CN114875401B - 一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法，属于机械零件技术领域。其技术方案为：液压泵齿轮轴零件毛坯经过淬火、高温回火、粗加工后，采用激光熔覆方法在零件表面制备Mo/C/Fe粘结层和Mo2FeB2/Mo工作层，然后再进行去应力回火、半精加工和精加工。本发明表面改性方法可增强激光熔覆层与基体的附着性能，相比传统镀铬层/基体结合力提高了1倍以上；零件表面硬度达到HV1600以上，比传统热处理硬度提高了2倍，比传统镀铬层硬度提高了1.5‑2倍，零件的耐磨性和耐腐蚀性提高3倍以上，降低工作过程中的摩擦磨损50%以上，延长液压泵齿轮轴的使用寿命3‑4倍，降低液压泵的维护和保养成本70％以上。

Description

一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法
技术领域
本发明涉及机械零件制造技术领域，具体涉及一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法。
背景技术
液压泵是液压传动***的动力元件，其作用是将动力机（如电机和内燃机等）的机械能转换成油液的液压能，并为整个液压***提供动力。随着工业技术的快速发展，液压泵逐渐朝着高压、高速及大流量方向发展。由于液压泵在高速运转同时还要承受高而集中的交变载荷作用，泵内的零件磨损是国产液压泵尤其是高压液压泵的主要损坏形式，因此，提高液压泵零件材料的使用性能是发展高压、高速液压泵的关键技术之一。
由于高压液压泵工况条件极其恶劣，液压泵齿轮轴的主要失效方式是疲劳磨损和冲蚀磨损，为提高高压液压泵齿轮轴的表面综合性能，通常采用降低齿轮轴单位面积应力和提高齿轮轴单位面积强度的途径以提高齿轮轴的抗磨损能力和可靠性。但是，通过增大齿轮轴尺寸来降低齿轮轴表面应力会增加液压泵整体产品的体积和重量，对于整体结构和大小要求严格的液压泵来说可行性比较低；而目前采用最为广泛的表面处理方法是表面镀铬和淬火和低温回火的热处理方法。表面镀铬以提高齿轮轴等零件表面的耐磨性能和耐腐蚀性能，但是目前该方法制备的镀铬层与基体结合性能较差，使用过程中容易出现起皮和鼓包，使用寿命和耐磨性仍无法满足正常使用需求，其有效使用寿命只有1-2年。而淬火和低温回火的热处理方法使得工件表面发生较大变形，无法保证零件的尺寸和形状精度。因此，开发新的制备工艺或方法对延长液压泵的使用寿命具有重要的意义。
由于硼化物陶瓷具备高硬度、耐腐蚀和耐磨损等优异特性，因此有望通过在零件表面制备硼化物陶瓷涂层来提高零件的表面性能和使用效果。
目前制备硼化物涂层的技术主要有喷涂、气相沉积以及激光表面熔敷技术等方法。其中，喷涂是指借助压力或离心力，将涂层材料喷射到工件的表面，该方法制备涂层虽然具有较高的喷涂效率，但是涂层与工件基体的结合力很差，而且涂层的表面非常粗糙，不适合高压高速的恶劣工况条件；物理气相沉积（PV一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法），制备的涂层表面具有极高的硬度、强度，以及良好的热稳定性和耐磨性，而且该制备工艺温度可控制在400 ℃以下，不会导致零件基体组织变化，表面尺寸和形状精度也不受影响。但是，直接在液压泵零件表面制备PV一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法碳化物涂层，会由于基体硬度、弹性模量、热膨胀系数等性能与涂层材料相差较大，无法获得较高结合力的硼化物涂层，使得硼化物涂层过早脱落和失效，因此更加适合硼化物涂层制备的方法有待于进一步研究开发。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法，能够显著提高高压液压泵齿轮轴的表面性能，改善齿轮轴零件的耐磨性能和耐腐蚀性能，有效提高液压泵齿轮轴的使用寿命，延长产品的保养周期和使用寿命，降低液压泵的使用和维护成本。
