本发明属于机械制造技术领域，涉及一种耐蚀直线轴承钢球及其制备方法。
背景技术：
直线轴承是一种直线运动系统，与圆柱轴配合使用用于直线行程。由于承载球与轴承外套点接触，钢球以最小的摩擦阻力滚动，因此直线轴承具有摩擦小，且比较稳定，不随轴承速度而变化，能获得灵敏度高、精度高的平稳直线运动。
目前普通直线轴承钢球多采用gr15轴承钢制成，但是钢球与轴承套圈为点接触，在使用上与轴接触也是点接触，虽然运行灵活，但承载力较低，在实际使用中能适宜应用在负荷较低的工作面上。负荷较重时会出现阻滞或直线轴的现象，容易造成损坏，降低运行寿命，还会损坏其它部件和整机。而且普通直线轴承不能用在特殊和恶劣环境，特别是在酸性、碱性和高湿度环境使用时，在短时间内轴承钢球内外及钢球产生锈蚀和腐蚀现象。
随着工业的不断发展，对轴承精度、加工方法、承载能力及使用寿命等各种要求的越益提高，传统的轴承钢材料不断经受挑战。因此合适选择或者设计轴承制造材料也变得越为重要。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种耐蚀性能好，强度高、抗冲击性能好的直线轴承钢球。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种耐蚀直线轴承钢球，所述直线轴承钢球包括金属基体和包覆在金属基体的耐蚀层，所述金属基体由合金钢制成，所述合金钢包括以下质量百分比含量的组分：1.28～1.65％c，0.6～1.0％cu，0.4～0.55mn，0.15～0.35si，1.4～1.5％cr，0.8～1.5％bi，0.1～0.3％ni，0.15～0.25％ti，1.3～1.8％ta，10～13％纳米陶瓷，余量为fe。
本发明在直线轴承钢球的金属基体外部设置了一层耐蚀层，起到较好的防腐蚀作用。本发明在现有技术的基础上提高了直线轴承钢球材料合金钢中c的含量，并添加了适量的bi、ti和ta。其中，ti、ta能与c形成tic、tac，可以作为金属结晶时的非自发核心，促进结晶的形成，并且tic具有细化晶粒组织、降低结晶温度的作用，tac具有抗细化衰退作用。而bi具有促进晶核生成、降低共晶组织的生长速度、细化晶核的作用。通过控制tic、tac与bi的比例，可以充分发挥三者的协同作用，获得良好的晶粒细化作用和抗细化衰退作用。但是bi含量过多，容易造成合金钢硬度的降低。另外，bi还可提高合金钢的耐磨性，降低合金钢的磨损量及摩擦表面温度。适量ta还可增加合金钢的韧性，避免了纳米陶瓷含量过多脆性合金钢较大的问题，同时bi的存在还可以降低合金钢的熔炼温度，提高金属熔体的流动性，从而可以使得可以添加较多量的纳米陶瓷。在cu在铁基中有一定的溶解度，具有固溶强化作用，可以提高产品的韧性和强度，但是过多的cu会使合金的凝固区间变宽，容易产生铸造缺陷。适量的ni和fe形成具有弥散强化作用的耐热相，能阻止高温下的位错攀移，提高产品的抗拉强度耐热性能，但是过量的ni会降低合金钢的耐蚀性。本发明在合金钢中添加了较高含量的纳米陶瓷，纳米陶瓷具有较高的强度和硬度和耐蚀性，能有效提高合金钢的强度、硬度、摩擦性能及耐腐蚀性能。适量的陶瓷粉末在合金钢的铸造过程中还可作为异相成核的中心点，提高金属熔体结晶效率，细化晶粒，改善合金钢的微观结构。但是纳米陶瓷的含量过高，会降低金属熔体的流动性，不易浇铸，并且削弱基体中金属颗粒的联结，影响合金钢的成形性和致密化，降低合金钢的力学强度和疲劳性能。纳米陶瓷的纳米结构有助于降低合金钢的浇铸温度，使浇铸更容易进行。
作为优选，所述纳米陶瓷包括以下质量百分比的组分，32～38％纳米aln，20～25％纳米β-sic，余量为纳米beo。
