用于提高光轴耐蚀性和耐磨性的方法

摘要

本发明属于光轴加工技术领域，具体而言，涉及一种用于提高光轴耐蚀性和耐磨性的方法包括以下步骤:(1)将光轴放入空气加热炉，在300-450℃下，预热20-40min(2)将预热后的光轴放入氮碳镧离子渗入炉，在550-630℃下经氮碳镧离子渗剂渗入处理90-150min(3)接着放入离子活化炉，在450-550℃下经离子活化渗剂渗入处理30-90min(4)再放入氧离子渗入炉，在370-430℃下经氧离子渗剂渗入处理15-30min(5)将光轴表面的渗剂清洗干净后并干燥处理(6)放入盛装离子稳定剂的离子稳定化炉，在120-200℃下进行离子稳定化处理20-50min(7)将处理后的光轴浸油处理。

说明书

技术领域

本发明属于光轴加工技术领域，具体而言，涉及一种用于提高 光轴耐蚀性和耐磨性的方法。

背景技术

光轴包括普通光轴，镀铬光轴，镀铬软轴，不锈钢轴，镀铬空 心轴。光轴在使用过程中，会与光轴或非光轴接触,由于摩擦而引 起其表面磨损；由于与四周介质接触时发生化学作用或电化学作用 而引起其表面锈蚀。光轴遭到腐蚀和磨损后,影响设备的传动性能 和精度，严重制约设备的稳定性。因此，人们不断地研究光轴的失 效机理并采取相应的防范措施。

目前，提高光轴性能的方法主要有：采用不锈钢制造光轴，但 价格较高，并且耐磨性不够；或者在光轴表面镀铬，但镀铬一方面 产生重金属铬和镀铬零部件在使用过程中会二次产生重金属铬，铬 被人体吸收后具有致癌和诱发基因突变的危险；另一方面镀铬工艺 本身在性能上也存在一些局限性；再有欧美国家严厉禁止进口我国 镀铬的相关产品。所以，目前在对于提高光轴的性能方面，尤其对 于提高光轴的耐蚀性方面还存在很大的研究空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于提高光轴耐蚀性和耐磨性的方 法。

本发明是这样实现的,用于提高光轴耐蚀性和耐磨性的方法， 包括以下步骤:

(1)将光轴放入空气加热炉，在300-450℃下，预热20-40min；

(2)将预热后的光轴放入氮碳镧离子渗入炉，在550-630℃下 经氮碳镧离子渗剂渗入处理90-150min；

(3)接着放入离子活化炉，在450-550℃下经离子活化渗剂渗 入处理30-90min；

(4)再放入氧离子渗入炉，在370-430℃下经氧离子渗剂渗入 处理15-30min；

(5)将光轴表面的渗剂清洗干净后并干燥处理；

(6)放入盛装离子稳定剂的离子稳定化炉，在120-200℃下进 行离子稳定化处理20-50min；

(7)将处理后的光轴浸油处理。

本发明中，光轴基体表面经氮碳镧离子渗剂处理，氮碳镧离子 渗剂中的离子在光轴基体表面形成预期厚度的渗层，该渗层由金属 元素的氮碳化合物以及氮在铁中的固溶体组成，具有高耐磨和高耐 蚀的特性。之后，经活化离子渗剂进一步渗入并向基体方向扩散， 再次完成扩散以及吸附过程，调整金属元素的氮碳化合物的比例和 增加复合渗层厚度，从而提高光轴基体的抗疲劳性能。最后，通过 氧离子渗剂渗入处理，残留于光轴表面的离子活化渗剂与氧离子渗 剂反应、形成的渗层为一部分氧以间隙形式溶入化合物晶格中，另 一部分氧在表面形成金属氧化层，从而进一步提高光轴的耐蚀性能。 最后通过离子稳定化处理进一步提高渗层的稳定性和致密性。

本发明通过将非金属元素和微量金属元素渗入进光轴基体的表 面中，在光轴基体的表面形成复合化合物层以及金属氧化层，不仅 极大地提高了光轴的耐磨性和耐蚀性，并且对环境没有污染。

