一种高耐磨梯度纳米结构M50NiL轴承钢及其制备方法技术

本发明专利技术为一种高耐磨梯度纳米结构M50NiL轴承钢及其制备方法。包括如下步骤：(1)预处理；将棒状M50NiL轴承钢在1150

【技术实现步骤摘要】
一种高耐磨梯度纳米结构M50NiL轴承钢及其制备方法


[0001]本专利技术属于轴承钢
，具体涉及一种高耐磨梯度纳米结构M50NiL轴承钢及其制备方法。

技术介绍

[0002]轴承是用于支承轴及轴上零件、保持轴的旋转精度、减少转轴与支承之间的摩擦与磨损并承受由轴传来的力的一种机械零件。作为工业领域重大机械装备的核心支承构件，能起到降低摩擦并保证回转精度作用，被广泛应用于航空航天、舰船、兵器、核动力、交通运输、能源、机械装备等领域，对国民经济和国防安全具有重要的战略意义。因此摩擦学问题在轴承中十分重要。
[0003]M50NiL是第2代轴承钢的代表之一，是一种耐蚀性好、可靠性高、寿命长、可渗碳的高温轴承钢，与市场常用轴承钢材料相比，具有极强的竞争优势，在航空发动机轴承中有广泛应用。但传统提高M50NiL轴承钢性能的方法是渗碳、离子注入、表面织构等表面处理方法，可以在提高轴承钢表面硬度的同时保持芯部韧性，使其满足轴承钢使用条件。如通过表面渗碳技术增加材料表面碳含量，在马氏体基体上生成大量均匀细小的球状碳化物，对材料起到弥散强化作用，使其表面硬度大大提高，显著提高材料的硬度；通过表面织构方法在轴承钢表面加工出细小的凹槽，在凹槽中添加润滑剂来提高材料耐磨性。但这些加工方法如渗碳、离子注入会改变材料内部成分，增加材料成本且不利于相应金属材料的回收利用和可持续发展；或者如表面织构法虽然能通过添加润滑剂来提减少摩擦，但会破坏材料表面的完整性，使材料易被破坏，降低材料使用寿命。
[0004]由于传统M50NiL轴承钢加工方法的局限性，因此在不改变M50NiL轴承钢本身成分的基础上通过调控材料微观结构来优化材料性能，即“材料素化”理念，并保证材料表面的完整性和平滑性是很有必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种在M50NiL轴承钢上形成具有低摩擦系数高耐磨性的梯度纳米结构表层的方法，提高改变其表层微观组织结果来提高其摩擦磨损性能，克服传统方法中M50NiL轴承钢表层成分被改变，表面完整性被破坏的问题。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种高耐磨梯度纳米结构M50NiL轴承钢的制备方法，包括如下步骤：
[0007]步骤(1)：预处理；将棒状M50NiL轴承钢在1150
±
20℃保温80
‑
100min后油淬，淬火后去掉棒料表面附着的氧化皮，然后在550
‑
650℃氩气气氛下退火2
‑
3h，再在500
±
10℃下回火三次，形成平均晶粒尺寸25
‑
45μm的BCC结构的马氏体组织粗晶轴承钢；
[0008]步骤(2)：将步骤(1)得到的M50NiL粗晶棒材通过三爪卡盘固定在SMRT系统的车床上，SMRT系统包括转动系统、进给系统和滚动球形刀具；
[0009]步骤(3)：进行预热，当材料表面温度达到400
‑
600℃时，通过进给系统将刀具压入
转动速度为600
‑
800rpm的材料表面，滚动球形刀具压入材料并与材料作相对速度为5
‑
10mm/min的相对运动，每次压入深度为100
‑
200μm，每次压入相当于加工1道次，试样总加工道次为N＝6
‑
7，使材料表层发生剧烈的高速剪切塑性变形，晶粒细化，形成具有表层纳米晶的梯度纳米结构材料。
[0010]进一步的，滚动球形刀具的材质为WC
‑
Co硬质合金球。
[0011]进一步的，步骤(3)的加工过程中冷却液通过刀头夹具的冷却液槽来防止刀头过热。
[0012]进一步的，滚动球形刀具和工件接触的表面设有压力传感器；
[0013]硬质合金球压入材料表面达到阈值时，传感器反馈信号给控制系统，使刀具保持位置停止压入，防止变形过程中应力过大；
[0014]在材料表面进行充分塑性形变之后，传感器的压力回落时，刀头继续进给，实现下一道次加工。