本发明的技术方案为：一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法，液压泵齿轮轴零件毛坯经过淬火、高温回火、粗加工后，采用激光熔覆方法在零件表面制备Mo/C/Fe粘结层和Mo2FeB2/Mo工作层，然后再进行去应力回火、半精加工和精加工，具体包括如下步骤：
（1）液压泵齿轮轴零件机械加工：齿轮轴零件基体毛坯淬火→高温回火→粗加工；
（2）液压泵齿轮轴零件表面预处理：去除工件表面油污以及氧化膜，漂洗烘干；
（3）熔覆Mo/C/Fe粘结层：通氩气保护气体，流量为13L/min- 16L/min；激光熔覆Mo/C/Fe粘结层，熔覆工艺参数为：激光功率1300-1600W、扫描速度180-210mm/min、激光的光斑直径1.6-2.2mm、搭接率40-45%、熔覆厚度0.2-0.4mm；
（4）熔覆Mo2FeB2/Mo工作层：通氩气保护气体，流量为22L/min- 25L/min；激光熔覆Mo2FeB2/Mo工作层，熔覆工艺参数为：激光功率2300-2600W、扫描速度260-280mm/min、激光的光斑直径2.6-3.2mm、搭接率25-38%、熔覆厚度2-3mm；
（5）后处理：待工件冷却后，进行去应力回火→半精加工→精加工。
优选地，液压泵齿轮轴零件基体材料为35CrMo或42CrMo中碳合金钢中的一种。
优选地，步骤（3）中熔覆Mo/C/Fe粘结层所使用的是Mo、C和Fe复合粉末，粉末颗粒直径为20-50nm，其重量百分比分别是：20-25%、30-35%和40-50%。
优选地，步骤（3）中熔覆Mo/C/Fe粘结层所使用的Mo/C/Fe粉末经球磨机研磨混合时间为100-120min。
优选地，步骤（4）中熔覆Mo2FeB2/Mo工作层所使用的是Mo和Mo2FeB2的复合粉末，所述的Mo2FeB2粉末颗粒直径为50-80nm，Mo粉末颗粒直径为20-50nm，Mo2FeB2和Mo粉末重量百分比分别是：60-70%和30-40%。
优选地，步骤（4）中熔覆Mo2FeB2/Mo工作层所使用的Mo和Mo2FeB2复合粉末经球磨机研磨混合时间为120-150min。
本发明通过激光熔覆方法进行液压泵齿轮轴的表面改性方法，将Mo2FeB2/Mo复合涂层、激光熔覆技术与表面热处理技术相结合，在工件表面通过激光熔覆方法制备一个Mo/C/Fe金属复合粘结层，可以减缓后续工作层与齿轮轴零件基体材料之间的性能差异，改善两者之间的结构和性能上的匹配性能，增大激光熔覆层/基体材料之间的结合性能和工作层的耐冲击性能。熔覆的Mo2FeB2/Mo工作层中，Mo2FeB2硼化物熔覆层具有极高的硬度，优异的耐腐蚀性、化学稳定性和耐摩擦磨损性能，能够提高零件表面的耐磨性能和耐腐蚀性能；而Mo元素的加入起到固溶强化作用，改善了表面熔覆层的摩擦磨损性能，提高激光熔覆层的实际使用性能和效果。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明表面改性方法可增强激光熔覆层与基体的附着性能，相比传统镀铬层/基体结合力（40-50 N）提高了1倍以上；零件表面硬度达到HV1600以上，比传统热处理（淬火+低温回火）硬度（HV500-550）提高了2倍，比传统镀铬层硬度（HV670-750）提高了1.5-2倍，零件的耐磨性和耐腐蚀性提高3倍以上，降低工作过程中的摩擦磨损50%以上，延长液压泵齿轮轴的使用寿命3-4倍，降低液压泵的维护和保养成本70％以上。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的液压泵齿轮轴零件的表面结构示意图。
图2是本发明实施例1制备的液压泵齿轮轴零件表面硬度测试曲线。
图3是本发明实施例1制备的液压泵齿轮轴零件划痕试验的测试曲线。
图中，1、齿轮轴零件基体；2、Mo/C/Fe粘结层；3、Mo2FeB2/Mo工作层。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种液压泵齿轮轴的表面改性方法，液压泵齿轮轴基体材料为35CrMo中碳合金钢。齿轮轴零件毛坯经过淬火、高温回火、粗加工后，采用激光熔覆方法在零件表面制备Mo/C/Fe粘结层和Mo2FeB2/Mo工作层，然后再进行去应力回火、半精加工和精加工。
