一种泵轴及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种栗轴及其制备方法，属于合金材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 栗阀工作的环境多样，恶劣，对材质的要求很高，目前栗阀中的栗轴所用的合金钢 有多种多样，主要以40Cr、20CrMnTi等基础合金，但是仍有很多问题存在，如耐磨性、硬度、 防锈性能、耐腐蚀性能、耐高低温性能、脆性、韧性等，在很多场合还不能满足生产的要求， 还需要进一步改进，以提高生产效率，降低成本，提高安全性，延长栗轴的使用寿命。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是为了提供一种机械性能较好、耐磨损、使用寿命久的栗轴。
[0004] 本发明的上述目的可通过下列技术方案来实现:一种栗轴，所述的栗轴由三维编 织碳纤维合金钢复合材料制成，所述三维编织碳纤维合金钢复合材料由体积百分比含量分 别为2-15%的三维编织碳纤维和85-98%的合金钢组成，所述的合金钢由以下成分（以质量 百分比计）组成：C:0.15-0.20%，Si :0.30-0.40%，Mn:0.44-0.50%，Cr :12.2-13.2%，Ti: 0.03-0. l%，V:0.08-0.15%，Ce:0.10-0.25%，Υ:0·01-0·025%，Ρ< 0.03%，S< 0.03%，余 量为Fe以及不可避免的杂质元素。
[0005] 因碳纤维具有较高的强度、韧性、抗冲击性、耐疲劳性和较好的热点性能，抗拉强 度和拉伸弹性模量远远超过了锡磷青铜合金，碳纤维的加入大幅度提高复合材料的力学性 能，尤其是提高了复合材料承受外力作用的能力，大幅度提高了复合材料的拉伸强度、弯 曲强度、耐热性等。将三维编织碳纤维与合金钢制成复合材料，使复合材料具有优异的整体 受力性能，使用该复合材料制成的栗轴，可以进一步提高栗轴的机械性能和力学性能等，使 用时不易发生变形损坏。同时，碳纤维的低热膨胀性可使栗轴表层金属受热程度降低，从而 减小栗轴的热疲劳倾向性，延长栗轴的使用寿命。另外，碳纤维密度小，减轻了栗轴的重量， 使用更加方便、便捷，且碳纤维的抗化学腐蚀性增强了复合材料的耐用性。
[0006] 在复合材料中若三维编织碳纤维在复合材料中含量过少，起不到较好的增强作 用，但若含量过多，外观变差，表面浮纤较严重，综合性能难以得到有效提高，因此本发明栗 轴的材料以合金钢为主体，添加2-15%的三维编织碳纤维形成综合性能较好的三维编织碳 纤维合金钢复合材料，并用来制成本发明的栗轴，进而提高栗轴的综合性能，尤其是提高栗 轴的热疲劳抗性，进而提高栗轴的工作效率和使用寿命。
[0007] 本发明使用的合金钢中C含量为0.15-0.20%，是一种低碳钢，塑性和韧性较好，淬 透性较高，经热处理后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，所以具有较高的低温冲击韧性 良好的加工性，且加工变形微小，抗疲劳性能相当好。在本发明栗轴使用的合金钢中，若碳 含量过高，会导致钢的心部的韧性下降，所以本发明将C含量为0.15-0.20%，从而保证钢的 心部有足够的塑性和韧性。
[0008] 由于低碳钢的强度和硬度会相对较低，本发明适当增加了 Μη的含量，以提高钢的 强度和硬度。同时，本发明的钢中还同时含有Ti、v两种微量元素，与Μη元素起协同作用，共 同提高钢的强度和硬度。因为，Ti、V三种微量元素不仅可以细化晶粒，还可以得到更高体积 分数的弥散分布析出颗粒，因此，可以同时起到细晶强化和弥散强化的作用。此外，Μη元素 与还与钢中含有的Cr起协同作用，提高钢的淬透性，从而使钢经渗碳淬火后提高钢的心部 的强度和韧性。
[0009]晶界面是位错运动的障碍，因而晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越 多，多晶体的强度就越高。且细化的晶粒在提高多晶体强度的同时，也使其塑性与韧性得以 提高。因为晶粒越细，单位体积内晶粒越多，形变时同样的形变量可分散到更多的晶粒中， 产生较均匀的形变而不会造成局部应力过度集中，引起裂纹的过早萌生与扩展，所以本发 明合金钢中添加的适量元素 V和Ti，起细化晶粒的作用，改善栗轴的力学性能改善。添加 V和 Ti后的合金钢在腐蚀介质中其晶界贫铬区形成倾向大为减小，V和Ti也使碳的扩散速度减 慢，延缓了碳化物的析出和长大，从而使合金钢的应力腐蚀敏感性减小。合金钢的位错密度 大，且在马氏体板条内析出较多更为细小的析出相，因此大大提高了本发明合金钢的抗蠕 变性能。