aln、β-sic、beo相容性较好，能在金属液中形成固溶体，随着固溶体的形成，合金钢的显微结构、力学性能和抗氧化性均得到较大程度的改善，从而有效提高钢球的抗蚀性。并且aln、β-sic、beo均具有较高的导热率，能有效保证合金钢的导热率。
作为优选，所述耐蚀层为0.5～3μm厚度的有机疏水涂层。
本发明中的耐蚀层较薄，不会影响金属基体的使用性能，并且有机疏水涂层还轴承钢球表面实现了亲水到疏水的转变，获得了自清洁功能。
本发明的另一目的在于提供一种耐蚀直线轴承钢球的制备方法，所述制备方法包括以下步骤，
s1、按比例准备原材料，将原材料熔炼成熔液，精炼除渣后将熔液浇注到成型模具中，制得生坯，所述成型模具内设置有加和冷却装置；
s2、在成型模具内对生坯进行热处理后得到熟坯；
s3、将熟坯进行清洁处理和干燥后，置于第一修饰液中进行超声波浸渍处理，然后取出干燥，再置于第二修饰液中进行超声波浸渍处理，取出干燥后形成耐蚀层，即得直线轴承钢球。
本发明采用铸造的方式进行直线轴承钢球的制备，简化了制备步骤，提高了钢球尺寸的精确度，并在钢球熟坯制备之后在其表面涂覆一层耐蚀层，有效提高了钢球的抗腐蚀性能。本发明在成型模具内设置加和冷却装置，浇注成型和热处理均在成型模具内进行，减少了工序，降低了劳动强度，同时成型模具能给生坯一定的压力，有助于提高钢球结构的精密度和微观结构的致密化。
作为优选，所述步骤s1中加热和冷却装置可以是设置在成型模具内的加热或冷却管道，管道内通有加热或冷却媒介，所述加热装置还可以是电阻丝。
作为优选，所述步骤s1生坯的制备过程中，将熔液浇注到成型模具中时的浇注温度为1280～1340℃，浇注后在成型模具内温度降至890～950℃时保温2～3h，然后缓慢降温至250～320℃保温2～3h。
本发明在溶液的浇注后于890～950℃保温2～3h有利于晶体的充分生成和应力的释放，从而改善合金钢内部微观结构的，然后缓慢降温至250～320℃保温有利于充分减少合金钢内部应力，从而减少形变。
作为优选，所述步骤s2中热处理的过程为，控制成型模具的加热和冷却装置，先将温度加热至560～620℃，保温2.5～3h，然后降温至400～450℃，保温3～4h，再缓慢降温到室温。
作为优选，所述步骤s3中所述第一修饰液包括以下质量百分比的组分：2.0～2.5％y、1.5～2.0％ce、2.2～3.0％咪唑啉油酸盐、1.3～2.0％乙醇，余量为水。
咪唑啉油酸盐分子中的咪唑环能吸附于金属表面，金属表面形成稳定的保护膜，同时憎水支链能与有机疏水涂层紧密结合，在合金钢金属表面形成一层紧密的疏水涂层，阻碍了腐蚀介质与金属基体的接触，提高了钢球的抗腐蚀性能。而适量的稀土元素y和ce能够提高合金钢金属表面的活性，乙醇的加入有效提高了咪唑啉油酸盐的整体反应活性，从而提高了咪唑啉油酸盐与合金钢金属表面的结合力，提高了有机疏水涂层在金属基体表面的附着力和抗剥离度。另外，稀土元素y和ce的添加还可提高有机疏水涂层抗电化学腐蚀的性能。
作为优选，所述步骤s3中所述第二修饰液包括以下质量百分比的组分，20～25％的糊状pvc，2～5％二甲基乙醇胺，3～5％纳米beo，余量为正己烷。
pvc具有优异的耐水、耐油和耐化学腐蚀性能，少量二甲基乙醇胺的添加有效提高了有机疏水涂层及金属基体的抗电化学腐蚀性，纳米beo的添加在疏水涂层中起到一种强化作用，使整个涂层致密均匀，有效弥补了涂层的孔隙，对腐蚀性离子如氢离子、氯离子有明显的阻滞作用，从而提高疏水涂层的抗蚀性能。并且beo具有较高的热导率，有效提高了疏水涂层的热导性能，防止轴承在高速运转过程中热量的集聚对钢球造成损害。