本发明所用渗剂中有益活性离子稳定性好，随着所述光轴制备 方法的进行，活性离子浓度的下降呈现一定规律，通过化学分析检 测手段对离子浓度进行分析，能定量调节渗剂中活性离子的浓度， 同时通过改变渗入温度和渗入时间，可有效控制复合渗层中物相的 比例，并得到预期的渗层厚度。

优选地，步骤(1)中，将所述光轴进行预热之前，还包括将所 述光轴的表面清洗干净；

所述光轴在400-450℃下预热30-35min。

优选地，步骤(2)中，所述氮碳镧离子渗剂按重量百分比计， 由以下组分混合制成：

Na₂CO₃10％-15％，K₂CO₃10％-20％，NaCNO55％-65％，CeCO₃l％-3％，Li₂CO₃5％-10％，La₂CO₃0.03-1％；

将预热后的所述光轴经氮碳镧离子渗剂渗入处理的温度为 590-630℃，时间为80-100min。

优选地，步骤(2)中，所述氮碳镧离子渗剂按重量百分比计， 由以下组分混合制成：

Na₂CO₃10％-13％，K₂CO₃13％-18％，NaCNO55％-60％，CeCO₃l％-3％，Li₂CO₃5％-8％，La₂CO₃0.03-0.08％。

优选地，步骤(3)中，所述离子活化渗剂以质量百分比计，由 以下组分混合制成：Na₂S0₄5％-10％，Na₂CO₃10％-20％，K₂CO₃10％ -20％，CO(NH₂)₂30％-45％，K₂SO₃1％-3％，CeCO₃l％-3％， LiOH5％-10％，KCl5％-15％；

所述光轴经离子活化渗剂渗入处理的温度为500-550℃，时间 为80-100min。

优选地，步骤(3)中，所述离子活化渗剂按重量百分比计，由 以下组分混合制成：

Na₂S0₄5％-8％，Na₂CO₃10％-15％，K₂CO₃10％-15％，CO(NH₂)₂35％-40％，K₂SO₃2％-3％，CeCO₃2％-3％，LiOH8％-10％， KCl5％-10％。

优选地，步骤(4)中，所述氧离子渗剂按重量百分比计，由以 下组分混合制成：

Na₂CO₃20％-30％，NaNO₂20％-30％，NaNO₃30％-40％，CeSO₄10％-20％；

所述光轴经氧离子渗剂渗入处理的温度为400-420℃，时间为 20-25min。

优选地，步骤(4)中，所述氧离子渗剂按重量百分比计，由以 下组分混合制成：

Na₂CO₃25％-28％，NaNO₂25％-28％，NaNO₃32％-38％， CeSO₄15％-18％。

优选地，步骤(6)中，所述离子稳定剂按重量百分比计，由以 下组分混合制成：烷烃80-93％、环烷烃5-15％、聚烯烃1-5％、元 明粉0.2-1％。

优选地，步骤(7)中，所述浸油处理具体包括，将所述光轴进 入盛装10-20#机油的油槽，浸油时间3-10min。

附图说明

图1为利用本发明提供的用于提高光轴耐蚀性和耐磨性的方法 制成的黑金光轴的剖面图；

图2为利用本发明提供的用于提高光轴耐蚀性和耐磨性的方法 制成的黑金光轴的截面图；

图3为利用本发明实施例1的提供的用于提高光轴耐蚀性和耐 磨性的方法制成的黑金光轴试样与镀铬试样进行中性盐雾试验对比 图；

图4为镀铬试样和本发明实施例1的提供的试样表现出的耐磨 性能测试对比曲线图；

图5为利用本发明实施例3提供的黑金光轴，将两端用密封剂 密封，光轴放置于垂直方向呈15～30°的效果图；

图6为利用本发明实施例3提供的黑金光轴，500小时连续试 验，光轴连续504小时试验后情况的效果图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子结合附图对本发明做进一步的详细描 述。

本发明提供了一个实施例，详细介绍用于提高光轴耐蚀性和耐 磨性的的渗入方法，包括以下步骤:

(1)将光轴放入空气加热炉，在300-450℃下，预热20-40min；

预热是为了烤干残留在光轴表面的水分，使光轴处理后外观更 一致，不产生表面缺陷，同时预热对元素的渗入也有一定的催化作 用。

将所述光轴进行预热之前，还包括将所述光轴的表面清洗干净；

优选地，所述光轴在空气加热炉中处理的温度为400-450℃， 时间为30-35min。

(2)将预热后的光轴放入氮碳镧离子渗入炉，在550-630℃下 经氮碳镧离子渗剂渗入处理90-150min；

所述氮碳镧离子渗剂按重量百分比计，由以下组分混合制成：

Na₂CO₃10％-15％，K₂CO₃10％-20％，NaCNO55％-65％，CeCO₃l％-3％，Li₂CO₃5％-10％，La₂CO₃0.03-1％；

优选地，所述氮碳镧离子渗剂按重量百分比计，由以下组分混 合制成：

Na₂CO₃10％-13％，K₂CO₃13％-18％，NaCNO55％-60％，CeCO₃l％-3％，Li₂CO₃5％-8％，La₂CO₃0.03-0.08％。

优选地，将预热后的所述光轴经氮碳镧离子渗剂渗入处理的温 度为590-630℃，时间为80-100min。

在氮碳镧离子渗剂中的活性离子分解、扩散以及吸附过程中， 在光轴基体表面形成预期厚度的渗层；该渗层由金属元素的氮碳化 合物以及氮在铁中的固溶体组成，具有高耐磨和高耐蚀的特性。

(3)接着放入离子活化炉，在450-550℃下经离子活化渗剂渗 入处理30-90min；

所述离子活化渗剂以质量百分比计，由以下组分混合制成：

Na₂S0₄5％-10％，Na₂CO₃10％-20％，K₂CO₃10％-20％，CO(NH₂)₂30％-45％，K₂SO₃1％-3％，CeCO₃l％-3％，LiOH5％-10％，KCl5％-15％；

优选地，所述离子活化渗剂按重量百分比计，由以下组分混合 制成：

Na₂S0₄5％-8％，Na₂CO₃10％-15％，K₂CO₃10％-15％，CO(NH₂)₂35％-40％，K₂SO₃2％-3％，CeCO₃2％-3％，LiOH8％-10％， KCl5％-10％。

优选地，所述光轴经离子活化渗剂渗入处理的温度为 500-550℃，时间为80-100min。

吸附于光轴基体表面的活性离子进一步活化并向光轴基体方 向，再次完成扩散以及吸附过程，进一步调整氮碳化合物的比例及 进一步增加渗层的厚度，从而提高光轴抗疲劳的性能。

(4)放入氧离子渗入炉，在370-430℃下经氧离子渗剂渗入处 理15-30min；

所述氧离子渗剂按重量百分比计，由以下组分混合制成：

Na₂CO₃20％-30％，NaNO₂20％-30％，NaNO₃30％-40％，CeSO₄10％-20％；

优选地，所述氧离子渗剂按重量百分比计，由以下组分混合制 成：

Na₂CO₃25％-28％，NaNO₂25％-28％，NaNO₃32％-38％， CeSO₄15％-18％。

优选地，所述光轴经氧离子渗剂渗入处理的温度为400-420℃， 时间为20-25min。

残留于光轴表面的离子活化渗剂与氧离子渗入炉中的渗剂反 应，形成的渗层为一部分氧以间隙形式溶入化合物晶格中，另一部 分氧在表面形成金属氧化层。

(5)将光轴表面的渗剂清洗干净后并干燥处理；

清除光轴表面渗剂时，可以用水清洗干净后烘干或自然风干。

(6)放入盛装离子稳定剂的离子稳定化炉，在120-200℃下进 行离子稳定化20-50min；

所述离子稳定剂按重量百分比计，由以下组分混合制成：烷烃 80-93％、环烷烃5-15％、聚烯烃1-5％、元明粉0.2-1％。

优选地，所述离子稳定剂按重量百分比计，由以下组分混合制 成：烷烃85-90％、环烷烃8-12％、聚烯烃2-4％、元明粉0.5-0.8％。

离子稳定化的过程可以提高复合渗层的稳定性以及渗层的致密 度。

(7)将处理后的光轴浸油处理。

所述浸油处理具体包括，将光轴进入盛装10-20#机油的油槽， 浸油时间3-10min，进一步增加其耐蚀性。

本发明中，采用空气加热炉预热能增强预热效果，采用氮碳镧 离子渗入炉进行渗入处理可以更好的控制温度以及时间，增强渗入 处理的效果，采用离子活化炉以更好的控制离子活化渗入处理的温 度以及时间，采用氧离子渗入炉可以更好的控制氧离子渗入处理的 温度以及时间，使得最终得到的光轴具有更好的防腐性。