具体包括如下步骤：
(1) 齿轮轴机械加工：齿轮轴零件基体毛坯→淬火(830-880℃，水冷)→高温回火(520-570℃，油冷)→粗加工(表面粗糙度Ra6.3-12.5μm，加工尺寸：公差下限)；
(2) 零件表面预处理：去除零件表面油污以及氧化膜，加热炉烘干；
(3) 配置 Mo/C/Fe复合粉末：采用Mo、C和Fe的复合粉末，粉末颗粒直径均为25nm，其重量百分比分别是：20%、30%和50%，经球磨机研磨混合时间为110min。
(4) 配置Mo2FeB2/Mo复合粉末：采用Mo2FeB2和Mo的复合粉末，Mo2FeB2粉末颗粒直径为65nm，Mo2FeB2和Mo粉末重量百分比分别是：60%、40%，经球磨机研磨混合时间为120min。
(5) 熔覆Mo/C/Fe粘结层：通氩气保护气体，流量为15L/min；激光熔覆Mo/C/Fe粘结层，熔覆工艺参数为：激光功率1300-1600W、扫描速度200mm/min、激光的光斑直径1.8-2.0mm、搭接率40-42%、熔覆厚度0.2-0.3mm；
(6) 熔覆Mo2FeB2/Mo工作层：通氩气保护气体，流量为22L/min- 25L/min；激光熔覆Mo2FeB2/Mo工作层，熔覆工艺参数为：激光功率2300-2500W、扫描速度260-270mm/min、激光的光斑直径2.6-3.0mm、搭接率25-35%、熔覆厚度2-3mm；
(7) 后处理：待齿轮轴工件冷却后，进行去应力回火(520～570℃，空冷)→车床进行半精加工(表面粗糙度Ra1.6-3.2μm，加工尺寸至公差下限)→磨床进行精加工(表面粗糙度Ra0.8-1.6μm，加工尺寸至公差下限) →齿轮轴表面研磨(表面粗糙度Ra0.4-0.8μm，加工尺寸至公差上限)。
如图1，本实施例制得的液压泵齿轮轴零件具有以下结构：在零件基体1表面由向外依次具有Mo/C/Fe粘结层2、Mo2FeB2/Mo工作层3。
本实施例制得的激光熔覆Mo2FeB2/Mo复合层，表面硬度测试曲线如图2所示（测试设备：FISCHERSCOPE®HM2000S纳米压痕硬度计），测得的表面显微硬度达到HV1650-1720，是传统热处理（淬火+低温回火）工艺的表面硬度(HV500-550)的3倍多，是传统镀铬层硬度（HV670-750）的2倍多；结合力划痕实验测试曲线如图3所示，（测试设备：MFT-4000 多功能材料表面性能试验仪），测得的熔覆层与零件基体的结合强度达到100-120N，比传统镀铬层/基体结合力（40-50 N）提高了1倍多。在相同的摩擦实验条件下(球盘摩擦磨损试验机，往复直线运动，对磨球为表面硬度为15GPa的WC球，加载载荷80N，对摩速度6mm/s，对磨时间30min)，本发明制备的激光熔覆Mo2FeB2/Mo层的磨损率只有1.57-1.74×10-6 mm3/N•m，比传统镀铬零件的磨损率降低了70-80％。
实施例2
本实施例提供了一种液压泵齿轮轴的表面改性方法，液压泵齿轮轴基体材料为42CrMo中碳合金钢。齿轮轴零件基体经过淬火、高温回火、粗加工后，采用激光熔覆的方法在零件表面制备Mo/C/Fe粘结层和Mo2FeB2/Mo工作层，然后再进行去应力回火、半精加工和精加工。
具体包括如下步骤：
(1) 齿轮轴机械加工：齿轮轴零件基体毛坯→淬火(840-920℃，水冷)→高温回火(550-610℃，油冷)→粗加工(表面粗糙度Ra12.5-25μm，加工尺寸：公差下限)；
(2) 零件表面预处理：清理零件表面油污以及氧化膜，加热炉烘干；
(3) 配置 Mo/C/Fe复合粉末：采用Mo、C和Fe的复合粉末，粉末颗粒直径为40nm，其重量百分比分别是：25%、35%和40%，经球磨机研磨混合时间为120min。
(4) 配置Mo2FeB2/Mo复合粉末：采用Mo2FeB2和Mo的复合粉末，Mo2FeB2粉末颗粒直径为80nm，Mo2FeB2和Mo粉末重量百分比分别是：65%、35%，经球磨机研磨混合时间为140min。
