一种传动机械零部件用复合镀层钢带的生产方法
【专利摘要】一种传动机械零部件用复合镀层钢带的生产方法：以DC04热轧酸洗卷为原料，进行反复冷轧轧后常规脱脂；退火；开卷、分条并去除毛刺；在室温下复合电镀Ni?Fe?TiO2合金；物理气相沉积Al2O3；热喷涂ZrO2?MgO?CaO?SiO2复合氧化物；物理气相沉积MoS2；自然冷至室温后卷取。本发明钢带Rm为550~600 MPa，延伸率为30~35%，应变硬化指数n为0.42~0.47，塑性应变比r为2.7~3.0，表面硬度为1550~1600 HV，摩擦系数为0.08~0.14，biao 面无裂纹，耐磨性能良好，热导率为1.2~2.3 W/m?°C，隔热性能良好；最高使用温度为430~450 °C，置于400 °C 高温环境下2400 h后，其抗拉强度和延伸率没有明显变化，耐热性能良好；在400 °C?0 °C水冷循环试验条件下，经循环15~18次，涂层未产生裂纹和脱落，抗热震性能良好。
【专利说明】
一种传动机械零部件用复合镀层钢带的生产方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种钢带的生产方法，具体地属于一种传动机械零部件用复合镀层钢 带的生产方法。
【背景技术】
[0002] 传动机械是工业设备不可或缺的组成部分，其通过机械方式传递动力，使整台机器产 生运转，主要包括齿轮、链条、轴承、活塞、蜗轮、蜗杆等零部件。这些零部件长时间处于高频 率、高强度的摩擦或啮合状态，持续的冲击以及摩擦产生的高热量，使其很容易产生变形， 磨损率较高。
[0003] 目前，传动机械零部件主要以高碳高铬的合金钢为原料进行生产，通过加入大量 的合金元素，以提高钢的耐磨性能。但是，这种方式也存在着两个明显的不足：由于原料钢 种添加了大量的合金元素，一方面导致原料成本大幅上升；另一方面也引起原料冶炼、乳 制、热处理及产品成形的难度明显加大。某种程度上，这限制了产品的进一步推广。因此，从 市场角度来看，很有必要对现有原材料进行改进，以提高产品的性价比。
[0004] 近年来，由于材料制备工艺水平的不断提高，镀层钢带因其成本低、性能好逐渐引 起人们的广泛关注，已成为替代合金钢的重要材料，并获得广泛应用。相对而言，普通的纯 金属镀层钢带由于质地较软，导电及导热系数较高，钢带容易迅速升温，极易出现变形和断 带。与之相比，常用的无机陶瓷材料却有着良好的隔热、耐热和耐磨性能，理论上可以用于 生产传动机械零部件。但是，其也存在一个明显缺点:脆性大，塑性差，力学性能不好。显然， 如果能将无机陶瓷材料通过合适的方式牢固地涂覆在钢带表面，有机结合两者的优点，就 有可能生产出满足实际需要的镀层钢带。
[0005] 经检索： 中国专利公开号为CN104805484A的文献，公开了一种Cu-Ni/Ni-Ag双复合镀层极薄钢 带的生产方法。该文献以SPHC热乳酸洗卷为原料，采用二次冷乳+-次退火+电镀Cu-Ni+热 喷涂Ni-Ag +两次退火的工艺进行生产。所得钢带的厚度为0.2~0.3 mm，抗拉强度为330~ 380 MPa，延伸率为34~38%，表面生成了一层均匀致密、附着力强、厚度为7~10 μπι的Cu-Ni/ Ni-Ag双复合镀层，镀层表面硬度为90~100 HV，粗糙度为0.15~0.30 μπι，镜面反射率为88~ 95%，电阻率为6.5~8.7 μ Ω _cm，热导率为6~10 W/cm_°C。产品的导电和导热性能良好。但 是，该镀层钢带采用贵金属Ag，对生产常规的传动机械零部件而言，其成本和价格更高，更 加难以推广。此外，该镀层钢带厚度薄、硬度低、耐磨性能差。同时，钢带的导热性能良好，传 导热量时会使零部件表面温度迅速升高，在持续冲击的作用下，更容易产生变形，磨损率较 尚。
[0006] 中国专利公开号为CN104988456A的文献，公开了一种Cu-Sn/Sn-Au双复合镀层极 薄钢带的生产方法。该文献以SPCC冷乳钢板作为原料，采用一次退火+ -次冷乳+热喷涂 Cu-Sn+二次退火+热喷涂Sn-Au+三次退火的工艺进行生产。所得钢带的厚度为0.1~0.2 mm， 抗拉强度为300~350 MPa，延伸率为38~45%。表面生成了一层均匀致密、附着力强、厚度为8~ 12 μπι的Cu-Sn/Sn-Au双复合镀层，镀层呈现光亮的金黄色，表面硬度为100~120 HV，粗糙度 为0.1~0.2 μπι，镜面反射率为94~99%，在常规环境下放置720 d后，镀层失光率不超过0.5%， 电阻率为14~18 μΩ ·_，热导率为60~75 W/m.°C，在350~400 °C下保持480 h后，表面氧化 面积不超过〇. 1%，硬度值变化率不超过〇. 3%。虽然产品的表面性能、导电性能、导热性能良 好，但是，该镀层钢带采用贵金属Au，对生产常规的传动机械零部件而言，其成本和价格更 高，更加难以推广。特别是Au-Sn二元合金是由许多脆硬性的中间相组成，产品的加工成形 性能存在不足。此外，该镀层钢带厚度薄、硬度低、耐磨性能差。同时，钢带的导热性能良好， 传导热量时会使零部件表面温度迅速升高，在持续冲击的作用下，更容易产生变形，磨损率 较高。
