專利名稱：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸，它包括有顯著改進(jìn)性能(如耐久性)的硬氮化層的軸頸部分，且涉及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的制造方法。
通常要求在工業(yè)自動(dòng)裝置以及諸如此類的裝置中用作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)對(duì)裝置的控制位置以高準(zhǔn)確性快速響應(yīng)，還要求其有足夠的耐久性，以經(jīng)受頻繁重復(fù)地啟動(dòng)，停機(jī)和正反轉(zhuǎn)變化的工作。圖4舉例說明了包括這種伺服電動(dòng)機(jī)通用結(jié)構(gòu)的一種直流伺服電動(dòng)機(jī)。該伺服電動(dòng)機(jī)20有帶左、右側(cè)壁的電動(dòng)機(jī)殼21，各側(cè)壁有用以可旋轉(zhuǎn)支撐鋼制轉(zhuǎn)軸22的軸頸部分22a的支承金屬23。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸22帶有電樞24，電樞線圈25，換向器26等。在面對(duì)電樞24處的機(jī)殼21上固定永磁鐵27，轉(zhuǎn)軸22的一端與位置/速度檢測(cè)器30相連，其另一端的輸出部分22b處與減速器29如齒輪相連。為滿足上述要求，有上述結(jié)構(gòu)的伺服電動(dòng)機(jī)20在與支承金屬23相連系的軸頸部分22a處需有高的耐久性。
由此，為改進(jìn)其軸頸部分22a的耐久性，選用各種有高耐久性的鋼材料作為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸22。這就導(dǎo)致了材料成本和重量增加的問題。因此本發(fā)明的一個(gè)目的是在不增加材料成本和重量的情況下，改進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的軸頸部分的耐久性。
為完成上述目的，本發(fā)明的第一要點(diǎn)在于把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸軸頸部分的表面層加工成硬氮化層，本發(fā)明的第二要點(diǎn)在于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的制造方法，其中轉(zhuǎn)軸的軸頸部分保持在氟或含氟化物氣的氣氛中在加熱情況下在軸頸部分的表面上形成氟化層，而后進(jìn)一步保持在氮化物氣體氣氛中在加熱情況下在軸頸部分的表面上形成硬氮化層。
詳細(xì)地說，本發(fā)明的電機(jī)轉(zhuǎn)軸在軸頸部分的表面層構(gòu)成有硬氟化物層，但不是對(duì)整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)軸使用硬材料，由此使電機(jī)轉(zhuǎn)軸有低的成本，不那么重而有極好的耐久性，另外，在根據(jù)本發(fā)明電機(jī)轉(zhuǎn)軸的制造方法中，軸的軸頸部首先保持在氟或含氟化物氣體的氣氛中，在加熱情況下在軸頸部分表面上形成氟化層，進(jìn)一步保持在氮化氣氛中，在加熱情況下從軸頸部分除去形成的氟化層且同時(shí)在除去的部分(軸頸部分的表面層上)形成硬氮化層。在處理過程中，氮化前在軸頸部分的表面上氟化層的形成以凈化且同時(shí)活化軸頸部分的表面，從而在軸頸部分表面上均勻地形成有相當(dāng)深度的氮化層，由此硬的氮化層在厚度上將是均勻而密集的。
其次，本發(fā)明的細(xì)節(jié)在下面將予以說明。
用于本發(fā)明氟化過程的氟和含氟化物氣體是一無活性的氣體，如包括含氟組分(如NF3、BF3、CF4、HF、SF6、F2、NF3)之至少一種的N2對(duì)本目的相應(yīng)的活動(dòng)性和處理性能是最可取和適用的。
根據(jù)本發(fā)明的制造方法的氮化過程，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸(鋼制的，如不銹鋼，且除軸頸部分外涂以公知的抗硬化劑)如上述保持在氟或氟化物氣體氣氛中，在加熱情況下，如250-400℃，當(dāng)使用NF3時(shí)在軸頸部分的表面上生成氟化層，然后氮化或碳氮化，使用一種公知的氮化氣體，如氨。在氟化氣體中的含氟組分，(如NF3)的濃度比如是1000-100000ppm，更好是20000-70000ppm，最好是30000-50000ppm。在氟或含氟化物氣體中的保持時(shí)間可以相應(yīng)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的各種鋼材料，尺寸，加熱溫度或諸如此類的因素加以選定，通常是幾分鐘或好幾十分鐘。
