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微型步进电机1Cr18Ni9Ti轴承座的深冷处理及工艺优化

2025-05-05 80 上传者：管理员

摘要：研究深冷处理对微型步进电机1Cr18Ni9Ti轴承座的尺寸稳定性和内部组织金相的影响，结果表明，深冷处理后的轴承座尺寸稳定，内部组织为稳定态马氏体，而未做深冷处理的轴承座在低温贮存试验后外形整体变大，变化量按大小排列依次外径为+0.029 mm、内径为+0.012 mm、厚度为+0.01 mm,内部组织也由不稳定态奥氏体转变为马氏体。优化了1Cr18Ni9Ti轴承座新的加工工艺流程，验证了新工艺可行性和适用性。

关键词：
工艺流程
深冷处理
热处理
金属材料
金相组织
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深冷处理(cryogenictreatment)技术是常规热处理的一种延伸,其处理温度在-130℃以下,因此,也称超低温处理｡深冷处理通过固态二氧化碳､液氮､液氧等冷却介质制造远低于室温的温度[1],使金属材料的微观组织结构发生不可逆转变,深冷后的材料在力学性能､耐磨耐腐蚀性､尺寸稳定性等方面明显提高｡

1Cr18Ni9Ti钢是一种高性能的奥氏体不锈钢,具有较高的强度和韧性､良好的耐腐蚀性和焊接性能､优异的耐热性,被广泛应用于化工､医疗､能源等多个领域｡因其具有较好耐晶间腐蚀性,部分微型步进电机的轴承座也采用1Cr18Ni9Ti钢加工,以保证电机在特殊环境下稳定工作｡微型步进电机定子､转子气隙通常在0.02~0.05mm之间,而轴承座的内孔承载轴承,其外圆配合定子,因此,轴承座是保证电机气隙的重要零件｡轴承座的外形尺寸稳定直接影响微型步进电机的性能稳定｡1Cr18Ni9Ti钢在固溶处理后其组织内部仍然为不稳定态奥氏体[2],从而影响轴承座使用时的外形尺寸稳定性,给在特殊环境中工作的电机带来故障隐患,例如近期某公司就出现一例微型步进电机在完成高温､低温循环试验后,轴承座外形尺寸发生变化,转子卡滞在定子内孔里,导致电机无法拆卸的问题｡目前,关于1Cr18Ni9Ti钢尺寸稳定性的研究报道较少,1Cr18Ni9Ti轴承座等零件的加工工艺也有待优化｡

本文拟对某微型步进电机的1Cr18Ni9Ti轴承座进行深冷处理,并与未深冷处理的轴承座在尺寸稳定性､内部组织金相方面进行比较分析,以此探索优化出1Cr18Ni9Ti轴承座新的加工工艺,为1Cr18Ni9Ti钢的零件加工提供借鉴意义｡

1、试验材料和深冷处理

1.1试验材料

本试验选用1Cr18Ni9Ti钢棒料,直径为25mm,化学成分如表1所示｡

表11Cr18Ni9Ti钢的化学成分

1.2深冷处理

深冷处理过程中,低温介质､降温方式､处理温度､冷却速率､保温时间以及回温速率等工艺参数的选定对处理后金属材料的性能至关重要[3]｡本试验深冷处理在SLX-80程序控制深冷箱中进行,用液氮作为制冷介质,可根据设定的工艺曲线实现温度自动控制,从而避免因降温过快对工件产生冷冲击,防止出现材料内部应力集中而导致的脆断风险[4]｡深冷处理工艺如图1所示,升降温速率均为2℃/min｡

对一批试验用1Cr18Ni9Ti钢棒料加工的某微型步进电机轴承座按照上述工艺曲线进行深冷处理,另外一批不做深冷处理,轴承座结构如图2所示｡

2、对比与分析

2.1尺寸稳定性对比分析

依据微型步进电机试验规范,电机及其所有零部件需在高温､低温循环试验中保持性能和尺寸等稳定｡现先取两批轴承座进行高温贮存试验,高温温度为+120℃,保温4h,试验后复测轴承座外形尺寸,统计两批轴承座外形尺寸,取其均值,如表2所示｡再取两批轴承座进行低温贮存试验,低温温度为-60℃,保温4h,试验后复测轴承座外形尺寸,统计两批轴承座外形尺寸,取其均值,如表3所示｡

表2两批轴承座在高温贮存试验前后尺寸变化表

表3两批轴承座在低温贮存试验前后尺寸变化表

分析表2可知,高温贮存试验后两类轴承座外形尺寸均没有变化,其测量设备精度误差0.001｡由表3可知,低温贮存试验后,未做深冷处理的轴承座的外形尺寸均增大,变化量按照大小依次排列:外径△变化量为+0.029mm､内径△变化量为+0.012mm､厚度△变化量为+0.01mm,而深冷处理过的轴承座外形尺寸没有变化｡

