5质量份的mo、15质量份的tic、3质量份的fe以及61.5质量份的w；
72.(6)对复合后的金属主轴进行后处理，使主轴的尺寸及表面粗糙度或平整度符合该金属主轴的相应要求。
73.实施例5
74.一种金属主轴，该金属主轴为无人机用主轴。该金属主轴的强化方法，包括以下步骤：
75.(1)将金属主轴的齿轮位、轴承位作为待强化区域；
76.(2)用无尘布蘸取酒精，对待强化区域表面进行擦洗；
77.(3)用氮气吹干待强化区域表面；
78.(4)将待强化区域表面打磨至光亮，得到0.1-1mm厚度的凹槽；
79.(4)用高压氮气吹扫，配合毛刷清理掉打磨后的残渣；
80.(5)以硬质合金粉末为焊接材料，通过真空熔敷方式复合至该待强化区域，得到1mm厚的复合层；将该硬质合金粉末铺覆于待强化区域，以模具夹持固定住待强化区域，一同置于真空炉中真空烧结，真空度为0.1-150pa，从室温以等速升温15-25min至500℃保温25min；再等速升温15-25min至1000℃保温15min；然后再等速升温15min至1350℃，保温30min，最后冷却至室温；
81.该硬质合金粉末由以下组分组成：10质量份的cr、8质量份的ni、2.5质量份的mo、15质量份的tic、3质量份的fe以及61.5质量份的w；
82.(6)对复合后的金属主轴进行后处理，使主轴的尺寸及表面粗糙度或平整度符合该金属主轴的相应要求。
83.实施例6
84.一种金属主轴，该金属主轴为无人机用主轴。该金属主轴的强化方法，包括以下步骤：
85.(1)将金属主轴的齿轮位、轴承位作为待强化区域；
86.(2)用无尘布蘸取酒精，对待强化区域表面进行擦洗；
87.(3)用氮气吹干待强化区域表面；
88.(4)将待强化区域表面打磨至光亮，得到0.1-1mm厚度的凹槽；
89.(4)用高压氮气吹扫，配合毛刷清理掉打磨后的残渣；
90.(5)以硬质合金贴合片为焊接材料，通过高频感应加热熔敷方式复合至该待强化区域，得到1mm厚的复合层；
91.该硬质合金贴合片由以下组分组成：10质量份的cr、8质量份的ni、2.5质量份的mo、15质量份的tic、3质量份的fe以及61.5质量份的w；
92.(6)对复合后的金属主轴进行后处理，使主轴的尺寸及表面粗糙度或平整度符合该金属主轴的相应要求。
93.实施例7
94.一种金属主轴，该金属主轴为无人机用主轴。该金属主轴的强化方法，包括以下步骤：
95.(1)将金属主轴的齿轮位、轴承位作为待强化区域；
96.(2)用无尘布蘸取酒精，对待强化区域表面进行擦洗；
97.(3)用氮气吹干待强化区域表面；
98.(4)将待强化区域表面打磨至光亮，得到0.1-1mm厚度的凹槽；
99.(4)用高压氮气吹扫，配合毛刷清理掉打磨后的残渣；
100.(5)以硬质合金贴合片为焊接材料，通过石墨加热器加热熔敷方式复合至该待强化区域，得到1mm厚的复合层；
101.该硬质合金贴合片由以下组分组成：10质量份的cr、8质量份的ni、2.5质量份的mo、15质量份的tic、3质量份的fe以及61.5质量份的w；
102.(6)对复合后的金属主轴进行后处理，使主轴的尺寸及表面粗糙度或平整度符合该金属主轴的相应要求。
103.性能测试
104.1.对实施例1-7提供的金属主轴分别进行着色探伤检测；经测试，实施例1-7提供的金属主轴的复合层位置均无裂纹、无微孔等缺陷；
105.2.对实施例1-7提供的金属主轴以及未进行强化处理的金属主轴分别进行耐磨性测试，在100kg的压力下，在转速1000转/分钟条件下，测试时间8小时；经测试未强化的主轴的磨损量是实施例1-7提供的金属主轴对应的磨损量的2.5-3倍。表明该金属主轴的耐磨性得到了提高。
106.最后应说明的是，以上实施例方式仅用以说明本技术的技术方案并非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本技术进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本技术的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本技术技术方案的精神和范围。