一種傳動機械零部件用復(fù)合鍍層鋼帶的生產(chǎn)方法
【專利摘要】一種傳動機械零部件用復(fù)合鍍層鋼帶的生產(chǎn)方法：以DC04熱軋酸洗卷為原料，進行反復(fù)冷軋軋后常規(guī)脫脂；退火；開卷、分條并去除毛刺；在室溫下復(fù)合電鍍Ni?Fe?TiO2合金；物理氣相沉積Al2O3；熱噴涂ZrO2?MgO?CaO?SiO2復(fù)合氧化物；物理氣相沉積MoS2；自然冷至室溫后卷取。本發(fā)明鋼帶Rm為550~600 MPa，延伸率為30~35%，應(yīng)變硬化指數(shù)n為0.42~0.47，塑性應(yīng)變比r為2.7~3.0，表面硬度為1550~1600 HV，摩擦系數(shù)為0.08~0.14，biao 面無裂紋，耐磨性能良好，熱導(dǎo)率為1.2~2.3 W/m?°C，隔熱性能良好；最高使用溫度為430~450 °C，置于400 °C 高溫環(huán)境下2400 h后，其抗拉強度和延伸率沒有明顯變化，耐熱性能良好；在400 °C?0 °C水冷循環(huán)試驗條件下，經(jīng)循環(huán)15~18次，涂層未產(chǎn)生裂紋和脫落，抗熱震性能良好。
【專利說明】
一種傳動機械零部件用復(fù)合鍍層鋼帶的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋼帶的生產(chǎn)方法，具體地屬于一種傳動機械零部件用復(fù)合鍍層鋼 帶的生產(chǎn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳動機械是工業(yè)設(shè)備不可或缺的組成部分，其通過機械方式傳遞動力，使整臺機器產(chǎn) 生運轉(zhuǎn)，主要包括齒輪、鏈條、軸承、活塞、蝸輪、蝸桿等零部件。這些零部件長時間處于高頻 率、高強度的摩擦或嚙合狀態(tài)，持續(xù)的沖擊以及摩擦產(chǎn)生的高熱量，使其很容易產(chǎn)生變形， 磨損率較高。
[0003] 目前，傳動機械零部件主要以高碳高鉻的合金鋼為原料進行生產(chǎn)，通過加入大量 的合金元素，以提高鋼的耐磨性能。但是，這種方式也存在著兩個明顯的不足：由于原料鋼 種添加了大量的合金元素，一方面導(dǎo)致原料成本大幅上升；另一方面也引起原料冶煉、乳 制、熱處理及產(chǎn)品成形的難度明顯加大。某種程度上，這限制了產(chǎn)品的進一步推廣。因此，從 市場角度來看，很有必要對現(xiàn)有原材料進行改進，以提高產(chǎn)品的性價比。
[0004] 近年來，由于材料制備工藝水平的不斷提高，鍍層鋼帶因其成本低、性能好逐漸引 起人們的廣泛關(guān)注，已成為替代合金鋼的重要材料，并獲得廣泛應(yīng)用。相對而言，普通的純 金屬鍍層鋼帶由于質(zhì)地較軟，導(dǎo)電及導(dǎo)熱系數(shù)較高，鋼帶容易迅速升溫，極易出現(xiàn)變形和斷 帶。與之相比，常用的無機陶瓷材料卻有著良好的隔熱、耐熱和耐磨性能，理論上可以用于 生產(chǎn)傳動機械零部件。但是，其也存在一個明顯缺點:脆性大，塑性差，力學(xué)性能不好。顯然， 如果能將無機陶瓷材料通過合適的方式牢固地涂覆在鋼帶表面，有機結(jié)合兩者的優(yōu)點，就 有可能生產(chǎn)出滿足實際需要的鍍層鋼帶。
[0005] 經(jīng)檢索： 中國專利公開號為CN104805484A的文獻，公開了一種Cu-Ni/Ni-Ag雙復(fù)合鍍層極薄鋼 帶的生產(chǎn)方法。該文獻以SPHC熱乳酸洗卷為原料，采用二次冷乳+-次退火+電鍍Cu-Ni+熱 噴涂Ni-Ag +兩次退火的工藝進行生產(chǎn)。所得鋼帶的厚度為0.2~0.3 mm，抗拉強度為330~ 380 MPa，延伸率為34~38%，表面生成了一層均勻致密、附著力強、厚度為7~10 μπι的Cu-Ni/ Ni-Ag雙復(fù)合鍍層，鍍層表面硬度為90~100 HV，粗糙度為0.15~0.30 μπι，鏡面反射率為88~ 95%，電阻率為6.5~8.7 μ Ω _cm，熱導(dǎo)率為6~10 W/cm_°C。產(chǎn)品的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能良好。但 是，該鍍層鋼帶采用貴金屬Ag，對生產(chǎn)常規(guī)的傳動機械零部件而言，其成本和價格更高，更 加難以推廣。此外，該鍍層鋼帶厚度薄、硬度低、耐磨性能差。同時，鋼帶的導(dǎo)熱性能良好，傳 導(dǎo)熱量時會使零部件表面溫度迅速升高，在持續(xù)沖擊的作用下，更容易產(chǎn)生變形，磨損率較 尚。