【发明内容】
[0007] 本发明针对现有技术存在的不足，提供一种满足批量生产传动机械零部件需要、 具有优良力学性能、成型性能、耐磨性能、耐热性能、隔热性能的复合镀层钢带的生产方法。
[0008] 实现上述目的的措施： 一种传动机械零部件用复合镀层钢带的生产方法，其步骤： 1) 以普通的DC04热乳酸洗卷作为原料，进行10~11道次反复冷乳乳制，控制总压下率 为95~98%，然后常规脱脂； 2) 在全氢保护气氛下进行退火，控制退火温度为650~690 °C，保温时间为28~38 min; 3) 开卷、分条并去除毛刺； 4) 在室温下复合电镀Ni-Fe-Ti02合金；电镀液的组成:NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液、Ti02 固体微粒及重量百分比浓度为3~5%的表面活性剂吐温-20;所述NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液中， NiS〇4与FeS〇4浓度之比为2.7~3.7:1，电流密度为2.2~3.2 A/dm2，电镀时间为4~7 min;电镀 过程中并予以充分搅拌； 5) 进行物理气相沉积Al2〇3,控制其沉积速率为1.2~1.5 μπι/min，沉积时间为5~10 min； 6) 热喷涂Zr02-Mg0-Ca0-Si02复合氧化物，并控制加入的Zr02、Mg0、Ca0及Si0 2的重量 百分比为：Zr〇2:MgO:CaO:Si〇2 =(4~6):1:1: (3~5); 7) 进行物理气相沉积M〇S2,控制其沉积速率为0.8~0.9 μπι/min，沉积时间为2~4 min; 8) 自然空冷至室温后卷取。
[0009] 其在于:所述Ti〇2固体微粒平均粒径为3~4 μπι，并按照10~15 g/LtaM加入。
[0010] 其在于:所述加入的Zr02、Mg0、Ca0及Si02,其平均粒径在3.5~4.2 _，喷涂速度在 500~600 m/s，沉积率在0.8~1.1 kg/h。
[0011] 针对现有工艺存在的问题，本发明通过大量试验及研究，提出一种新的思路，即采 用普通的DC04热乳酸洗卷作为原料，采用"复合电镀+热喷涂+二次物理气相沉积"工艺进行 生产。
[0012] 之所以这样选择，是因为： 一是以普通的DC04热乳酸洗卷作为原料。与其它普通的合金钢相比，其完全可以保证 钢带的力学性能。由于DC04不含合金元素，因而保证了原料钢种成本较低。此外，DC04钢中 C、Mn、Si含量较低，可以保证基材的表面质量和涂镀性能；同时，钢中较低的P和S含量，可以 保证产品具有良好的冲压成形及焊接性能。用钢带作基材，替代合金钢，其生产成本会大幅 降低。
[0013] 二是热乳酸洗卷通过冷乳+退火工序来保证冷乳原料的厚度、力学性能和表面质 量。在这里，通过增加冷乳乳制道次数和总压下率，以增强基材表面的光洁度，降低粗糙度， 以有利于后续的镀层更加均匀和平整，提高镀层的稳定性。
[0014] 三是退火结束后，先在钢基上复合电镀Ni-Fe-Ti02层，形成内镀层。与普通的单金 属或合金电镀层相比，该复合层均匀嵌入不溶性固体微粒的复合镀层往往具有更好的使用 性能，Ni及其合金尤其如此。本发明中，以NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液为基础镀液，再加入少量 廉价的表面活性剂吐温-20及Ti0 2固体微粒，通过强烈搅拌，形成均匀的悬浮液。复合电镀 Ni-Fe-Ti02层与单纯的Ni镀层相比，Ni-Fe合金与基体结合牢固，耐蚀性能相当，硬度更高。 用廉价的Fe部分替代贵重的Ni，降低了成本。此时，Ni-Fe合金中再均勾嵌入Ti〇2微粒，由于 Ti〇2具有高熔点及高硬度，化学性质稳定，Ni-Fe-Ti02整个复合镀层的耐热和耐磨性能更 好，有利于后续的物理气相沉积或热喷涂工序。因此，Ni-Fe-Ti0 2复合镀层适合作为内镀 层。这里，选用电镀工艺，是因为复合镀层容易从水溶液中沉积，操作简便，成本较低。
