一種鋼制齒輪的表面復(fù)合處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料表面改性方法，特別是一種鋼制齒輪的表面復(fù)合處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]齒輪是各類機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、飛機(jī)、火車等的傳動(dòng)裝置，為了增加齒輪表面硬度，提高耐磨性，需要對(duì)齒輪進(jìn)行表面處理。常用的傳統(tǒng)技術(shù)主要有滲碳、氮化和表面淬火等。隨著工業(yè)中對(duì)齒輪性能要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的強(qiáng)化技術(shù)在生產(chǎn)成本、效益和提高齒輪性能方面的優(yōu)勢(shì)已漸不明顯。
[0003]隨著技術(shù)的進(jìn)步，在傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)基礎(chǔ)上，又涌現(xiàn)出了一些新型表面強(qiáng)化技術(shù)。如噴丸表面強(qiáng)化、激光表面淬火、先進(jìn)的表面鍍膜技術(shù)、等離子體沉積和表面冶金強(qiáng)化等，這些新技術(shù)拓寬了表面工程的應(yīng)用范圍，使其成為表面防腐、制造新材料、功能材料、復(fù)合材料以及表面裝飾方面等不可缺少的工藝手段。
[0004]專利CN 101665940A公開(kāi)了一種活塞環(huán)表面類金剛石復(fù)合涂層的制備方法，該方法通過(guò)低溫等離子體滲氮技術(shù)和磁過(guò)濾陰極弧一一磁控濺射技術(shù)，在活塞環(huán)表面獲得具有優(yōu)異抗磨損與自潤(rùn)滑性能的氮化/類金剛石復(fù)合涂層。該方法得到的活塞環(huán)具有良好的抗磨與自潤(rùn)滑效果。
[0005]專利CN 203639559U公開(kāi)了一種具有滲鍍復(fù)合表面涂層的鋁壓鑄模具，該方法先采用離子體滲氮在模具的模腔和沖頭表面形成離子滲氮層，再采用磁控濺射技術(shù)在滲氮層表面鍍TiAlN涂層，該方法處理后的模具具有耐高溫、不易磨損等特點(diǎn)，提高了模具抗熱疲勞能力，延長(zhǎng)了模具的使用壽命。
[0006]專利CN 102877070A公開(kāi)了一種鋼制模具的表面復(fù)合處理方法，該方法對(duì)經(jīng)熱處理后的鋼制模具先進(jìn)行噴丸處理，然后通過(guò)離子滲氮技術(shù)在模具表面形成離子滲氮層，最后對(duì)模具表面再進(jìn)行離子鍍膜，采用該方法處理后的鋼制模具具有表面硬度高、耐磨性好、鍍膜結(jié)合度好，解決了現(xiàn)有傳統(tǒng)模具表面在使用早期容易破壞的技術(shù)問(wèn)題。
[0007]專利CN 1392285A公開(kāi)了一種精密葉片熱鍛模具PCVD的等離子體滲鍍復(fù)合強(qiáng)化方法，該方法將熱處理后的葉片模具放入PCVD真空爐內(nèi)進(jìn)行等離子體滲氮，后采用PCVD沉積TiN或TiCN薄膜，采用該方法處理后的模具表面硬度、涂層與基體附著強(qiáng)度顯著提高。
[0008]上述幾種方法分別針對(duì)不同材料首先進(jìn)行了等離子體滲氮、然后再以物理所相沉積或化學(xué)氣相沉積的方法鍍膜的復(fù)合處理，并取得了較好的強(qiáng)化效果。本發(fā)明專利的特點(diǎn)在于對(duì)鋼制齒輪表面的原位、同爐等離子體滲氮、磁控濺射鍍膜的復(fù)合處理。這種方法的成勢(shì)在于I)提高表面強(qiáng)度的同時(shí)，2)實(shí)現(xiàn)了兩中工藝的同爐連續(xù)完成，避免了二次抽真空及二次加熱，縮短了工藝周期，提高了生產(chǎn)效率，3)減少了工件表面二次污染的機(jī)會(huì)，4)降低了生產(chǎn)成本。目前，尚未發(fā)現(xiàn)針對(duì)鋼制齒輪表面的等離子氮化和磁控濺射鍍膜的同爐滲、鍍復(fù)合處理的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種鋼制齒輪的表面復(fù)合處理方法，能夠提高齒輪表面硬度、耐磨性和膜基結(jié)合強(qiáng)度。
[0010]一種鋼制齒輪的表面復(fù)合處理方法，其特征是該方法包括如下步驟:
[0011]一.工件前期處理