[0010]另外，由于本发明的钢在后续需要进行热处理，而热处理后钢的组织粗化，力学性 能也会随之下降。因此，针对此问题，本发明钢中添加有稀土元素 Ce和Y，因为，经实验表明， 钢在长时间加热热处理过程中，加稀土元素具有阻止晶粒长大和提高力学性能的作用，且 效果非常显著，钢的弯曲强度，断裂韧性较高。而且，在钢中添加稀土元素，还可以提高钢的 耐磨性，降低磨损量。
[0011] 其中，加入稀土元素 Ce以后，可以细化晶粒、减少碳化物的偏聚和析出，这主要是 由于Ce在钢中形成较高熔点的化合物，在钢液凝固过程中析出，呈细小的质点分布在钢液 中，促进非均质形核，因而可细化钢的凝固组织，减少偏析。同时，稀土Ce会阻碍热处理时奥 氏体晶粒的长大，从而细化最终的组织。但是若加入Ce的量超过0.28%易使合金组织中出 现大量的铁素体组织，影响其性能。未加稀土 Ce时，析出相主要为Cr-Fe化合物，加入稀土 Ce后，析出相主要为Cr-Fe及Ce-Fe化合物，稀土 Ce在本发明的合金钢中主要以化合物的形 式存在。
[0012] 稀土元素 Y对合金钢组织影响主要表现为细化晶粒，改变碳化物形态，减少碳化物 偏聚。
[0013] 作为优选，所述的合金钢由以下成分（以质量百分比计)组成:C:0.16-0.18%，Si: 0.32-0.38% ,Μη： 0.45-0.48% ,Cr ：12.5-13.0% ,Ti :0.05-0.08% , V： 0 . l〇-〇. 14% ,Ce： 0.12-0.22%，Y:0.012-0.022%，P< 0.03%，S< 0.03%，余量为Fe以及不可避免的杂质元 素。
[0014] 在上述栗轴中，所述三维编织碳纤维为碳纤维通过三维五向混编而成，编织角为 20-35度。碳纤维具有优良的可编织性，编织角为20-35度的预制件的稳定性好，制成的复合 材料整体性能较优良。
[0015] 作为优选，所述碳纤维的表面涂覆有一层SiC涂层，SiC涂层的厚度为0.5-1.ομπι。 由于碳纤维和合金钢的模量相差很大，在复合材料的制备过程中，液体金属对碳纤维的润 湿性很差，碳纤维与合金钢的界面是以机械结合为主的物理结合，界面既无扩散也无化学 反应。这种界面结合较弱，其横向剪切强度较小，限制了材料强度的提高。而SiC在与合金钢 熔成的金属液接触时，在碳纤维表面与合金钢中的还原性金属发生反应生成Si，Si与合金 钢中Fe的浸润性大大优于Fe与碳纤维的浸润性，因此本发明在碳纤维的表面涂覆有一层 SiC涂层以增加二者的浸润性，提高了液体金属对碳纤维的浸润和界面的稳定性。
[0016] 作为优选，采用物理溅射法在碳纤维上涂覆SiC，当希望涂层表面粗糙，增加与基 体的润湿性和结合力时，可选用直流溅射。物理溅射法的原理为真空室内带有一定能量的 Ar+粒子轰击阴极靶材-Si C板，从S i C板上轰击出S i C分子，溅射出的带有高能量的S i C分子 沉积在碳纤维上，形成SiC涂层。一般通过化学气相沉积得到的SiC涂层会影响纤维的强度 及拉伸性能，但本发明碳纤维通过物理溅射法后形成厚度为0.5-1. Ομπι的SiC涂层，不但未 降低纤维的强度及拉伸性能，反而可以提高碳纤维的拉伸性能，其原因在于SiC涂层改善了 碳纤维表面的状态，弥补了在制备过程中造成的表面缺陷，从而提高了复合丝的强度，避免 了许多化学气相沉积的不足:如涂覆过程中各种离子对碳纤维的化学侵蚀，少量游离碳或 硅的沉积破坏了 SiC沉积的堆积结构，以及涂覆温度高，造成碳纤维的老化和高的残余应力 等总之，物理溅射法涂覆SiC于碳纤维表面是一种低成本、效果好的涂覆方法。
[0017] 本发明还公开了上述栗轴的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：
[0018] 称取如下质量百分比的原料C:0.15-0.20%，Si :0.30-0.40%，Μη:0.44-0.50%， Cr：12.2-13.2% ,Ti ：0.03-0.1 % ,V：0.08-0.15% ,Ce：0. l〇-〇. 25% ,Y：0.01-0.025% ,P< 0.03%，S<0.03%，余量为Fe以及不可避免的杂质元素，其中以纯铁、纯碳、纯铬、纯锰、纯 硅、纯钇、含钛量为20-60 %的钛铁或纯钛粉加入，含钒量为40 %的钒铁加入，含C