本发明实施例提供的用于提高光轴耐蚀性和耐磨性的方法，与 现有技术方法相比，不仅提高光轴的耐蚀性和耐磨性效果显著，性 能稳定，并且不对环境造成污染。

下面通过具体例子详细介绍本发明提供的用于提高光轴耐蚀性 和耐磨性的方法。

实施例1：

对材料为45钢的光轴进行前清洗，清除光轴表面油污和表面锈 迹；将光轴在390℃下预热20min，后经氮碳镧离子渗剂在570℃下 渗入处理120min；其中氮碳镧离子渗剂按重量百分比计包括以下组 分：Na₂CO₃13％，K₂CO₃13％,NaCNO65％，CeCO₃2％，Li₂CO₃6％， La₂CO₃1％；之后再经离子活化渗剂530℃下渗入处理60min；离子 活化渗剂按重量百分比计包括以下组分：Na₂S0₄10％，Na₂CO₃16％， K₂CO₃15％，CO(NH₂)₂45％，K₂SO₃2％，CeCO₃2％，LiOH5％，KCl 5％；最后经氧离子渗剂在400℃下渗入处理30min，氧离子渗剂按 重量百分比计包括以下组分：Na₂CO₃20％，NaNO₂20％，NaNO₃40％， CeSO₄20％；

如图1和图2所示，在光轴的表面上由内至外依次形成复合化 合物层1以及金属氧化层2；清除光轴表面渗剂，用水清洗干净， 烘干；将光轴在170℃下经离子稳定化处理25min；离子稳定剂按 重量百分比包括以下组分：烷烃80％、环烷烃15％、聚烯烃4％、 元明粉1％；经离子稳定化的光轴进入盛装10#机油的油槽，浸油时 间5min。

经过上述方法制备出的黑金光轴中，复合化合物层以及所述金 属氧化层的厚度为19μm，硬度为540Hv。

实施例2：

对材料为GCr15的光轴进行前清洗,清除光轴表面油污和表面 锈迹，将光轴在450℃下预热40min，将预热后的光轴经氮碳镧离 子渗剂在590℃下渗入处理90min；其中氮碳镧离子渗剂按重量百 分比计包括以下组分：Na₂CO₃15％，K₂CO₃15％,NaCNO 60％， CeCO₃3％，Li₂CO₃6.97％，La₂CO₃0.03％；

再经离子活化渗剂550℃下渗入处理90min；离子活化渗剂按 重量百分比计包括以下组分：Na₂SO₄5％，Na₂CO₃20％，K₂CO₃14％， CO(NH₂)₂30％，K₂SO₃3％，CeCO₃3％，LiOH10％，KCl 15％；

之后将光轴经氧离子渗剂430℃下渗入处理30min；氧离子渗 剂按重量百分比计包括以下组分：Na₂CO₃30％，NaNO₂30％， NaNO₃30％，CeSO₄10％；

如图1和图2所示，在光轴的表面上由内至外依次形成复合化 合物层1以及金属氧化层2；清除光轴表面渗剂，用水清洗干净， 自然干；将光轴180℃下经离子稳定化处理20min；离子稳定剂按 重量百分比包括以下组分：烷烃93％、环烷烃5％、聚烯烃1.8％、 元明粉0.2％；经离子稳定化的光轴进入盛装20#机油的油槽，浸油 时间9min。

经过上述方法制备出的黑金光轴，复合化合物层以及所述金属 氧化层的厚度为23μm，硬度为730Hv。

实施例3：

对材料为40MnV的光轴进行前清洗，清除光轴表面油污和表 面锈迹，将光轴在400℃下预热30min；将上述加热后的光轴经氮 碳镧离子渗剂610℃下渗入处理80min；其中氮碳镧离子渗剂按重 量百分比计包括以下组分：Na₂CO₃12％，K₂CO₃20％,NaCNO 57％， CeCO₃3％，Li₂CO₃7.95％，La₂CO₃0.05％；