作为优选，所述步骤s3中超声波搅拌浸渍的超声波功率为400～550w，搅拌速度为350～500rmp，温度为60～80℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明在直线轴承钢球的金属基体表面设置一层具有耐蚀作用的有机疏水涂层，赋予直线轴承钢球较好的抗腐蚀性能和自清洁功能，使得钢球能够应用于较为恶劣的环境，延长了钢球和直线轴承的使用寿命；并合理配伍了金属基体和疏水涂层的组成成分，使得有机疏水涂层与金属基体结合紧密，抗剥离性强，有较强的抗腐蚀性能；优化了钢球的制备方法，减少了制备工艺，提高了钢球的制备精度。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
下面通过具体实施例对本发明中的直线轴承钢球及其制备方法作进一步解释。
实施例1～4
实施例1～4中的耐蚀直线轴承钢球包括金属基体和包覆在金属基体的耐蚀层，金属基体由合金钢制成，合金钢包括以下质量百分比含量的组分：1.28～1.65％c，0.6～1.0％cu，0.4～0.55mn，0.15～0.35si，1.4～1.5％cr，0.8～1.5％bi，0.1～0.3％ni，0.15～0.25％ti，1.3～1.8％ta，10～13％纳米陶瓷，余量为fe。
纳米陶瓷包括以下质量百分比的组分，32～38％纳米aln，20～25％纳米β-sic，余量为纳米beo。
耐蚀层为0.5～3μm厚度的有机疏水涂层。
实施例1～4中金属基体的组成成分如下表所示。
表1：实施例1～4中金属基体的组成成分
实施例1～4中纳米陶瓷的组分和质量百分比及耐蚀层厚度如下表所示，
表2：实施例1～4中纳米陶瓷的组分和质量百分比及耐蚀层厚度
实施例5
本发明中耐蚀直线轴承钢球的制备方法包括以下步骤，
(1)、按实施例3中的合金钢的组分及质量百分比准备原材料，将原材料熔炼成熔液，精炼除渣后将熔液在1280℃下浇注到成型模具中，浇注后在成型模具内温度降至890℃时保温3h，然后缓慢降温至250℃保温3h，制得生坯，成型模具内设置有加和冷却装置，加热装置为设置在成型模具中的电阻丝，冷却装置为设置在成型模具内的冷却管道，管道内通有冷却媒介；
(2)、在成型模具内对生坯进行热处理后得到熟坯，热处理的过程为，控制成型模具的加热和冷却装置，先将温度加热至560℃，保温3h，然后降温至400℃，保温4h，再缓慢降温到室温；
(3)、将熟坯进行清洁处理和干燥后，置于第一修饰液中进行超声波浸渍处理，然后取出干燥，再置于第二修饰液中进行超声波浸渍处理，取出干燥后形成耐蚀层，即得直线轴承钢球，
第一修饰液包括以下质量百分比的组分：2.0％y、1.5％ce、2.2％咪唑啉油酸盐、1.3％乙醇，余量为水，第二修饰液包括以下质量百分比的组分，20％的糊状pvc，2％二甲基乙醇胺，3％纳米beo，余量为正己烷，超声波搅拌浸渍的超声波功率为400w，搅拌速度为350rmp，温度为80℃。
实施例6
本发明中耐蚀直线轴承钢球的制备方法包括以下步骤，
(1)、按实施例3中的合金钢的组分及质量百分比准备原材料，将原材料熔炼成熔液，精炼除渣后将熔液在1320℃下浇注到成型模具中，浇注后在成型模具内温度降至930℃时保温2.5h，然后缓慢降温至300℃保温2.5h，制得生坯，成型模具内设置有加和冷却装置，加热装置为设置在成型模具中的电阻丝，冷却装置为设置在成型模具内的冷却管道，管道内通有冷却媒介；
(2)、在成型模具内对生坯进行热处理后得到熟坯，热处理的过程为，控制成型模具的加热和冷却装置，先将温度加热至600℃，保温3h，然后降温至430℃，保温3.5h，再缓慢降温到室温；
(3)、将熟坯进行清洁处理和干燥后，置于第一修饰液中进行超声波浸渍处理，然后取出干燥，再置于第二修饰液中进行超声波浸渍处理，取出干燥后形成耐蚀层，即得直线轴承钢球，