[0012]將調(diào)質(zhì)處理后的齒輪精加工齒形，表面除油拋光后浸入丙酮中超聲波清洗，乙醇脫水后烘干，然后放到非平衡磁控濺射鍍膜機(jī)的工件架上；
[0013]二.抽真空及工件預(yù)熱
[0014]啟動(dòng)非平衡磁控濺射設(shè)備的抽真空系統(tǒng)，待真空室本底真空達(dá)到3X 10 3Pa,開(kāi)啟加熱系統(tǒng)將真空室加熱到100°C -300°C，設(shè)定工件架旋轉(zhuǎn)速度為30-100轉(zhuǎn)/分鐘，保溫30-120分鐘，去除真空室內(nèi)殘留氣體；
[0015]三.等離子體清洗
[0016]向真空室通入氬氣，真空室壓強(qiáng)控制在0.5-2.0Pa，打開(kāi)鎢燈絲，燈絲電流10-30A，脈沖偏壓電源對(duì)基體加負(fù)偏壓，脈沖電源參數(shù)為100-300W功率、60KHz頻率、50%占空比，鎢燈絲加直流50-150V偏壓，產(chǎn)生增強(qiáng)等離子體，對(duì)工件進(jìn)行等離子體清洗10-60分鐘；
[0017]四.等離子氮化處理
[0018]真空室升溫到400 0C,通入氮?dú)夂蜌錃?，氮?dú)饬髁繛?0_30sccm，氫氣流量為
20-80sccm，腔體壓強(qiáng)控制在2.0Pa,氮化時(shí)間90-180分鐘，直流偏壓電源在基體上加負(fù)50~100ν 偏壓；
[0019]五.二次等離子體清洗
[0020]關(guān)閉氮?dú)夂蜌錃?，降低溫度?00-350 °C，保溫20_30分鐘，重復(fù)步驟一次；
[0021]六.非平衡磁控濺射制備氮化物涂層
[0022]a.工件二次等離子體清洗后，降低氬氣流量，調(diào)節(jié)真空室壓強(qiáng)在0.2-1.0Pa,開(kāi)啟基體直流偏壓25-150V，開(kāi)啟磁控靶電源；
[0023]b.在工件表面制備金屬過(guò)渡層，靶功率設(shè)定為l_5KW，60KHz頻率及50-80%占空比，鍍膜1-10分鐘;
[0024]c.在金屬過(guò)渡層表面制備金屬梯度過(guò)渡層，開(kāi)啟反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體氮?dú)馔ㄈ肓繛?-30sccm，繼續(xù)鍍膜15-60分鐘；
[0025]d.在金屬梯度過(guò)渡層表面制備氮化物表面層，增加氮?dú)饬髁康?0_50sccm，繼續(xù)鍍膜3-5小時(shí)；
[0026]七.關(guān)閉所有電源及氣體，保持真空冷卻2-3小時(shí)，打開(kāi)真空室，取出復(fù)合處理后的工件。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有同類技術(shù)相比，其顯著的有益效果體現(xiàn)在:本發(fā)明處理的齒輪表面硬度高、耐磨性好和膜基結(jié)合度好，從而延長(zhǎng)了齒輪的使用壽命。比傳統(tǒng)齒輪表面處理工藝加工周期短、表面質(zhì)量好。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0029]實(shí)施例
[0030]一種38CrMoAl鋼制齒輪的表面復(fù)合處理方法，該方法的步驟如下:
[0031]一.工件前期處理
[0032]將經(jīng)840°C淬火，470°C回火的鋼制齒輪(HRC41-45)經(jīng)表面除油拋光后浸入丙酮中超聲波清洗，乙醇脫水后烘干，然后放到非平衡磁控濺射鍍膜機(jī)的工件架上；
[0033]二.抽真空及工件預(yù)熱
[0034]啟動(dòng)非平衡磁控濺射設(shè)備的抽真空系統(tǒng)，待真空室本底真空達(dá)到3X 10 3Pa,開(kāi)啟加熱系統(tǒng)將真空室加熱到300°C，設(shè)定工件架旋轉(zhuǎn)速度為30轉(zhuǎn)/分鐘，保溫120分鐘，去除真空室內(nèi)殘留氣體；
[0035]三.等離子體清洗
[0036]向真空室通入氬氣，真空室壓強(qiáng)控制在0.5-2.0Pa，打開(kāi)鎢燈絲，燈絲電流10-30A，脈沖偏壓電源對(duì)基體加負(fù)偏壓，脈沖電源參數(shù)為100-300W功率、60KHz頻率、50%占空比，鎢燈絲加直流50-150V偏壓，產(chǎn)生增強(qiáng)等離子體，對(duì)工件進(jìn)行等離子體清洗60分鐘；
[0037]四.等離子氮化處理