[0006] 中國專利公開號為CN104988456A的文獻，公開了一種Cu-Sn/Sn-Au雙復(fù)合鍍層極 薄鋼帶的生產(chǎn)方法。該文獻以SPCC冷乳鋼板作為原料，采用一次退火+ -次冷乳+熱噴涂 Cu-Sn+二次退火+熱噴涂Sn-Au+三次退火的工藝進行生產(chǎn)。所得鋼帶的厚度為0.1~0.2 mm， 抗拉強度為300~350 MPa，延伸率為38~45%。表面生成了一層均勻致密、附著力強、厚度為8~ 12 μπι的Cu-Sn/Sn-Au雙復(fù)合鍍層，鍍層呈現(xiàn)光亮的金黃色，表面硬度為100~120 HV，粗糙度 為0.1~0.2 μπι，鏡面反射率為94~99%，在常規(guī)環(huán)境下放置720 d后，鍍層失光率不超過0.5%， 電阻率為14~18 μΩ ·_，熱導(dǎo)率為60~75 W/m.°C，在350~400 °C下保持480 h后，表面氧化 面積不超過〇. 1%，硬度值變化率不超過〇. 3%。雖然產(chǎn)品的表面性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能良 好，但是，該鍍層鋼帶采用貴金屬Au，對生產(chǎn)常規(guī)的傳動機械零部件而言，其成本和價格更 高，更加難以推廣。特別是Au-Sn二元合金是由許多脆硬性的中間相組成，產(chǎn)品的加工成形 性能存在不足。此外，該鍍層鋼帶厚度薄、硬度低、耐磨性能差。同時，鋼帶的導(dǎo)熱性能良好， 傳導(dǎo)熱量時會使零部件表面溫度迅速升高，在持續(xù)沖擊的作用下，更容易產(chǎn)生變形，磨損率 較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種滿足批量生產(chǎn)傳動機械零部件需要、 具有優(yōu)良力學(xué)性能、成型性能、耐磨性能、耐熱性能、隔熱性能的復(fù)合鍍層鋼帶的生產(chǎn)方法。
[0008] 實現(xiàn)上述目的的措施： 一種傳動機械零部件用復(fù)合鍍層鋼帶的生產(chǎn)方法，其步驟： 1) 以普通的DC04熱乳酸洗卷作為原料，進行10~11道次反復(fù)冷乳乳制，控制總壓下率 為95~98%，然后常規(guī)脫脂； 2) 在全氫保護氣氛下進行退火，控制退火溫度為650~690 °C，保溫時間為28~38 min; 3) 開卷、分條并去除毛刺； 4) 在室溫下復(fù)合電鍍Ni-Fe-Ti02合金；電鍍液的組成:NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液、Ti02 固體微粒及重量百分比濃度為3~5%的表面活性劑吐溫-20;所述NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液中， NiS〇4與FeS〇4濃度之比為2.7~3.7:1，電流密度為2.2~3.2 A/dm2，電鍍時間為4~7 min;電鍍 過程中并予以充分攪拌； 5) 進行物理氣相沉積Al2〇3,控制其沉積速率為1.2~1.5 μπι/min，沉積時間為5~10 min； 6) 熱噴涂Zr02-Mg0-Ca0-Si02復(fù)合氧化物，并控制加入的Zr02、Mg0、Ca0及Si0 2的重量 百分比為：Zr〇2:MgO:CaO:Si〇2 =(4~6):1:1: (3~5); 7) 進行物理氣相沉積M〇S2,控制其沉積速率為0.8~0.9 μπι/min，沉積時間為2~4 min; 8) 自然空冷至室溫后卷取。