再将上述步骤处理过的光轴经离子活化渗剂在500℃下渗入处 理100min；离子活化渗剂按重量百分比计包括以下组分：Na₂SO₄8％，Na₂CO₃10％，K₂CO₃20％，CO(NH₂)₂41％，K₂SO₃2％，CeCO₃2％，LiOH 7％，KCl 10％；

再将光轴经氧离子渗剂400℃下渗入处理20min，氧离子渗剂 按重量百分比计包括以下组分：Na₂CO₃25％，NaNO₂25％， NaNO₃32％，CeSO₄18％；

如图1和图2所示，在光轴的表面上由内至外依次形成复合化 合物层1以及金属氧化层2；清除光轴表面渗剂，用水清洗干净， 自然干；将光轴160℃下经离子稳定化处理30min；离子稳定剂按 重量百分比包括以下组分：烷烃93％、环烷烃5％、聚烯烃1％、元 明粉1％；经离子稳定化的光轴进入盛装20#机油的油槽，浸油时间 10min；

经过上述方法制备出的黑金光轴，复合化合物层以及所述金属 氧化层的厚度为31μm，硬度为650Hv。

实施例4：

对材料为304的不锈钢光轴进行前清洗，清除光轴表面油污和 表面锈迹；将光轴420℃下预热32min，预热后的光轴经氮碳镧离 子渗剂580℃下渗入处理100min；其中氮碳镧离子渗剂按重量百分 比计包括以下组分：Na₂CO₃15％，K₂CO₃16％,NaCNO 55％，CeCO₃3％，Li₂CO₃10％，La₂CO₃1％；

将上述步骤处理过的光轴经离子活化渗剂渗入处理，操作温度 为520℃，时间为80min；离子活化渗剂按重量百分比计包括以下 组分：Na₂SO₄7％，Na₂CO₃17％，K₂CO₃17％，CO(NH₂)₂36％，K₂SO3 1％，CeCO₃2％，LiOH 8％，KCl 12％；

再将光轴经氧离子渗剂渗入处理，操作温度为420℃，时间为 25min；氧离子渗剂按重量百分比计包括以下组分：Na₂CO₃28％， NaNO₂25％，NaNO₃32％，CeSO₄15％；如图1和图2所示，在光轴 的表面由内至外依次形成复合化合物层1以及金属氧化层2，

清除光轴表面渗剂，用水清洗干净，自然干；将光轴经离子稳 定化处理，操作温度为150℃，时间为40min；离子稳定剂按重量 百分比包括以下组分：烷烃89％、环烷烃5％、聚烯烃5％、元明粉 1％；经离子稳定化的光轴进入盛装20#机油的油槽，浸油时间8min；

经过上述方法制备出的黑金光轴，复合化合物层以及所述金属 氧化层的厚度为48μm，硬度为1030Hv。

实施例5：

将由45#钢制成的光轴进行前清洗，清除光轴表面油污和表面 锈迹；将光轴370℃下预热35min；将上述加热后的光轴经氮碳镧 离子渗剂渗入处理，操作温度为630℃，时间为90min；其中氮碳 镧离子渗剂按重量百分比计包括以下组分：Na₂CO₃15％，K₂CO₃20％,NaCNO 55％，CeCO₃3％，Li₂CO₃6％，La₂CO₃1％；

将上述步骤处理过的光轴经离子活化渗剂渗入处理，操作温度 为530℃，时间为45min；离子活化渗剂按重量百分比计包括以下 组分：Na₂SO₄6％，Na₂CO₃15％，K₂CO₃17％，CO(NH₂)₂40％，K₂SO₃1％，CeCO₃2％，LiOH 7％，KCl 12％；

再将光轴经氧离子渗剂渗入处理，操作温度为380℃，时间为 30min；氧离子渗剂按重量百分比计包括以下组分：Na₂CO₃25％， NaNO₂25％，NaNO₃35％，CeSO₄15％；

