碳化钛增强钢基耐磨轴承圈的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化钛增强钢基耐磨轴承圈的制备方法，包括将轴承钢基体加工成圆环状轴承圈，将钛箔剪切成与轴承圈内圈、外圈相匹配的长方形，将钛箔包裹在轴承圈内表面和外表面，然后在钛箔外面包覆耐火纸，再放入石墨模具中，将石墨模具放入真空热压烧结炉内，加压保温，使炉内压强为20MPa～40MPa，保温温度为1000～1200℃，保温时间1h～5h，最后缓冷降温至室温，即获得碳化钛增强钢基耐磨轴承圈。本发明专利技术通过在钢基轴承圈表面包覆钛箔进行热压烧结，在基体表面形成碳化钛

【技术实现步骤摘要】
碳化钛增强钢基耐磨轴承圈的制备方法


[0001]本专利技术属于耐磨金属材料
，涉及碳化钛增强钢基耐磨轴承圈的制备方法。

技术介绍

[0002]钢作为工业中使用最多的工程合金，具有良好的加工能力和较低的加工成本，被广泛应用于冶金、建材、汽车等工业领域中,但因其相对较低的硬度和耐磨损性，极易产生表面裂纹和磨损，导致工件的失效破坏，从而造成钢材的严重消耗。
[0003]轴承在机械传动过程中起固定、旋转和减小载荷摩擦系数的作用，是机械设备中一种举足轻重的零部件，它的性能、寿命和可靠性对主机的精度、性能、寿命和可靠性起着决定性的作用，现有轴承，由于其硬度和耐磨损性不足，经常需要更换。
[0004]碳化钛(TiC)陶瓷熔点高达3140℃以上，同时具有非常高的硬度，其莫氏硬度大于9，化学稳定性好，只溶于硝酸和王水，而不溶于其他溶剂。碳化钛作为金属基复合材料中的增强相，能大大提高轴承钢的耐磨性能。
[0005]为了改善钢基轴承的耐磨性能，目前常采用的方法是将碳化钛陶瓷颗粒均匀分散在钢基体中，此方法虽然提高了钢基轴承的耐磨性，但也大大降低了其韧性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种碳化钛增强钢基耐磨轴承圈的制备方法，解决了现有钢基耐磨材料强韧不匹配的问题。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是，碳化钛增强钢基耐磨轴承圈的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，将钢基体加工成圆环状轴承圈；
[0009]步骤2，将钛箔剪切成与轴承圈内圈、外圈相匹配的长方形；
[0010]步骤3，将加工完成的轴承圈和钛箔放入无水乙醇中超声振动清洗，去除表面杂物；
[0011]步骤4，对轴承圈工件内外表面进行化学抛光，其腐蚀液成分为磷酸100～120ml/l、硝酸40～50ml/L、盐酸140～160ml/L，水余量，抛光液温度为40～55℃，抛光时间5～10min；
[0012]步骤5，对抛光后的轴承圈工件进行中和处理，去除残余腐蚀液，腐蚀后中和液为碳酸钠2～3g/L、氢氧化钠1.5～2g/L、磷酸三钠20～25g/L、水余量，中和3～5min，中和后使用无水乙醇清洗并吹干，防止氧化；
[0013]步骤6，将抛光后的工件包埋在石墨粉中，在气氛管式炉中通甲烷气体加热至750
‑
850℃保温4
‑
8h，流量为6
‑
10ml/s，使工件表面生成深度为1
‑
4mm的富碳层；
[0014]步骤7，将渗碳后的轴承圈使用无水乙醇清洗，丙酮浸泡超声波清洗10min；
[0015]步骤8，将钛箔包裹在轴承圈内表面和外表面，然后在钛箔外面包覆耐火纸，再放
入石墨模具中；
[0016]步骤9，将石墨模具放入真空热压烧结炉内，加压保温，使炉内压强为20MPa～40MPa，保温温度为1000～1200℃，保温时间1h～5h，最后缓冷降温至室温，即获得碳化钛增强钢基耐磨轴承圈。
[0017]其中，石墨模具包括上压头、下压头、阴模和中心定位销，上压头和下压头均为中空圆棱台，阴模套设在上压头和下压头外侧交界处。
[0018]步骤8中，将外面包覆耐火纸的轴承圈放入石墨模具中时，先将中心定位销插入轴承圈内孔中，然后将上压头和下压头套在轴承圈外侧，上压头和下压头交界处位于轴承圈竖直中心周围，最后将阴模套在上压头和下压头外侧。
[0019]步骤9中，缓冷降温包括四个阶段，第一阶段降温至780～820℃，保温20min～40min，第二阶段降温至580～620℃，保温10min～20min，第三阶段降温至80～120℃，第四阶段降温至室温。
[0020]缓冷降温过程中，第一阶段的降温速率V
℃
＝5～7℃/min。
[0021]缓冷降温过程中，第二阶段的降温速率V
℃
＝10～12℃/min。
[0022]缓冷降温过程中，第三阶段和第四阶段都是随炉冷却。
[0023]步骤9中，缓冷降温至室温后，从真空热压烧结炉内取出样品，采用机械加工的方式去除样品表面未反应完全的钛箔，即获得碳化钛增强钢基耐磨轴承圈。
