谐波减速器刚轮用球墨铸铁及其加工工艺的制作方法

1.本发明涉及球墨铸铁技术领域，尤其涉及一种谐波减速器刚轮用球墨铸铁及其加工工艺。


背景技术：

2.谐波减速器是基于在薄壳弹性变形理论，应用金属挠性和弹性力学原理发展起来的一种新的齿轮传动减速器，具有减速比大、传动效率高、承受载荷大、结构简单、重量小等优点，广泛应用于航空航天、医疗器械、机器人关节等方面。
3.随着机器人行业规模大增，仅2020年机器人产量达23万台，同比增长19.1％，我国对于谐波减速器需求量也逐年大增。但面临国外谐波减速器厂商垄断的局面，我国亟需高精度、高载荷、高寿命的谐波减速器。刚轮为谐波减速器三大核心部件之一，相对于柔轮而言，不会产生弹性变形，从而忽视了对刚轮系统的研究。刚轮材料目前仍为传统的40cr、45钢等材料，淬透性差，存在淬火后变形和组织不均匀的问题。
4.目前谐波减速器的失效形式主要以齿面磨损导致精度下降为主，传统的40cr、45钢等材料耐磨性差，满足不了日益增进的性能需求，极大的限制了国产谐波减速器的发展，因此急需对谐波减速器刚轮用材料进行优化与革新。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种谐波减速器刚轮用球墨铸铁及其加工工艺，同传统刚轮材料40cr、45钢相比具有极高的耐磨性。
6.为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种谐波减速器刚轮用球墨铸铁，由以下重量百分比的成分组成：
[0007][0008]
优选地，所述cu重量百分含量为1.20％～2.60％。
[0009]
优选地，应用于谐波减速器的刚轮。
[0010]
与现有技术相比，本发明提供的谐波减速器刚轮用球墨铸铁具有以下有益效果：
[0011]
本发明提供的谐波减速器刚轮用球墨铸铁，通过添加高含量的cu，促进石墨析出，极大的改善石墨球形态和石墨球尺寸均匀性，细化石墨尺寸；通过cr、ni、mo等合金元素的加入，提高基体强度以及淬透性；通过铸造工艺控制，形成均匀弥散分布、尺寸细小的石墨球，铸态下形成细小片层的珠光体组织，极大提高刚轮的耐磨性和传动效率。尽管等温淬火球墨铸铁的综合性能良好，但珠光体型球墨铸铁不需要额外热处理工艺，无需使用盐浴保温，节约时间与成本，不用考虑刚轮毛坯淬火变形问题。等温淬火球墨铸铁磨损过程中组织转变，加工硬化，会加剧对刚轮啮合的柔轮的磨损，因此珠光体型球磨铸铁刚轮具有良好的实用性。
[0012]
本发明的第二方面提供一种谐波减速器刚轮用球墨铸铁加工工艺，包括以下步骤：
[0013]
s1，以废钢、生铁、回炉料、硅铁、锰铁、钛铁、镍锭、钼铁、增碳剂、脱硫剂、球化剂、孕育剂、回炉料为原料；
[0014]
s2，将上述原料按重量配比加入感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1400～1500℃，待原料全部熔化后保温一定时间，取样检查并对铁水进行成分调整；
[0015]
s3，铁水出炉后，加入铁液重量球化剂进行球化处理，球化处理温度控制在1450～1500℃之间；
[0016]
s4，采用二次孕育的方式，出铁时加入硅铁合金孕育剂，铁水转包时再加入硅锶孕育剂；
[0017]
s5，浇铸，铸件的浇铸温度为1300～1400℃之间。
[0018]
与现有技术相比，本发明提供的谐波减速器刚轮用球墨铸铁加工工艺的有益效果与上述技术方案提供的谐波减速器刚轮用球墨铸铁的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
[0019]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0020]
图1-1为本发明实施例一谐波减速器刚轮用球墨铸铁抛光态组织在100倍光学显微镜下的照片；