(5) 熔覆Mo/C/Fe粘结层：通氩气保护气体，流量为15-16L/min；激光熔覆Mo/C/Fe粘结层，熔覆工艺参数为：激光功率1400-1600W、扫描速度200-210mm/min、激光的光斑直径2.0-2.2mm、搭接率40-45%、熔覆厚度0.3-0.4mm；
(6) 熔覆Mo2FeB2/Mo工作层：通氩气保护气体，流量为22L/min- 25L/min；激光熔覆Mo2FeB2/Mo工作层，熔覆工艺参数为：激光功率2500-2600W、扫描速度270-280mm/min、激光的光斑直径3.0-3.2mm、搭接率30-35%、熔覆厚度2.5-3mm；
(7) 后处理：待齿轮轴工件冷却后，进行去应力回火(510～580℃，空冷)→车床进行半精加工(表面粗糙度Ra1.6-3.2μm，加工尺寸至公差下限)→磨床进行精加工(表面粗糙度Ra0.8-1.6μm，加工尺寸至公差下限) →齿轮轴表面研磨(表面粗糙度Ra0.4-0.8μm，加工尺寸至公差要求范围)。
本实施例制备的Mo2FeB2/Mo激光熔覆层表面显微硬度达到HV1710-1770，表面显微硬度比传统热处理（淬火+低温回火）工艺的表面硬度(HV470-494)增加了2倍多，比传统镀铬层硬度（HV670-740）增加了1倍多；熔覆层与零件基体的结合强度达到100-130N，比传统镀铬层/基体结合力（40-50 N）提高了1.5倍多。熔覆层在重载条件下连续摩擦工作4h（加载载荷80N，对摩速度10mm/s）仍能保持良好工作状态，而传统镀铬零件相同条件下对摩0.5h已经完全磨掉。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法，其特征在于，液压泵齿轮轴零件毛坯经过淬火、高温回火、粗加工后，采用激光熔覆方法在零件表面制备Mo/C/Fe粘结层和Mo2FeB2/Mo工作层，然后再进行去应力回火、半精加工和精加工；
具体包括如下步骤：
（1）液压泵齿轮轴零件机械加工：液压泵齿轮轴零件基体毛坯淬火→高温回火→粗加工；
（2）液压泵齿轮轴零件表面预处理：去除工件表面油污以及氧化膜，漂洗烘干；
（3）熔覆Mo/C/Fe粘结层：通氩气保护气体，流量为13L/min- 16L/min；激光熔覆Mo/C/Fe粘结层，熔覆工艺参数为：激光功率1300-1600W、扫描速度180-210mm/min、激光的光斑直径1.6-2.2mm、搭接率40-45%、熔覆厚度0.2-0.4mm；
（4）熔覆Mo2FeB2/Mo工作层：通氩气保护气体，流量为22L/min-25L/min；激光熔覆Mo2FeB2/Mo工作层，熔覆工艺参数为：激光功率2300-2600W、扫描速度260-280mm/min、激光的光斑直径2.6-3.2mm、搭接率25-38%、熔覆厚度2-3mm；
（5）后处理：待工件冷却后，进行去应力回火→半精加工→精加工；
步骤（3）中熔覆Mo/C/Fe粘结层所使用的是Mo、C和Fe复合粉末，粉末颗粒直径为20-50nm，其重量百分比分别是：20-25%、30-35%和40-50%；
步骤（4）中熔覆Mo2FeB2/Mo工作层所使用的是Mo和Mo2FeB2的复合粉末，所述的Mo2FeB2粉末颗粒直径为50-80nm，Mo粉末颗粒直径为20-50nm，Mo2FeB2和Mo粉末重量百分比分别是：60-70%和30-40%。
2.如权利要求1所述的一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法，其特征在于，液压泵齿轮轴零件基体材料为35CrMo或42CrMo中碳合金钢中的一种。
3.如权利要求1所述的一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法，其特征在于，步骤（3）中熔覆Mo/C/Fe粘结层所使用的Mo/C/Fe粉末经球磨机研磨混合时间为100-120min。
4.如权利要求1所述的一种高压液压泵齿轮轴的表面改性方法，其特征在于，步骤（4）中熔覆Mo2FeB2/Mo工作层所使用的Mo和Mo2FeB2复合粉末经球磨机研磨混合时间为120-150min。
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