本發(fā)明的加工過程將進(jìn)一步詳述。圖4所示的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸22是鋼制的且除軸頸部分外加以遮蔽，其軸頸部分22a可清掃除油再置于如

圖1所示的熱處理爐1中。加熱爐1是一種坑爐，它包括外殼2，殼中有加熱器3和設(shè)置在加熱器3內(nèi)側(cè)的內(nèi)槽4。氣體引入管5和排氣管6插入在坑爐中、氣體從氣瓶15、16經(jīng)流量計(jì)17、閥18等由氣體引入管導(dǎo)入。坑爐內(nèi)部的氣體由電動(dòng)機(jī)7帶動(dòng)的風(fēng)扇8攪動(dòng)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸22裝在置于爐內(nèi)的金屬容器11中。圖中標(biāo)號(hào)13表示真空泵和14表示有害物質(zhì)的消除裝置。氟或含氟化物的氣體，如NF3和N2的混合氣體，注入爐中且加熱至預(yù)定反應(yīng)溫度。在250-400℃NF3產(chǎn)生活性的氟，以致在軸頸部分22a表面上的有機(jī)和無機(jī)沾染物被清除且所產(chǎn)生的氟同時(shí)與在軸頸部分22a表面上的鐵、鉻質(zhì)或氧化物如FeO、Fe3O2、Cr2O3起反應(yīng)，如下面的化學(xué)式所示，由此在軸頸部分22a表面上形成包括組分如FeF2、FeF3、CrF2、CrF4的非常薄的氟化物層。
該反應(yīng)把在軸頸部分22a表面上的氧化物層轉(zhuǎn)換成氟化物層且除去所在表面上吸附的O2。在溫度低于600℃情況下氟化物層是穩(wěn)定的，當(dāng)不存在氧，氫、水時(shí)使氧化物的形成及金屬基質(zhì)上氧的吸附得以防止。按照氟化過程，爐子材料表面上在開始階段生成氟化物層，所以其后氟化物層防止了由于使用氟或含氟化物氣體對(duì)爐子材料表面損害的可能性。用氟或含氟化物氣體適當(dāng)?shù)靥幚磔S頸部分22a是進(jìn)一步加熱至氮化溫度480-700℃且在這個(gè)階段施加NH3氣體或NH3和含碳組分(如RX氣體)氣體的混合氣體，使上述氟化物層被氫或微量水所減少或破碎，如下面的化學(xué)式所示，由使此活性的金屬質(zhì)形成和露出。
同時(shí)隨著活化了金屬質(zhì)的形成，活性氮原子進(jìn)入金屬并在其中擴(kuò)散，結(jié)果是在金屬質(zhì)表面上形成了包括氮化物如CrN、Fe2N，F(xiàn)e3N，F(xiàn)e4N的固態(tài)化合物層(氮化層)。其次，對(duì)轉(zhuǎn)軸22的上述遮蔽加以適當(dāng)清除。
慣用的氮化處理形成類似于上述的氮化層，但由于從一般室溫升至氮化溫度期間氧化物層的形成或在這時(shí)氧的吸附，在基質(zhì)表面上有較低的活性，以致在基質(zhì)表面上氮原子的吸附程度低且不均勻。實(shí)際上難于保持爐子中NH3分解的均勻程度加劇了上述的不均勻性。按本發(fā)明的制造過程，提供固態(tài)的氮化層消除了上述問題，氮原子在軸頸部分表面上的吸附得以均勻而快速地完成。
這樣制成的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸22，其中它的軸頸部分22a的表面層包括如圖2所示的硬氮化層A，因而有優(yōu)良的耐久性。
圖3所示的伺服電動(dòng)機(jī)20，除用滾珠軸承31表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸支承23外基本上與圖4的電機(jī)相同。在這種情況下，按本發(fā)明氮化處理時(shí)滾珠軸承31(特別是滾動(dòng)件，如滾珠和軸承圈)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸22的軸頸部分22a一起氮化，由此減小了滾珠軸承自身的摩擦阻力且剛性地裝于軸頸部分22a。
除鋼外的金屬材料如鋁，鈦亦可使用作電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸且能得到上述相同的效果。
