专利名称：高强韧金属梯度结构轴及其制备方法
技术领域：
本发明属于零件加工制造技术领域，特别是提供了一种高强韧耐磨梯度结构轴及其制造方法。金属梯度结构材料在机械、冶金、交通、矿山以及兵器和航空等领域中具有更加广阔的应用前景。
背景技术：
轴是机械装置中的一种重要零件，在机械、冶金、交通、矿山以及兵器和航空等领域得到里普遍的应用。轴的主要功能是支持回转零件及传递扭矩。轴在弯曲、扭转等交变载荷作用下，其表面承受较高的应力，轴颈在与轴承的相对运动下，还受到较大的摩擦和磨损，这就要求零件表面具有较高的强度、硬度、耐磨性和较高的疲劳强度，而心部在保持一定的强度、硬度的同时，具有较高的韧性。
用于制作轴类零件的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、硬度、刚度、耐磨性等要求来选择材料。目前在各类机械装置中应用的轴类零件通常是由同一种材料制成的。对于一些重要的机械装备通常采用高强度、高耐磨性的合金钢轴，以达到高速传递大功率并可以减轻重量的目的。由于合金钢轴对应力集中比较敏感，在变化无常的气候条件中，轴在弯曲、扭转等交变载荷作用下，很容易发生表面磨损、疲劳断裂现象。虽然通过制定合理的热处理工艺，可以使合金钢轴达到表面耐磨性好，心部韧性好的要求，但是，采用热处理工艺很难保证合金钢轴的强度、韧性沿轴断面以及长度方向的均匀变化，并且由于是同一种材料，一旦表面出现微裂纹，便可以直接扩展到心部，造成断裂。所以，目前的轴类零件存在的突出缺点是(1)采用优质、贵金属制造的轴，虽然质量好但成本过高；(2)目前在工程机械、车辆等领域中大量使用的普通合金钢轴，在使用过程中存在应力集中，缺乏裂纹阻断功能，一旦有微裂纹存在，便会迅速发生整体断裂，造成灾难性的后果。目前，尚未发现与本发明相同或类似的产品和制造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梯度结构轴及其制造方法。从轴的表面到心部化学成分是连续变化的，并且轴的组织结构以及性能也是连续变化的，从而具备应力缓和、应力阻止功能。本发明的梯度结构轴由成分性能连续变化的2～15层材料构成，轴的表层材料为具有高强度、高耐磨性的价格高的高品质合金钢材料，包括GCr15系列、G20CrNiMo、10Cr14Mo等。心部材料采用可以有效传递扭矩、柔韧性好的廉价的碳素钢或微合金化钢材料，包括20～50号碳素钢、Q235、Q345、T8、T10、20CrMnTi、20Cr、40Cr、20CrMo、35CrMo、42CrMo、38CrMoAl、30CrMnSi等材料。由于材料是由价格高的高品质合金钢与廉价的碳钢或微合金化钢组成，因此，可以节约稀有、贵重以及具有战略意义的金属材料，降低成本，满足可持续发展战略。
本发明的制备方法是通过螺旋配合、电渣重熔、复合浇铸、塑性加工复合等方法，将同种材料或不同种材料有效地结合在一起装配成梯度结构轴的待轧坯，再利用目前普遍存在的楔横轧机轧制成需要的轴的尺寸规格，经过退火成为具有梯度结构的轴的毛坯。具体方法为1、金属材料X1、X2、X3……Xn分别为强度逐渐降低韧性逐渐增强的钢，Xn为圆钢，其余为相互能够配合的钢管。其中，X1、X2、X3……Xn是指GCr15系列、G20CrNiMo、10Cr14Mo、20～50号、Q235、Q345、T8、T10、20CrMnTi、20Cr、40Cr、20CrMo、35CrMo、42CrMo、38CrMoAl、30CrMnSi等轴承钢、碳素结构钢、微合金钢材料。
2、将金属材料X1、X2、X3……Xn表面通过脱脂、酸洗、漂洗、干燥等工艺处理干净；3、应用旋转钢丝刷将钢的表面刷洗，直到金属表面充分暴露出新鲜的金属；4、将金属材料X1、X2、X3……Xn按顺序组装成具有多层结构的圆钢粗坯。