如图1和图2所示，在光轴的表面由内至外依次形成复合化合 物层1以及金属氧化层2，清除光轴表面渗剂，用水清洗干净，自 然干；将光轴经离子稳定化处理，操作温度为140℃，时间为50min； 离子稳定剂按重量百分比包括以下组分：烷烃85％、环烷烃12％、 聚烯烃2.5％、元明粉0.5％；经离子稳定化的光轴进入盛装10#机油 的油槽，浸油时间10min；

经过上述方法制备出的黑金光轴，复合化合物层以及所述金属 氧化层的厚度为43μm，硬度为560Hv。

由上述5个实施例可以看出，通过本发明提供的方法，与现有 技术方法相比，本发明提供的方法是将非金属元素和微量金属元素 渗入到光轴表面，在其表面形成高性能的耐磨防腐层，质量稳定， 在光轴表面形成了一定厚度的防腐耐蚀层，并且也具有很好的硬度， 对环境无污染。

实验例1：

将本发明实施例1的方法制备出的试样与镀铬试样进行滑动磨 损试验和中性盐雾试验对比，其中镀铬试样由山西长治清华机械公 司提供。

中性盐雾试验按GB/T10125相关条款进行实验。试验仪器为 KD60盐雾试验机，试验参数为：试验室温度35℃，压力桶温度47℃， 喷雾压力17psi，试验时间216h；从试验结果可以看到，镀铬试样在 本试验后，锈蚀相当严重；而按本发明实施例1的方法制备出的试 样在216小时以内均未出现锈迹。具体试验效果见图3。

实验例2：

滑动磨损试验按照GB/T12444.1-1990的规定进行。试验仪器为 MM-200型试验机。试验参数为：对磨副材料GCr15圆环，外径 40mm，硬度HRC57；采用失重法测定磨损量，从实验结果可以得 到，在刚开始的两个小时内镀铬试样和本发明实施例1的方法制备 出的试样表现出的耐磨性能大体相同，后四个小时则表现出，镀铬 试样的失重斜率高于本发明实施例1的方法制备出的试样失重斜 率，说明经本发明实施例1的方法制备出的试样的耐磨性高于镀铬 工艺处理的试样。具体试验效果见图4。

实验例3：

分别取用本发明的实施例3的制备方法制备出的黑金光轴进行 中性盐雾试验。

中性盐雾试验按GB/T10125相关条款进行实验。试验仪器为 KD60盐雾试验机，试验参数为：试验室温度35℃，压力桶温度47℃， 喷雾压力17psi，试样为每组4根黑金光轴，光轴两端用密封剂密封， 光轴放置于垂直方向呈15～30°，500小时连续试验，间隔12小时 观察一次，出现第一个绣点时记录时间，取平均值为腐蚀时间；同 时观察光轴连续504小时试验后的腐蚀情况；具体试验效果见下表 1以及图5、图6。

表1

从表1和光轴连续504小时试验后的腐蚀情况可以看出，经过 504小时试验后，四根黑金光轴均未出现生锈，说明本发明的黑金 光轴具有高的抗蚀性。具体效果见图6。

实验例4：

分别取用本发明的实施例5的制备方法制备出的光轴3批次进 行中性盐雾试验。

中性盐雾试验按GB/T10125相关条款进行实验。试验仪器为 KD60盐雾试验机，试验参数为：试验室温度35℃，压力桶温度47℃， 喷雾压力17psi，试样为每组7根黑金光轴，光轴两端用密封剂密封， 试样放置于垂直方向呈15～30°，连续试验，出现第一个绣点时记 录时间，取平均值为腐蚀时间；具体试验结果见表2。

表2：3组黑金光轴中性盐雾试验

序号 试验结果 1 >1000小时 2 >1000小时 3 >1000小时

从表2可以看出，3批次按本发明实施例5的方法制备出的光 轴在1000小时以内均未出现锈点。说明本发明的黑金光轴具有极高 的抗蚀性。

本发明适用所有制造光轴的材质：如35钢、40Cr、35CrMo、 42CrMo、3Cr13、4Cr13、2Cr13、304不锈钢、YF35V、YF35MnV、 YF45V、YF45MnV、YF40MnV、F40V、F40MnV、F40MnB、F35MnVN 各种大小规格的光轴。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。