[0009] 其在于:所述Ti〇2固體微粒平均粒徑為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,其平均粒徑在3.5~4.2 _，噴涂速度在 500~600 m/s，沉積率在0.8~1.1 kg/h。
[0011] 針對現(xiàn)有工藝存在的問題，本發(fā)明通過大量試驗及研究，提出一種新的思路，即采 用普通的DC04熱乳酸洗卷作為原料，采用"復(fù)合電鍍+熱噴涂+二次物理氣相沉積"工藝進行 生產(chǎn)。
[0012] 之所以這樣選擇，是因為： 一是以普通的DC04熱乳酸洗卷作為原料。與其它普通的合金鋼相比，其完全可以保證 鋼帶的力學(xué)性能。由于DC04不含合金元素，因而保證了原料鋼種成本較低。此外，DC04鋼中 C、Mn、Si含量較低，可以保證基材的表面質(zhì)量和涂鍍性能；同時，鋼中較低的P和S含量，可以 保證產(chǎn)品具有良好的沖壓成形及焊接性能。用鋼帶作基材，替代合金鋼，其生產(chǎn)成本會大幅 降低。
[0013] 二是熱乳酸洗卷通過冷乳+退火工序來保證冷乳原料的厚度、力學(xué)性能和表面質(zhì) 量。在這里，通過增加冷乳乳制道次數(shù)和總壓下率，以增強基材表面的光潔度，降低粗糙度， 以有利于后續(xù)的鍍層更加均勻和平整，提高鍍層的穩(wěn)定性。
[0014] 三是退火結(jié)束后，先在鋼基上復(fù)合電鍍Ni-Fe-Ti02層，形成內(nèi)鍍層。與普通的單金 屬或合金電鍍層相比，該復(fù)合層均勻嵌入不溶性固體微粒的復(fù)合鍍層往往具有更好的使用 性能，Ni及其合金尤其如此。本發(fā)明中，以NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液為基礎(chǔ)鍍液，再加入少量 廉價的表面活性劑吐溫-20及Ti0 2固體微粒，通過強烈攪拌，形成均勻的懸浮液。復(fù)合電鍍 Ni-Fe-Ti02層與單純的Ni鍍層相比，Ni-Fe合金與基體結(jié)合牢固，耐蝕性能相當(dāng)，硬度更高。 用廉價的Fe部分替代貴重的Ni，降低了成本。此時，Ni-Fe合金中再均勾嵌入Ti〇2微粒，由于 Ti〇2具有高熔點及高硬度，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，Ni-Fe-Ti02整個復(fù)合鍍層的耐熱和耐磨性能更 好，有利于后續(xù)的物理氣相沉積或熱噴涂工序。因此，Ni-Fe-Ti0 2復(fù)合鍍層適合作為內(nèi)鍍 層。這里，選用電鍍工藝，是因為復(fù)合鍍層容易從水溶液中沉積，操作簡便，成本較低。
[0015]四是電鍍Ni-Fe-Ti02完成后，在鋼帶表面物理氣相沉積一層Al2〇3,作為后續(xù)無機 陶瓷防護層的底層。之所以選用Al2〇3作底層是因為其價格低廉，且具有良好的隔熱效果，可 以有效阻止外部的熱量傳導(dǎo)至鋼帶內(nèi)部，防止后續(xù)熾熱熔融的陶瓷進行涂覆時導(dǎo)致鋼帶產(chǎn) 生變形和斷帶，起到一定的緩沖作用。之所以采用物理氣相沉積工藝，一是Al 2〇3具有電絕緣 性，因而不能通過常規(guī)的電鍍工藝涂覆在鋼帶表面;二是在高速噴涂條件下，高溫熔融狀態(tài) 下的Al 2〇3會嚴重降低鋼帶的表面質(zhì)量，因而也沒有采用常規(guī)的熱噴涂工藝。由于物理氣相 沉積在真空條件下進行，且所需溫度一般不超過400 °C，對鋼帶的損傷較小，從而保證整個 涂層的穩(wěn)定性。
[0016] 五是在物理氣相沉積一層Al2〇3后，再繼續(xù)熱噴涂一層Zr02-Mg0-Ca0-Si0 2無機陶 瓷層。這里，Zr02具有優(yōu)良的絕熱性能，加入MgO和CaO作為穩(wěn)定劑，再結(jié)合Si02，可以進一步 提高涂層的高溫化學(xué)惰性。此外，上述四種氧化物都是價格低廉，適合大范圍推廣。這里，由 于這些氧化物都是電絕緣性，且混合在一起不易分離，因而就沒有采用常規(guī)的電鍍或物理 氣相沉積工藝。只能選擇熱噴涂工藝，將上述四種氧化物按一定比例在高溫下熔融，然后高 速涂覆在鋼帶表面，形成所需的防護層。