[0015]四是电镀Ni-Fe-Ti02完成后，在钢带表面物理气相沉积一层Al2〇3,作为后续无机 陶瓷防护层的底层。之所以选用Al2〇3作底层是因为其价格低廉，且具有良好的隔热效果，可 以有效阻止外部的热量传导至钢带内部，防止后续炽热熔融的陶瓷进行涂覆时导致钢带产 生变形和断带，起到一定的缓冲作用。之所以采用物理气相沉积工艺，一是Al 2〇3具有电绝缘 性，因而不能通过常规的电镀工艺涂覆在钢带表面;二是在高速喷涂条件下，高温熔融状态 下的Al 2〇3会严重降低钢带的表面质量，因而也没有采用常规的热喷涂工艺。由于物理气相 沉积在真空条件下进行，且所需温度一般不超过400 °C，对钢带的损伤较小，从而保证整个 涂层的稳定性。
[0016] 五是在物理气相沉积一层Al2〇3后，再继续热喷涂一层Zr02-Mg0-Ca0-Si0 2无机陶 瓷层。这里，Zr02具有优良的绝热性能，加入MgO和CaO作为稳定剂，再结合Si02，可以进一步 提高涂层的高温化学惰性。此外，上述四种氧化物都是价格低廉，适合大范围推广。这里，由 于这些氧化物都是电绝缘性，且混合在一起不易分离，因而就没有采用常规的电镀或物理 气相沉积工艺。只能选择热喷涂工艺，将上述四种氧化物按一定比例在高温下熔融，然后高 速涂覆在钢带表面，形成所需的防护层。
[0017] 六是在热喷涂Zr02-Mg0_Ca0-Si02完成后，再继续物理气相沉积一层M〇S 2,形成外 镀层。如前所述，传动装置的零部件长时间处于高频率、高强度的摩擦或啮合状态，磨损率 较高。除了提高自身的耐磨性能外，工作时还应该增加表面润滑性，降低摩擦系数以延长使 用寿命。而Mo&恰好就是一种高性价比的固体润滑剂，硬度和摩擦系数较低，特别适用于高 温、高负载及高速运动下的润滑。由于Zr0 2等氧化物都具有较强的物理吸附性能，可以将 Mo&固定在中间镀层的表面，从而提高整个复合镀层的稳定性。这里，选用物理气相沉积工 艺，是因为：一是M〇S 2不导电，不能通过电镀工艺从水溶液中进行沉积。二是其在450 °C以 上就开始出现升华，因而不能使用热喷涂工艺。
[0018] 与现有普通钢带相比，本发明生产的钢带厚度为0.8~0.9 mm，抗拉强度为550~600 MPa，延伸率为30~35%，力学性能良好；应变硬化指数η为0.42~0.47，塑性应变比r为2.7~ 3.0，成形性能良好;表面生成了一层厚度为15~20 pm的Ni-Fe-Ti02/Al2〇3/ Zr02-Mg〇-Ca〇-Si02/MoS2复合镀层，表面硬度为1550~1600 HV，摩擦系数为0.08~0.14，置于常温常压环境 下，经反复擦拭2 X 104次以后，其硬度值变化率不超过0.1%，表面未出现裂纹;置于温度为 400 °C，外加载荷为100 N的环境下，经反复擦拭2X104次，镀层厚度损失率不超过0.5%，表 面未出现裂纹，耐磨性能良好;热导率为1.2~2.3 W/m_°C，隔热性能良好;最高使用温度为 430~450 °C，置于400 °C高温环境下2400 h后，其抗拉强度和延伸率没有明显变化，耐热 性能良好;置于400 °C*0 °C水冷循环试验条件下，循环次数为15~18次，涂层未产生裂纹 和脱落，抗热震性能良好。产品性能完全满足批量生产传动机械零部件的需要。
【具体实施方式】
[0019] 下面对本发明予以详细描述： 表1为本发明各实施例及对比例的冷乳工艺参数列表； 表2为本发明各实施例及对比例的制带工艺参数列表； 表3为本发明各实施例及对比例的产品性能列表。
[0020] 本发明各实施例均按照如下步骤生产： 1) 以普通的DC04热乳酸洗卷作为原料，进行10~11道次反复冷乳乳制，控制总压下率 为95~98%，然后常规脱脂； 2) 在全氢保护气氛下进行退火，控制退火温度为650~690 °C，保温时间为28~38 min; 3) 开卷、分条并去除毛刺； 4) 在室温下复合电镀Ni-Fe-Ti02合金；电镀液的组成:NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液、Ti02 固体微粒及重量百分比浓度为3~5%的表面活性剂吐温-20;所述NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液中， NiS〇4与FeS〇4浓度之比为2.7~3.7:1，电流密度为2.2~3.2 