[0015]一种高耐磨梯度纳米结构M50NiL轴承钢，采用上述的方法制备。
[0016]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[0017]本专利技术克服传统方法中M50NiL轴承钢表层成分被改变，表面完整性被破坏的问题；能获得表面粗糙度小，硬度高的轴承钢材料，显著降低轴承钢摩擦系数和磨损速率。
附图说明
[0018]图1为本专利技术对M50NiL轴承钢回转件进行表面滚压处理(SMRT)的加工系统的示意图。
[0019]图2为图1的局部放大图。
[0020]图3为本专利技术对M50NiL轴承钢回转件进行SMRT处理前后的外貌观察。
[0021]图4为梯度纳米结构M50NiL轴承钢硬度随距表面深度的变化与未经过加工的粗晶硬度的比较。
[0022]图5为粗晶结构M50NiL轴承钢在载荷10N下摩擦系数随滑动时间变化对比。
[0023]图6为梯度纳米结构M50NiL轴承钢在载荷10N下摩擦系数随滑动时间变化对比。
[0024]图7为梯度纳米结构M50NiL轴承钢与粗晶结构M50NiL轴承钢在载荷10N下摩擦30min后磨损率对比。
[0025]图8为M50NiL轴承钢在室温干摩擦条件下摩擦后表面形貌；其中a为粗晶结构M50NiL轴承钢试样，b为梯度纳米结构M50NiL轴承钢试样。图9为本专利技术的棒材加工固定装置局部示意图。图10为球形刀具示意图。
具体实施方式
[0026]下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。
[0027]首先进行预处理，鉴于M50NiL轴承钢的奥氏体化温度为950℃，将M50NiL轴承钢在1150℃保温1.5个小时，为防止淬火过程中棒料发生开裂现象，利用油淬这种相对温和的淬火方式，淬火后去掉棒料表面附着的氧化皮，然后在550
‑
650℃氩气气氛下退火2
‑
3h，再在500℃下回火三次以增加材料的耐磨性，最终形成平均晶粒尺寸25
‑
45μm的BCC结构的马氏
体组织粗晶轴承钢。将M50NiL粗晶棒材通过三爪卡盘固定在车床上，确认棒材固定好后，开启车床，车床运行使棒材发生高速转动,然后进行预热，当材料表面温度达到400
‑
600℃时，通过进给系统将刀具压入高速转动的材料表面,使材料表层发生剧烈的高速剪切塑性变形，晶粒细化，形成具有表层纳米晶的梯度纳米结构材料，其具体过程是自动进给系统控制WC
‑
Co硬质合金球制成的球形刀头压入材料表面，在这个过程中当压力达到一定程度时，传感器会反馈信号给控制系统，使刀具保持位置停止压入，防止变形过程中应力过大。在材料表面进行充分塑性形变之后，传感器的压力回落时，刀头继续进给，实现下一道次加工，在加工过程中，冷却液通过刀头夹具的冷却液槽来防止刀头过热。在完成所有道次加工后，自动控制系统控制刀头离开材料表面，转动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高耐磨梯度纳米结构M50NiL轴承钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：预处理；将棒状M50NiL轴承钢在1150
±
20℃保温80
‑
100min后油淬，淬火后去掉棒料表面附着的氧化皮，然后在550
‑
650℃氩气气氛下退火2
‑
3h，再在500
±
10℃下回火三次，形成平均晶粒尺寸25
‑
45μm的BCC结构的马氏体组织粗晶轴承钢；步骤(2)：将步骤(1)得到的M50NiL粗晶棒材通过三爪卡盘固定在SMRT系统的车床上，SMRT系统包括转动系统、进给系统和滚动球形刀具；步骤(3)：进行预热，当材料表面温度达到400
‑
600℃时，通过进给系统将刀具压入转动速度为600
‑
800rpm的材料表面，滚动球形刀具压入材料并与材料作相对速度为5
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：冯绍君，刘文才，熊晨臣，徐笑笑，陈翔，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：