[0017] 六是在熱噴涂Zr02-Mg0_Ca0-Si02完成后，再繼續(xù)物理氣相沉積一層M〇S 2,形成外 鍍層。如前所述，傳動裝置的零部件長時間處于高頻率、高強度的摩擦或嚙合狀態(tài)，磨損率 較高。除了提高自身的耐磨性能外，工作時還應(yīng)該增加表面潤滑性，降低摩擦系數(shù)以延長使 用壽命。而Mo&恰好就是一種高性價比的固體潤滑劑，硬度和摩擦系數(shù)較低，特別適用于高 溫、高負載及高速運動下的潤滑。由于Zr0 2等氧化物都具有較強的物理吸附性能，可以將 Mo&固定在中間鍍層的表面，從而提高整個復(fù)合鍍層的穩(wěn)定性。這里，選用物理氣相沉積工 藝，是因為：一是M〇S 2不導(dǎo)電，不能通過電鍍工藝從水溶液中進行沉積。二是其在450 °C以 上就開始出現(xiàn)升華，因而不能使用熱噴涂工藝。
[0018] 與現(xiàn)有普通鋼帶相比，本發(fā)明生產(chǎn)的鋼帶厚度為0.8~0.9 mm，抗拉強度為550~600 MPa，延伸率為30~35%，力學(xué)性能良好；應(yīng)變硬化指數(shù)η為0.42~0.47，塑性應(yīng)變比r為2.7~ 3.0，成形性能良好;表面生成了一層厚度為15~20 pm的Ni-Fe-Ti02/Al2〇3/ Zr02-Mg〇-Ca〇-Si02/MoS2復(fù)合鍍層，表面硬度為1550~1600 HV，摩擦系數(shù)為0.08~0.14，置于常溫常壓環(huán)境 下，經(jīng)反復(fù)擦拭2 X 104次以后，其硬度值變化率不超過0.1%，表面未出現(xiàn)裂紋;置于溫度為 400 °C，外加載荷為100 N的環(huán)境下，經(jīng)反復(fù)擦拭2X104次，鍍層厚度損失率不超過0.5%，表 面未出現(xiàn)裂紋，耐磨性能良好;熱導(dǎo)率為1.2~2.3 W/m_°C，隔熱性能良好;最高使用溫度為 430~450 °C，置于400 °C高溫環(huán)境下2400 h后，其抗拉強度和延伸率沒有明顯變化，耐熱 性能良好;置于400 °C*0 °C水冷循環(huán)試驗條件下，循環(huán)次數(shù)為15~18次，涂層未產(chǎn)生裂紋 和脫落，抗熱震性能良好。產(chǎn)品性能完全滿足批量生產(chǎn)傳動機械零部件的需要。
【具體實施方式】
[0019] 下面對本發(fā)明予以詳細描述： 表1為本發(fā)明各實施例及對比例的冷乳工藝參數(shù)列表； 表2為本發(fā)明各實施例及對比例的制帶工藝參數(shù)列表； 表3為本發(fā)明各實施例及對比例的產(chǎn)品性能列表。
[0020] 本發(fā)明各實施例均按照如下步驟生產(chǎn)： 1) 以普通的DC04熱乳酸洗卷作為原料，進行10~11道次反復(fù)冷乳乳制，控制總壓下率 為95~98%，然后常規(guī)脫脂； 2) 在全氫保護氣氛下進行退火，控制退火溫度為650~690 °C，保溫時間為28~38 min; 3) 開卷、分條并去除毛刺； 4) 在室溫下復(fù)合電鍍Ni-Fe-Ti02合金；電鍍液的組成:NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液、Ti02 固體微粒及重量百分比濃度為3~5%的表面活性劑吐溫-20;所述NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液中， NiS〇4與FeS〇4濃度之比為2.7~3.7:1，電流密度為2.2~3.2 A/dm2，電鍍時間為4~7 min;電鍍 過程中并予以充分攪拌； 5) 進行物理氣相沉積Al2〇3,控制其沉積速率為1.2~1.5 μπι/min，沉積時間為5~10 min； 6) 熱噴涂Zr02-Mg0-Ca0-Si02復(fù)合氧化物，并控制加入的Zr02、Mg0、Ca0及Si0 2的重量 百分比為：Zr〇2:MgO:CaO:Si〇2 =(4~6):1:1: (3~5); 7) 進行物理氣相沉積M〇S2,控制其沉積速率為0.8~0.9 μπι/min，沉積時間為2~4 min; 8) 自然空冷至室溫后卷取。