5、使用氩气将组装好的圆钢粗坯清扫干净，使得组装层间保持惰性气氛；6、将圆钢粗坯两端在氩气保护下焊接密封，成为待轧圆坯；7、用加热炉加热组装焊接好的待轧圆坯，加热温度在材料X1的再结晶温度以下0℃～30℃保温1～10小时；8、用楔横轧机或其它塑性加工方法将加热好的圆坯轧成预定轴；9、根据所选材料制定退火工艺，退火温度一般在700℃～850℃，退火时间一般4～6小时，得到复合梯度结构轴的毛坯。
本发明的复合梯度结构轴的毛坯也可以采用螺旋配合法、包浇法或电渣重溶方法来进行制备，采用这种方法制备出的复合坯料，在进行后续塑性加工时，对首道次压下量无特殊要求，可按常规塑性加工方法进行。
本发明所用的金属材料为合金钢与碳钢或微合金化钢，属于同一类铁基材料，只是各材料的化学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复合。复合轴经过热塑性加工或热处理工艺后，通过原子扩散过程，形成了结构梯度轴。
本发明的优点在于所制造的结构梯度轴的化学成分的梯度变化，保证了材料结构的梯度变化，其强度、塑性、韧性等力学性能也是按一定梯度变化的。使轴的表面具有高强度、高硬度、高耐磨性，心部具有良好的韧性，可以有效地传递扭矩。由于结合界面以及心部韧性好的金属对裂纹扩展起到阻碍作用，因此，即使表面出现微裂纹，在短时间内仍然可以正常工作，从而可以避免灾难性后果的发生。可广泛应用于机械、冶金、交通、矿山以及兵器和航空等领域。
具体实施例方式
实施例1梯度结构传动轴的制造1、选用外径50mm，内径22mm长度为300mm的40Cr钢管以及22mm的普碳钢圆钢。
2、将40Cr钢管以及普碳钢圆钢表面通过脱脂、酸洗、漂洗、干燥等工艺处理干净；3、应用旋转钢丝刷将钢的表面刷洗，直到金属表面充分暴露出新鲜的金属；4、将40Cr钢管以及普碳钢圆钢组装成粗坯。
5、使用氩气将组装好的圆钢粗坯清扫干净，使得组装层间保持惰性气氛；6、将圆钢粗坯两端在氩气保护下焊接密封，成为待轧圆坯；7、用加热炉以每分钟200℃的速度快速加热组装焊接好的待轧圆坯，加热温度在750℃保温60分钟；8、用楔横轧机将加热好的圆坯轧成预定轴，首次次压下量60％；9、用加热炉加热至600℃，保温10小时，炉冷得到复合梯度结构传动轴的毛坯。
实施例2梯度结构轮毂轴的制造1、选用外径50mm，内径22mm长度为150mm的GCr15钢管以及22mm的45#圆钢。
2、将GCr15钢管以及45#圆钢表面通过脱脂、酸洗、漂洗、干燥等工艺处理干净；3、应用旋转钢丝刷将钢的表面刷洗，直到金属表面充分暴露出新鲜的金属；4、将GCr15钢管以及45#圆钢组装成粗坯。
5、使用氩气将组装好的圆钢粗坯清扫干净，使得组装层间保持惰性气氛；6、将圆钢粗坯两端在氩气保护下焊接密封，成为待轧圆坯；7、用加热炉以每分钟200℃的速度快速加热组装焊接好的待轧圆坯，加热温度在750℃保温120分钟；8、用楔横轧机将加热好的圆坯轧成预定轴，首次次压下量60％；9用加热炉加热至550℃，保温10小时，炉冷得到复合梯度结构轮毂轴的毛坯。
实施例3复合结构轴坯料的螺旋配合法1、分别选用高碳合金钢管、中碳合金钢管、普碳钢圆钢作为原料；
2、将所选原料做成可以相互配合的螺纹；3、表面通过脱脂、酸洗、漂洗、干燥等工艺处理干净；4、应用旋转钢丝刷将钢的表面刷洗，直到金属表面充分暴露出新鲜的金属；5、将坯料组合成复合轴坯；6、将圆钢粗坯两端在氩气保护下焊接密封，成为待轧圆坯；7、用加热炉以每分钟200℃的速度快速加热组装焊接好的待轧圆坯，加热温度在850℃保温120分钟；8、用楔横轧机将加热好的圆坯轧成预定轴；9、根据轴的大小将得到的复合轴退火、炉冷、精加工得到最终产品。
实施例4复合结构轴坯料的复合包浇法1、分别选用分别选用化学成分依次降低的高碳合金钢管、中碳合金钢管、普碳钢圆钢作为原料；2、应用成熟的复合铸造法浇铸成从心部到表层化学成分逐渐升高变化的复合轴坯料；3、加热坯料，温度为850℃，保温120分钟；4、用楔横轧机将加热好的圆坯轧成预定轴；5、退火，炉冷、精加工得到最终产品。