A/dm2，电镀时间为4~7 min;电镀 过程中并予以充分搅拌； 5) 进行物理气相沉积Al2〇3,控制其沉积速率为1.2~1.5 μπι/min，沉积时间为5~10 min； 6) 热喷涂Zr02-Mg0-Ca0-Si02复合氧化物，并控制加入的Zr02、Mg0、Ca0及Si0 2的重量 百分比为：Zr〇2:MgO:CaO:Si〇2 =(4~6):1:1: (3~5); 7) 进行物理气相沉积M〇S2,控制其沉积速率为0.8~0.9 μπι/min，沉积时间为2~4 min; 8) 自然空冷至室温后卷取。
[0021] 表1本发明各实施例和对比例的冷乳工艺参数
表2本发明各实施例及对比例的制带工艺参数
续表2本发明各实施例及对比例的制带工艺参数
从表3可以看到，本发明申请的钢带，其厚度为0.8~0.9 mm，抗拉强度为550~600 MPa， 延伸率为30~35%，力学性能良好;应变硬化指数η为0.42~0.47，塑性应变比r为2.7~3.0，成 形性能良好;表面生成了一层厚度为15~20 _的Ni-Fe-Ti〇2/Al2〇3/ Zr〇2-Mg〇-Ca〇-Si〇2/ M0S2复合镀层，表面硬度为1550~1600 HV，摩擦系数为0.08~0.14，置于常温常压环境下，经 反复擦拭2X104次以后，其硬度值变化率不超过0.1%，表面未出现裂纹;置于温度为400 ° C，外加载荷为100 N的环境下，经反复擦拭2 X 104次，镀层厚度损失率不超过0.5%，表面未 出现裂纹，耐磨性能良好;热导率为1.2~2.3 W/m· ° C，隔热性能良好;最高使用温度为430~ 450 °C，置于400 °C高温环境下2400 h后，其抗拉强度和延伸率没有明显变化，耐热性能 良好;置于400 °〇0 °C水冷循环试验条件下，循环次数为15~18次，涂层未产生裂纹和脱 落，抗热震性能良好。产品性能完全满足批量生产传动机械零部件的需要。
[0022]上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。
【主权项】
1. 一种传动机械零部件用复合镀层钢带的生产方法，其步骤： 1) 以普通的DC04热乳酸洗卷作为原料，进行10~11道次反复冷乳乳制，控制总压下率 为95~98%，然后常规脱脂； 2) 在全氢保护气氛下进行退火，控制退火温度为650~690 °C，保温时间为28~38 min; 3) 开卷、分条并去除毛刺； 4) 在室温下复合电镀Ni-Fe-TiO2合金；电镀液的组成:NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液、TiO2固 体微粒及重量百分比浓度为3~5%的表面活性剂吐温-20;所述NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液中， NiS〇4与FeS〇4浓度之比为2.7~3.7:1;电镀电流密度为2.2~3.2 A/dm2，电镀时间为4~7 min， 并予以充分搅拌； 5) 物理气相沉积Al2O3,控制其沉积速率为1.2~1.5 μπι/min，沉积时间为5~10 min; 6) 热喷涂ZrO2-MgO-CaO-SiO2复合氧化物，并控制加入的Zr02、Mg0、Ca0及SiO 2的重量百 分比为：Zr〇2:MgO:CaO:Si〇2 =(4~6):1:1: (3~5); 7) 物理气相沉积MoS2,控制其沉积速率为0.8~0.9 μπι/min，沉积时间为2~4 min; 8) 自然空冷至室温后卷取。2. 如权利要求1所述的一种传动机械零部件用复合镀层钢带的生产方法，其特征在于： 所述TiO2固体微粒平均粒径为3~4 μπι，其在电镀液中的最终浓度为10~15 g/L。3. 如权利要求1所述的一种传动机械零部件用复合镀层钢带的生产方法，其特征在于： 所述加入的ZrO2、MgO、CaO及SiO 2，其平均粒径为3.5~4.2 μπι，喷涂速度为500~600 m/s，沉积 率为 0.8~1.1 kg/h。
【文档编号】C23C14/06GK105887145SQ201610253539
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】黄菲, 刘占增, 骆海贺, 李建华, 陈浮, 匡伟, 张兆丽, 余晓静
【申请人】武汉钢铁股份有限公司