第一修饰液包括以下质量百分比的组分：2.2％y、1.7％ce、2.5％咪唑啉油酸盐、1.5％乙醇，余量为水，第二修饰液包括以下质量百分比的组分，22％的糊状pvc，3％二甲基乙醇胺，4％纳米beo，余量为正己烷，超声波搅拌浸渍的超声波功率为450w，搅拌速度为400rmp，温度为65℃。
实施例7
本发明中耐蚀直线轴承钢球的制备方法包括以下步骤，
(1)、按实施例3中的合金钢的组分及质量百分比准备原材料，将原材料熔炼成熔液，精炼除渣后将熔液在1300浇注到成型模具中，浇注后在成型模具内温度降至900保温2.5h然后缓慢降温至280℃保温2.5h，制得生坯，成型模具内设置有加和冷却装置，加热装置为设置在成型模具内的电阻丝，冷却装置为设置在成型模具内的冷却管道，管道内通有冷却媒介；
(2)、在成型模具内对生坯进行热处理后得到熟坯，热处理的过程为，控制成型模具的加热和冷却装置，先将温度加热至580℃，保温2.8h，然后降温至400℃，保温4h，再缓慢降温到室温；
(3)、将熟坯进行清洁处理和干燥后，置于第一修饰液中进行超声波浸渍处理，然后取出干燥，再置于第二修饰液中进行超声波浸渍处理，取出干燥后形成耐蚀层，即得直线轴承钢球，
第一修饰液包括以下质量百分比的组分：2.3％y、1.8％ce、2.7％咪唑啉油酸盐、1.8％乙醇，余量为水，第二修饰液包括以下质量百分比的组分，23％的糊状pvc，4％二甲基乙醇胺，4％纳米beo，余量为正己烷，超声波搅拌浸渍的超声波功率为450w，搅拌速度为450rmp，温度为70℃。
实施例8
本发明中耐蚀直线轴承钢球的制备方法包括以下步骤，
(1)、按实施例3中的合金钢的组分及质量百分比准备原材料，将原材料熔炼成熔液，精炼除渣后将熔液在1340℃下浇注到成型模具中，浇注后在成型模具内温度降至950℃时保温2h，然后缓慢降温至320℃保温2h，制得生坯，成型模具内设置有加和冷却装置，加热和冷却装置为设置在成型模具内的加热或冷却管道，管道内通有加热或冷却媒介；
(2)、在成型模具内对生坯进行热处理后得到熟坯，热处理的过程为，控制成型模具的加热和冷却装置，先将温度加热至620℃，保温2.5h，然后降温至450℃，保温3h，再缓慢降温到室温；
(3)、将熟坯进行清洁处理和干燥后，置于第一修饰液中进行超声波浸渍处理，然后取出干燥，再置于第二修饰液中进行超声波浸渍处理，取出干燥后形成耐蚀层，即得直线轴承钢球，
第一修饰液包括以下质量百分比的组分：2.5％y、2.0％ce、3.0％咪唑啉油酸盐、2.0％乙醇，余量为水，第二修饰液包括以下质量百分比的组分，25％的糊状pvc，5％二甲基乙醇胺，5％纳米beo，余量为正己烷，超声波搅拌浸渍的超声波功率为550w，搅拌速度为500rmp，温度为60℃。
实施例9-11
分别按实施例1、2和4中的合金钢的组分及质量百分比准备原材料，按照实施例7中的制备方法进行直线轴承钢球的制备。
对比例1
直线轴承钢球只有金属基体，没有疏水涂层，其他与实施例7相同。
对比例2
直线轴承钢球的金属基体中未添加纳米陶瓷，其他与实施例7相同。
对比例3
普通直线轴承钢球。
将本发明实施例5～11、对比例1～3中直线轴承钢球的性能进行比较，比较结果如下表所示。其中，耐蚀性能采用盐雾试验，试验条件：浓度为50±5g/l氯化钠溶液；ph值为6.5～7.2；盐雾箱内温度为35±2℃；喷雾方式为连续喷雾；时间为480小时。
表3：实施例5～11、对比例1～3中直线轴承钢球的性能
综上所述，本发明通过在直线轴承钢球金属基体表面涂覆作为耐蚀层的有机疏水涂层，合理配伍金属基体和疏水涂层的组成和质量百分比，并通过特定的制备方法制得直线轴承钢球，有效提高了直线轴承钢球的耐蚀性能和力学性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。