[0021]
图1-2为本发明实施例一谐波减速器刚轮用球墨铸铁侵蚀组织在500倍光学显微镜下的照片；
[0022]
图1-3为本发明实施例一谐波减速器刚轮用球墨铸铁侵蚀组织的扫描电镜图；
[0023]
图2-1为本发明实施例二谐波减速器刚轮用球墨铸铁抛光态组织在100倍光学显微镜下的照片；
[0024]
图2-2为本发明实施例二谐波减速器刚轮用球墨铸铁侵蚀组织在500倍光学显微镜下的照片；
[0025]
图2-3为本发明实施例二谐波减速器刚轮用球墨铸铁侵蚀组织的扫描电镜图；
[0026]
图3-1为本发明实施例三谐波减速器刚轮用球墨铸铁抛光态组织在在200倍光学显微镜下的照片；
[0027]
图3-2为本发明实施例三谐波减速器刚轮用球墨铸铁侵蚀组织在500倍光学显微镜下的照片；
[0028]
图3-3为本发明实施例三谐波减速器刚轮用球墨铸铁侵蚀组织的扫描电镜图；
[0029]
图4-1为本发明实施例一谐波减速器刚轮用球墨铸铁的摩擦系数图；
[0030]
图4-2为本发明实施例二谐波减速器刚轮用球墨铸铁的摩擦系数图；
[0031]
图4-3为本发明实施例三谐波减速器刚轮用球墨铸铁的摩擦系数图；
[0032]
图4-4为传统刚轮材料40cr的摩擦系数图；
[0033]
图4-5为传统刚轮材料45钢摩擦系数图；
[0034]
图5-1为本发明实施例一谐波减速器刚轮用球墨铸铁在激光共聚焦显微镜下的磨痕深度图；
[0035]
图5-2为本发明实施例二谐波减速器刚轮用球墨铸铁在激光共聚焦显微镜下的磨痕深度图；
[0036]
图5-3为本发明实施例三谐波减速器刚轮用球墨铸铁在激光共聚焦显微镜下的磨痕深度图；
[0037]
图5-4为传统刚轮材料40cr在激光共聚焦显微镜下的磨痕深度图；
[0038]
图5-5为传统刚轮材料45钢在激光共聚焦显微镜下的磨痕深度图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
[0040]
实施例一
[0041]
本实施例提供一种谐波减速器刚轮用球墨铸铁，由以下重量百分比的成分组成：
[0042][0043]
本实施例提供的谐波减速器刚轮用球墨铸铁，通过添加高含量的cu，促进石墨析出，极大的改善石墨球形态和石墨球尺寸均匀性，细化石墨尺寸；通过cr、ni、mo等合金元素的加入，提高基体强度以及淬透性；通过铸造工艺控制，形成均匀弥散分布、尺寸细小的石墨球，铸态下形成细小片层的珠光体组织，极大提高刚轮的耐磨性和传动效率。尽管等温淬火球墨铸铁的综合性能良好，但珠光体型球墨铸铁不需要额外热处理工艺，无需使用盐浴保温，节约时间与成本，不用考虑刚轮毛坯淬火变形问题。等温淬火球墨铸铁磨损过程中组织转变，加工硬化，会加剧对刚轮啮合的柔轮的磨损，因此珠光体型球磨铸铁刚轮具有良好的实用性。
[0044]
具体实施时，谐波减速器刚轮用球墨铸铁加工工艺包括以下步骤：
[0045]
(1)原料准备：所需原料包括生铁、废钢、增碳剂、脱硫剂、球化剂、孕育剂、回炉料等。
[0046]
(2)配料：将生铁、废钢、增碳剂、脱硫剂等原料按重量配比加入500kg中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1480℃，待原料全部熔化后保温6min，取样检查并对铁水进行成分调整。
[0047]
(3)球化处理：铁水出炉后，加入铁液重量1.3％的稀土镁球化剂，用使用喂丝法进行球化处理，球化处理温度控制在1480℃。
[0048]
(4)孕育处理：采用二次孕育的方式，出铁时加入硅铁合金孕育剂，铁水转包时再加入硅锶孕育剂。
[0049]
(5)浇铸：铸件的浇铸温度为1380℃。
[0050]