從上述可以看出，本發(fā)明的電機(jī)轉(zhuǎn)軸在軸頸部分的表面層構(gòu)成硬氮化層而不是就整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)軸使用硬材料，所以能得到低成本，不那么重且有優(yōu)良耐久性的曲軸。
因此，本發(fā)明的曲軸有固態(tài)的氮化層可以減少滑動(dòng)阻力到約1/3，由此能實(shí)現(xiàn)節(jié)省冷卻劑或其它同類的東西。
另外，如上所述，按本發(fā)明的制造方法，氮化處理之前實(shí)施氟化，以把軸頸部分表面上的惰態(tài)表層，如氧化物層，轉(zhuǎn)換為保護(hù)該表面的氟化層。甚至在軸頸部分A氟化物層的形成和氮化處理間有時(shí)間間隔，氟化物保護(hù)且保持軸頸部分表面處于有利的狀況，結(jié)果是防止了在其表面上氧化物層的再組成。在后來的氮化處理中氟化物層被分解和除去，以使軸頸部分表面露出。由于露出的金屬表面被活化，氮化處理中的氮原子容易深深而又均勻地滲透且擴(kuò)展軸頸部分，由此把軸頸部分表面層加工成密集而又均勻的硬氮化層。
圖1是用于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的熱處理爐的斷面示意圖，圖2形成在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的軸頸上的氮化層情況的斷面示意圖。
圖3-4帶有各自電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的電動(dòng)機(jī)的斷面示意圖。
其次，本發(fā)明將涉及一個(gè)實(shí)施例。
由SUS316不銹鋼制的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸(150×φ25mm)的軸頸部分用三氯乙烷加以清洗。清洗過的軸除軸頸部分外的其余部分加以遮蔽，而后置于如圖1的熱處理爐1中，保持在包括5000ppmNF3的氮?dú)怏w氣氛中300℃15分鐘，接著加熱至530℃且把50%NH3+50%N2的混合氣體導(dǎo)入熱處理爐1中，實(shí)施軸的氮化3小時(shí)。而后，軸被空冷且從爐中取出。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸軸頸部分氮化層的厚度為10-70μm，而氮化層的表面硬度為1000-1350Hv且該硬度實(shí)質(zhì)上高于以慣用氮化方法所得到的硬度。
權(quán)利要求
1.一種有軸頸部分的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸，其軸頸部分的表面層制成為硬氮化層。
2.一種制造電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的方法，包括保持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的軸頸部分在氟或含氟化物氣體氣氛中，在加熱情況下以在軸頸部分表面上形成氟化物層，而后進(jìn)一步保持在氮化氣氛中，在加熱情況下以在軸頸部分表面上形成硬氮化層。
全文摘要
按本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸僅在軸頸部分表面上構(gòu)成有硬氮化層，這樣的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與就整個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸使用硬材料的情況相比成本低，不那么重且有優(yōu)良的耐久性。按本發(fā)明制造電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的方法，氮化處理前使用氟化處理以把軸頸部分表面上惰性表層，如氧化層，轉(zhuǎn)換為氟化物層，氟化物層保護(hù)該表面。因此，甚至在軸頸部分表面上氟化形成和氮化處理間有時(shí)間間隔，該氟化物層保護(hù)且保持軸頸部分表面在有利的情況下，結(jié)果是阻止了其表面上氧化層的再形成。
文檔編號(hào)C23C8/24GK1074246SQ9210062
公開日1993年7月14日 申請(qǐng)日期1992年1月6日 優(yōu)先權(quán)日1992年1月6日
發(fā)明者吉野明 申請(qǐng)人:大同酸素株式會(huì)社