[0024]步骤1中，钢基体优选为轴承钢(GCr15)。
[0025]钛箔厚度为0.5mm～3mm，纯度为99.7
‑
99.9％。
[0026]本专利技术的有益效果是：
[0027](1)通过在钢基轴承圈表面包覆钛箔进行热压烧结，在基体表面形成碳化钛
‑
铁增强层，大幅度提高了钢基轴承圈的耐磨性，同时也极大的保留了轴承钢原有韧性，使钢基轴承圈具备强韧性，同时也具备高硬度和耐磨损性；
[0028](2)采用的石墨模具中上、下压头均为中空圆棱台，能够将加载在上、下压头上的轴向载荷转变为加载在圆环状样品表面径向载荷，解决柱状样品径向表面难以施加压力进行热压烧结的难题，提高了轴承圈与钛箔在烧结过程中的贴合度，从而提高基体与增强层的结合强度；
[0029](3)选用钛箔作为Ti来源，钛箔首先易于弯折，可紧密贴合于基体表面，相比钛板易于应用在异形表面，同时相对于钛粉末，钛箔在使用过程中无需控制样品的致密度，可有效改善粉末冶金产品受制于致密度限制的问题；
[0030](4)本专利技术优选基体为GCr15轴承钢，碳在此钢中均以碳化物形式存在，主要包括Fe3C和M7C3等。在高温、高压作用下碳化物颗粒(Fe3C、M7C3)中碳元素易于脱溶析出形成游离的碳元素，随着温度的升高与保温时间的延长，游离的碳元素在钢基体表面形成一层高浓度的富碳区域。而当温度持续升高，碳原子自身的获得能量逐渐增大，另外碳势越来越高，碳原子开始沿碳势方向长程扩散。扩散出的碳原子进入基体表面的钛箔，碳原子与钛元素发生反应形成TiC陶瓷。压力的引入可促进钛箔与基体表面紧密贴合，同时为碳元素的扩散提供额外的驱动力，使得碳元素在较低温度下扩散与钛反应形成碳化钛。迫使在铁元素未进行扩散时，碳元素大量而快速地扩散形成致密的碳化钛陶瓷层，从而保证在样品表面获得体积分数高于90％的TiC/Fe复合层。
[0031](5)热压烧结温度选用1000～1200℃，在此温度范围，C元素扩散较快，Fe、Cr元素扩散较慢，Cr与C无明显反应，制备的轴承圈内、外表面增强层中TiC的体积分数最高可提高到98％；
[0032](6)热压烧结过程中炉内压强为20MPa～40MPa，此压强是根据钛箔特征、石墨模具特征以及轴承圈材质特征综合确定的，当压力过低或无压力存在时通过模具传递的侧向压力不足，钛箔与轴承圈内、外表面难以精密贴合，同时当压力过小时难以形成如此高体积分数致密的陶瓷复合层，所得复合层厚度不均匀，组织缺陷较多，并与基体结合较差，当压力过大时模具易发生损坏，且在1000～1200℃高温环境下会导致轴承钢基体发生变形无法使用；
[0033](7)热压烧结后采用四段式缓冷降温，有效降低了冷却过程中造本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.碳化钛增强钢基耐磨轴承圈的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将钢基体加工成圆环状轴承圈；步骤2，将钛箔剪切成与轴承圈内圈、外圈相匹配的长方形；步骤3，将加工完成的轴承圈和钛箔放入无水乙醇中超声振动清洗，去除表面杂物；步骤4，对轴承圈工件内外表面进行化学抛光；步骤5，对抛光后的轴承圈工件进行中和处理，去除残余腐蚀液；步骤6，将抛光后的工件包埋在石墨粉中，在气氛管式炉中通甲烷气体进行表面渗碳；步骤7，将渗碳后的轴承圈使用无水乙醇清洗，丙酮浸泡、超声波清洗；步骤8，将钛箔包裹在轴承圈内表面和外表面，然后在钛箔外面包覆耐火纸，再放入石墨模具中；步骤9，将石墨模具放入真空热压烧结炉内，加压保温，使炉内压强为20MPa～40MPa，保温温度为1000～1200℃，保温时间1h～5h，最后缓冷降温至室温，即获得碳化钛增强钢基耐磨轴承圈。2.根据权利要求1所述的碳化钛增强钢基耐磨轴承圈的制备方法，其特征在于，所述石墨模具包括上压头(6)、下压头(9)、阴模(7)和中心定位销(8)，上压头(6)和下压头(9)均为中空圆棱台，阴模(7)套设在上压头(6)和下压头(9)外侧交界处。3.根据权利要求2所述的碳化钛增强钢基耐磨轴承圈的制备方法，其特征在于，所述步骤8中，将外面包覆耐火纸的轴承圈放入石墨模具中时，先将中心定位销(8)插入轴承圈内孔中，然后将上压头(6)和下压头(9)套在轴承圈外侧，上压头(6)和下压头(9)交界处位于轴承圈竖直中心周围，最后将阴模(7...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵娜娜，姚特立，张梓暄，邹军涛，彭建洪，单瑞，任聪聪，闫翰麒，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：