通过上述球墨铸铁成分设计以及生产工艺获得的谐波减速器刚轮用球墨铸铁具有高球化率、高圆整度、细小的石墨球和极细珠光体片层间距等特点。请参阅图1-1至图1-3所示，根据国标《gb/t 9441—2009球墨铸铁金相检测》，该球墨铸铁的球化率为96.5％，石墨球化等级为1级，其中v型石墨为3.5％，vi型石墨为93.0％，石墨球平均直径值为12.4μm，等级为8级。该球墨铸铁的珠光体组织占基体组织的90％以上，平均珠光体片层间距为0.19μm。
[0051]
实施例二
[0052]
本实施例提供一种谐波减速器刚轮用球墨铸铁，原料包括以下重量百分含量的成分：c 3.44％，si 2.50％，mn 0.41％，cr 0.02％，ni 0.01％，mo 0.01％，cu 2.63％，mg 0.04％，p 0.019％，s 0.006％，余料为fe。
[0053]
具体实施时，谐波减速器刚轮用球墨铸铁加工工艺包括以下步骤：
[0054]
(1)原料准备：所需原料包括生铁、废钢、增碳剂、脱硫剂、球化剂、孕育剂、回炉料等。
[0055]
(2)配料：将生铁、废钢、增碳剂、脱硫剂等原料按重量配比加入500kg中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1480℃，待原料全部熔化后保温6min，取样检查并对铁水进行成分调整。
[0056]
(3)球化处理：铁水出炉后，加入铁液重量1.3％的稀土镁球化剂，用使用喂丝法进行球化处理，球化处理温度控制在1480℃。
[0057]
(4)孕育处理：采用二次孕育的方式，出铁时加入硅铁合金孕育剂，铁水转包时再加入硅锶孕育剂。
[0058]
(5)浇铸：铸件的浇铸温度为1400℃。
[0059]
请参阅图2-1至图2-3，所示，根据国标《gb/t 9441—2009球墨铸铁金相检测》，实施例2中球化率可达96.7％，球化率评级为1级，其中v型石墨占比18.1％，vi型石墨占比78.6％；石墨球平均直径为28.8μm，大小评级为7级。该球墨铸铁的珠光体组织占基体组织的90％以上，平均珠光体片层间距为0.36μm。
[0060]
实施例三
[0061]
本实施例提供一种谐波减速器刚轮用球墨铸铁，原料包括以下重量百分含量的成分：c 2.34％，si 3.21％，mn 0.25％，cr 0.02％，ni 0.01％，mo 0.01％，cu 1.25％，mg 0.03％，p 0.043％，s 0.014％，余料为fe。
[0062]
具体实施时，谐波减速器刚轮用球墨铸铁加工工艺包括以下步骤：
[0063]
(1)原料准备：所需原料包括生铁、废钢、增碳剂、脱硫剂、球化剂、孕育剂、回炉料
等。
[0064]
(2)配料：将生铁、废钢、增碳剂、脱硫剂等原料按重量配比加入500kg中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1480℃，待原料全部熔化后保温8min，取样检查并对铁水进行成分调整。
[0065]
(3)球化处理：铁水出炉后，加入铁液重量1.3％的稀土镁球化剂，用使用喂丝法进行球化处理，球化处理温度控制在1450℃。
[0066]
(4)孕育处理：采用二次孕育的方式，出铁时加入硅铁合金孕育剂，铁水转包时再加入硅锶孕育剂。
[0067]
(5)浇铸：铸件的浇铸温度为1400℃。
[0068]
请参阅图3-1至图3-3，所示，根据国标《gb/t 9441—2009球墨铸铁金相检测》，实施例三中球化率可达93.6％，球化率评级为2级，其中v型石墨占比为26.2％；vi型石墨占比为67.4％。石墨球平均直径为13.8μm，大小评级为8级。该球墨铸铁的珠光体组织占基体组织的90％以上。
[0069]
性能测试：
[0070]
针对上述三个实施例以及传统刚轮材料40cr、45钢进行室温干摩擦磨损试验。摩擦磨损试验采用umt-2多功能摩擦磨损试验机，施加载荷为5n，频率为1hz，即线速度为30mm/s，实验时间为1.5h。摩擦副为直径10mm的gcr15钢球，硬度约为65hrc。
[0071]