2.2内部组织金相对比分析

研究两批轴承座内部组织变化情况,分别对轴承座试验前､高温贮存试验后､低温贮存试验后这三种状态下的内部组织进行分析对比｡

1)试验前两批轴承座金相检测镜像如图3所示｡

2)高温贮存试验后两批轴承座金相检测镜像图3试验前两批轴承座显微组织如图4所示｡

图4高温贮存试验后两批轴承座显微组织

3)低温贮存试验后两批轴承座金相检测镜像如图5所示｡

分析图5可知,未做深冷处理的轴承座内部组织奥氏体在高温状态下组织稳定,在低温温度为-60℃时,内部组织奥氏体逐渐析出大量针状马氏体｡深冷处理的轴承座内部组织为针状马氏体,其在高低温下都保持稳定｡

图5低温贮存试验后两批轴承座显微组织

固态相变热力学奥氏体γ相与铁素体α相吉布斯自由能随温度变化如图6所示[5]｡由图6可知,在低温时,奥氏体转变成更稳定的马氏体的驱动力更大,不稳定的奥氏体会发生马氏体转变,这是深冷处理可以稳定奥氏体不锈钢尺寸稳定性的主要原因｡材料内部区域原子结构由fcc型结构转变成bcc结构,最终引起金属零件在宏观上的膨胀[6-7]｡这种膨胀使得零件外形整体放大,因此,零件的外圆､内孔､厚度等尺寸均变大,但各尺寸因测量基准不一样,从而导致最终测量的变化量不一样｡精加工前对零件进行深冷处理,将不稳定的奥氏体转变成马氏体,使最终加工出的零件尺寸稳定,且能够保证在后续恶劣的环境下使用时,不再发生尺寸变化造成的零件之间卡滞｡

图6γ相与α相吉布斯自由能随温度变化

2.3工艺优化

微型步进电机的轴承座外径增加,其会卡死在定子内孔中;轴承座内径增大,其与轴承外径配合由滑动配合变为间隙配合,会改变定子､转子间的气隙和输出端的径向间隙;轴承座厚度增大,会使电机的轴向间隙减小甚至消失｡因此,微型步进电机的轴承座尺寸稳定非常关键｡1Cr18Ni9Ti轴承座原工艺流程包含粗车､固溶化热处理､精车三个阶段｡此工艺中1Cr18Ni9Ti钢未进行深冷处理,零件内部奥氏体组织不稳定｡现在精车前增加深冷处理,让零件内部不稳定的奥氏体组织,在最终加工成型前转变为稳定态马氏体组织,最后通过精车将各尺寸加工到位｡

优化后的1Cr18Ni9Ti轴承座加工工艺流程依次为粗车､固溶化热处理､半精车､液氮深冷处理和最后精车｡

将按新工艺加工的轴承座装配成的某微型步进电机,进行高温､低温循环试验,在常温4h—高温+120℃/4h—常温4h—低温在-80℃/4h—常温4h,温度变率3℃/min,共6个循环,试验后验证电机性能正常,电机正常拆解为定子､转子､轴承座等零部件｡复测结果显示,各零部件尺寸均稳定不变,证明了新工艺的可行性和适用性｡

3、结语

1)精车前未进行深冷处理的1Cr18Ni9Ti轴承座外径为φ22mm､内径为φ14mm､厚度为4.8mm,经低温贮存试验后,其外形尺寸均增大,变化量按照大小依次排列:外径变化量为+0.028mm､内径变化量为+0.012mm､厚度变化量为+0.01mm｡深冷处理过的轴承座外形尺寸没有变化｡

2)1Cr18Ni9Ti钢增加深冷处理工艺后,组织内部不稳定的奥氏体内出现马氏体板条,高温､低温试验时,零件内部不再发生组织转变,使得钢的尺寸稳定性增强｡

3)优化后的1Cr18Ni9Ti轴承座加工工艺流程依次为粗车､固溶化热处理､半精车､液氮深冷处理和最后精车｡经验证,此新工艺具有可行性和适用性,电机在温度范围-80~+120℃环境内运行稳定可靠｡

参考文献:

[1]丁首斌,黎加强,黄权增.深冷处理在金属材料中的应用与研究进展[J].轻工科技,2024,40(3):81-85.

[2]杨卓越,王建,陈嘉砚.304奥氏体不锈钢热诱发马氏体相变研究[J].材料热处理学报,2008,29(1):98-101.

[3]白璇.冷处理对超级马氏体不锈钢组织和逆变奥氏体的影响[D].昆明:昆明理工大学,2016.

[4]林密,王为周,陆林森,等.深冷处理对1Cr18Ni9Ti不锈钢餐具耐腐蚀性的影响[J].机械制造与自动化,2013,42(6):64-65,75.

[5]郭英奎.金属固态相变教程[M].北京:化工工业出版社:2017:11.

[6]陈勇,陆戴丁,孔韦海.应变强化及深冷对奥氏体不锈钢组织性能的影响[J].材料热处理学报,2015,36(S2):75-80.

[7]王迎春,杨彬,万程,等.冷处理对低碳马氏体不锈钢组织性能的影响[J].北京理工大学学报,2024,45(6):1-6.