实施例5复合结构轴坯料的电渣重熔法将例4的其它步骤不变，复合轴初始坯料的制备可以选择普遍应用的电渣重熔法。则制造成本有所上升，但是，质量将提升，此法适合制造高质量的复合结构轴。
权利要求
1.一种高强韧金属梯度结构轴，其特征在于从轴的表面到心部化学成分是连续变化的，并且轴的组织结构以及性能也是连续变化的，从而具备应力缓和、应力阻止功能；该轴由成分、性能连续变化的2～15层材料构成，轴的表层材料为具有高强度、高耐磨性的价格高的高品质合金钢材料，包括GCr15系列、G20CrNiMo、10Cr14Mo；心部材料采用有效传递扭矩、柔韧性好的廉价的碳素钢或微合金化钢材料，包括20～50号碳素钢、Q235、Q345、T8、T10、20CrMnTi、20Cr、40Cr、20CrMo、35CrMo、42CrMo、38CrMoAl、30CrMnSi材料。
2.一种制备权利要求1所述高强韧耐磨梯度结构轴的方法其特征在于利用楔横轧机、电渣重熔、复合浇铸、塑性加工复合等方法，将同种材料或不同种材料有效地结合在一起；具体工艺为a、金属材料X1、X2、X3……Xn分别为强度逐渐降低韧性逐渐增强的钢，Xn为圆钢，其余为相互能够配合的钢管；b、将金属材料X1、X2、X3…..Xn表面通过脱脂、酸洗、漂洗、干燥工艺处理干净；c、应用旋转钢丝刷将钢的表面刷洗，直到金属表面充分暴露出新鲜的金属；d、将金属材料X1、X2、X3…..Xn按顺序组装成具有多层结构的圆钢粗坯；e、使用氩气将组装好的圆钢粗坯清扫干净，使得组装层间保持惰性气氛；f、将圆钢粗坯两端在氩气保护下焊接密封，成为待轧圆坯；g、用加热炉加热组装焊接好的待轧圆坯，加热温度在材料X1的再结晶温度以下0℃～30℃，保温1～10小时；h、用楔横轧机或其它塑性加工方法将加热好的圆坯轧成预定轴；i、根据所选材料制定退火工艺，退火温度在700℃～850℃，退火时间4～6小时，得到复合梯度结构轴的毛坯。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于复合梯度结构轴的毛坯采用螺旋配合法、包浇法或电渣重溶方法来进行制备，采用这种方法制备出的复合梯度结构轴的毛坯，在进行后续塑性加工时，对首道次压下量无特殊要求，按常规塑性加工方法进行。
4.按照权利要求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号、Q235、Q345、T8、T10、20CrMnTi、20Cr、40Cr、20CrMo、35CrMo、42CrMo、38CrMoAl、30CrMnSi轴承钢、碳素结构钢、微合金钢材料。
全文摘要
本发明提供了一种高强韧金属梯度结构轴及其制备方法，属于零件加工制造技术领域。其梯度结构轴由2～15层构成，材料分别为价格高的高品质合金钢与廉价的碳钢或微合金化钢。轴的表层为具有高强度、高耐磨性的材料，心部采用可以有效传递扭矩、柔韧性好的材料，从轴的表面到心部化学成分是连续变化的，并且轴的组织结构以及性能也是连续变化的，从而具备应力缓和、应力阻止功能。本发明的制备方法是利用目前普遍存在的楔横轧制设备，通过螺旋配合、电渣重熔、复合浇铸、塑性加工复合等方法，将同种材料或不同种材料有效地结合在一起。本发明的优点在于具备应力缓和、应力阻止功能。可以节约稀有、贵重以及具有战略意义的金属材料，降低成本。
文档编号B32B15/01GK1686713SQ20051006310
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月4日 优先权日2005年4月4日
发明者任学平, 侯红亮, 许荣昌, 金宪哲, 唐荻 申请人:北京科技大学