三个实施例与传统刚轮材料的摩擦磨损性能对比如表1所示。
[0072]
表1摩擦磨损试验结果对比
[0073]
样品型号实施例一实施例二实施例三40cr45钢稳态摩擦系数0.670.670.670.780.75平均摩擦系数0.620.610.540.740.72最大磨痕深度/μm3.84.22.87.211.3
[0074]
由表1、图4-1至图4-4、图5-1至图5-4可知，实施例一、二、三的稳态摩擦系数与平均摩擦系数均低于传统刚轮材料40cr与45钢。且最大磨痕深度位于2.8～4.2μm之间，低于40cr材料3.0～4.4μm，低于45钢7.1～8.5μm，具有良好的耐磨性和润滑性能。
[0075]
实施例四
[0076]
本实施例提供一种谐波减速器刚轮用球墨铸铁加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
[0077]
s1，以废钢、生铁、回炉料、硅铁、锰铁、钛铁、镍锭、钼铁、增碳剂、脱硫剂、球化剂、孕育剂、回炉料为原料；
[0078]
s2，将上述原料按重量配比加入感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1400～1500℃，待原料全部熔化后保温一定时间，取样检查并对铁水进行成分调整；
[0079]
s3，铁水出炉后，加入铁液重量球化剂进行球化处理，球化处理温度控制在1450～1500℃之间；
[0080]
s4，采用二次孕育的方式，出铁时加入硅铁合金孕育剂，铁水转包时再加入硅锶孕育剂；
[0081]
s5，浇铸，铸件的浇铸温度为1300～1400℃之间。
[0082]
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种谐波减速器刚轮用球墨铸铁，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：2.根据权利要求1所述的谐波减速器刚轮用球墨铸铁，其特征在于，所述cu重量百分含量为1.20％～2.60％。3.根据权利要求1或2所述的谐波减速器刚轮用球墨铸铁，其特征在于，应用于谐波减速器的刚轮。4.一种谐波减速器刚轮用球墨铸铁加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：s1，以废钢、生铁、回炉料、硅铁、锰铁、钛铁、镍锭、钼铁、增碳剂、脱硫剂、球化剂、孕育剂、回炉料为原料；s2，将上述原料按重量配比加入感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1400～1500℃，待原料全部熔化后保温一定时间，取样检查并对铁水进行成分调整；s3，铁水出炉后，加入铁液重量球化剂进行球化处理，球化处理温度控制在1450～1500℃之间；s4，采用二次孕育的方式，出铁时加入硅铁合金孕育剂，铁水转包时再加入硅锶孕育剂；s5，浇铸，铸件的浇铸温度为1300～1400℃之间。

技术总结
本发明公开一种谐波减速器刚轮用球墨铸铁及其加工工艺，涉及球墨铸铁技术领域。该谐波减速器刚轮用球墨铸铁同传统刚轮材料40Cr、45钢相比具有极高的耐磨性。该谐波减速器刚轮用球墨铸铁由以下重量百分比的成分组成，C：2.10％～3.60％；Si：2.00％～3.50％；Mn：0.20％～0.70％；Cu：≤0.80％～2.80％；Cr：≤0.30％；Ni：≤0.30％；Mo：≤0.30％；Mg：≤0.20％；P≤0.10％；S≤0.10％；Fe为余量。该谐波减速器刚轮用球墨铸铁加工工艺用于加工谐波减速器刚轮用球墨铸铁。波减速器刚轮用球墨铸铁。波减速器刚轮用球墨铸铁。


技术研发人员：穆晓彪 王浩 高明艳
受保护的技术使用者：北京中技克美谐波传动股份有限公司
技术研发日：2022.03.02
技术公布日：2023/9/13