[0021] 表1本發(fā)明各實施例和對比例的冷乳工藝參數(shù)
表2本發(fā)明各實施例及對比例的制帶工藝參數(shù)
續(xù)表2本發(fā)明各實施例及對比例的制帶工藝參數(shù)



從表3可以看到，本發(fā)明申請的鋼帶，其厚度為0.8~0.9 mm，抗拉強度為550~600 MPa， 延伸率為30~35%，力學(xué)性能良好;應(yīng)變硬化指數(shù)η為0.42~0.47，塑性應(yīng)變比r為2.7~3.0，成 形性能良好;表面生成了一層厚度為15~20 _的Ni-Fe-Ti〇2/Al2〇3/ Zr〇2-Mg〇-Ca〇-Si〇2/ M0S2復(fù)合鍍層，表面硬度為1550~1600 HV，摩擦系數(shù)為0.08~0.14，置于常溫常壓環(huán)境下，經(jīng) 反復(fù)擦拭2X104次以后，其硬度值變化率不超過0.1%，表面未出現(xiàn)裂紋;置于溫度為400 ° C，外加載荷為100 N的環(huán)境下，經(jīng)反復(fù)擦拭2 X 104次，鍍層厚度損失率不超過0.5%，表面未 出現(xiàn)裂紋，耐磨性能良好;熱導(dǎo)率為1.2~2.3 W/m· ° C，隔熱性能良好;最高使用溫度為430~ 450 °C，置于400 °C高溫環(huán)境下2400 h后，其抗拉強度和延伸率沒有明顯變化，耐熱性能 良好;置于400 °〇0 °C水冷循環(huán)試驗條件下，循環(huán)次數(shù)為15~18次，涂層未產(chǎn)生裂紋和脫 落，抗熱震性能良好。產(chǎn)品性能完全滿足批量生產(chǎn)傳動機械零部件的需要。
[0022]上述實施例僅為最佳例舉，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。
【主權(quán)項】
1. 一種傳動機械零部件用復(fù)合鍍層鋼帶的生產(chǎn)方法，其步驟： 1) 以普通的DC04熱乳酸洗卷作為原料，進行10~11道次反復(fù)冷乳乳制，控制總壓下率 為95~98%，然后常規(guī)脫脂； 2) 在全氫保護氣氛下進行退火，控制退火溫度為650~690 °C，保溫時間為28~38 min; 3) 開卷、分條并去除毛刺； 4) 在室溫下復(fù)合電鍍Ni-Fe-TiO2合金；電鍍液的組成:NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液、TiO2固 體微粒及重量百分比濃度為3~5%的表面活性劑吐溫-20;所述NiS〇4+FeS〇4酸性水溶液中， NiS〇4與FeS〇4濃度之比為2.7~3.7:1;電鍍電流密度為2.2~3.2 A/dm2，電鍍時間為4~7 min， 并予以充分攪拌； 5) 物理氣相沉積Al2O3,控制其沉積速率為1.2~1.5 μπι/min，沉積時間為5~10 min; 6) 熱噴涂ZrO2-MgO-CaO-SiO2復(fù)合氧化物，并控制加入的Zr02、Mg0、Ca0及SiO 2的重量百 分比為：Zr〇2:MgO:CaO:Si〇2 =(4~6):1:1: (3~5); 7) 物理氣相沉積MoS2,控制其沉積速率為0.8~0.9 μπι/min，沉積時間為2~4 min; 8) 自然空冷至室溫后卷取。2. 如權(quán)利要求1所述的一種傳動機械零部件用復(fù)合鍍層鋼帶的生產(chǎn)方法，其特征在于： 所述TiO2固體微粒平均粒徑為3~4 μπι，其在電鍍液中的最終濃度為10~15 g/L。3. 如權(quán)利要求1所述的一種傳動機械零部件用復(fù)合鍍層鋼帶的生產(chǎn)方法，其特征在于： 所述加入的ZrO2、MgO、CaO及SiO 2，其平均粒徑為3.5~4.2 μπι，噴涂速度為500~600 m/s，沉積 率為 0.8~1.1 kg/h。
【文檔編號】C23C14/06GK105887145SQ201610253539
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】黃菲, 劉占增, 駱海賀, 李建華, 陳浮, 匡偉, 張兆麗, 余曉靜
【申請人】武漢鋼鐵股份有限公司