[0038]真空室升溫到400°C，通入氮?dú)夂蜌錃?，氮?dú)獾牧髁繛?0_30sccm，氫氣的流量為80-20sccm，腔體壓強(qiáng)控制在2.0Pa，氮化時(shí)間120分鐘，直流偏壓電源在基體上加負(fù)80~100ν 偏壓；
[0039]五.二次等離子體清洗
[0040]關(guān)閉氮?dú)夂蜌錃猓档蜏囟鹊?00-350 °C，保溫20_30分鐘，重復(fù)步驟一次；
[0041]六.非平衡磁控濺射制備氮化物涂層
[0042]a.工件二次等離子體清洗后，降低氬氣流量，調(diào)節(jié)真空室壓強(qiáng)在0.4-1.0Pa,開(kāi)啟基體直流偏壓50-100V，開(kāi)啟磁控靶電源；
[0043]b.Ti過(guò)渡層:靶功率5KW，占空比80 %，頻率60KHz，溫度350 °C，腔體壓強(qiáng)0.5-0.7Pa, Ar80sccm，沉積時(shí)間 20min，膜厚在 0.2-0.4um ；
[0044]c.TiN 過(guò)渡層:革El功率 5-10KW，N210_40sccm，Arl50sccm，沉積時(shí)間 40min，膜厚0.6-0.8um ；
[0045]d.TiN 表層:革巴功率 12-4KW，N248sccm，Arl50sccm，沉積時(shí)間 5h，膜厚 5.0um。
[0046]七.關(guān)閉所有電源及氣體，保持真空冷卻2-3小時(shí)，打開(kāi)真空室，取出復(fù)合處理后的工件。
[0047]齒輪的表面處理周期短、硬度高、耐磨性好、膜基結(jié)合強(qiáng)度高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鋼制齒輪的表面復(fù)合處理方法，其特征是該方法包括如下步驟: 一.工件前期處理 將調(diào)質(zhì)處理后的齒輪精加工齒形，表面除油拋光后浸入丙酮中超聲波清洗，乙醇脫水后烘干，然后放到非平衡磁控濺射鍍膜機(jī)的工件架上； 二.抽真空及工件預(yù)熱 啟動(dòng)非平衡磁控濺射設(shè)備的抽真空系統(tǒng)，待真空室本底真空達(dá)到3X 10 3Pa,開(kāi)啟加熱系統(tǒng)將真空室加熱到100°C -300°C，設(shè)定工件架旋轉(zhuǎn)速度為30-100轉(zhuǎn)/分鐘，保溫30-120分鐘，去除真空室內(nèi)殘留氣體； 三.等離子體清洗 向真空室通入氬氣，真空室壓強(qiáng)控制在0.5-2.0Pa，打開(kāi)鎢燈絲，燈絲電流10-30A，脈沖偏壓電源對(duì)基體加負(fù)偏壓，脈沖電源參數(shù)為100-300W功率、60KHz頻率、50%占空比，鎢燈絲加直流50-150V偏壓，產(chǎn)生增強(qiáng)等離子體，對(duì)工件進(jìn)行等離子體清洗10-60分鐘； 四.等離子氮化處理 真空室升溫到400 0C,通入氮?dú)夂蜌錃?，氮?dú)饬髁繛?0_30sccm，氫氣流量為20-80sccm，腔體壓強(qiáng)控制在2.0Pa,氮化時(shí)間90-180分鐘，直流偏壓電源在基體上加負(fù)50~100ν 偏壓； 五.二次等離子體清洗 關(guān)閉氮?dú)夂蜌錃猓档蜏囟鹊?00-350°C，保溫20-30分鐘，重復(fù)步驟一次； 六.非平衡磁控濺射制備氮化物涂層 a.工件二次等離子體清洗后，降低氬氣流量，調(diào)節(jié)真空室壓強(qiáng)在0.2-1.0Pa，開(kāi)啟基體直流偏壓25-150V，開(kāi)啟磁控靶電源； b.在工件表面制備金屬過(guò)渡層，靶功率設(shè)定為l_5KW，60KHz頻率及50-80%占空比，鍍膜1-10分鐘; c.在金屬過(guò)渡層表面制備金屬梯度過(guò)渡層，開(kāi)啟反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體氮?dú)馔ㄈ肓繛?-30sccm，繼續(xù)鍍膜15-60分鐘； d.在金屬梯度過(guò)渡層表面制備氮化物表面層，增加氮?dú)饬髁康?0-50sccm，繼續(xù)鍍膜3-5小時(shí)； 七.關(guān)閉所有電源及氣體，保持真空冷卻2-3小時(shí)，打開(kāi)真空室，取出復(fù)合處理后的工件。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鋼制齒輪的表面復(fù)合處理方法，能夠提高齒輪表面硬度、耐磨性和膜基結(jié)合強(qiáng)度。該方法包括的步驟包括：工件前期處理；抽真空及工件預(yù)熱；等離子體清洗；等離子氮化處理；二次等離子體清洗；非平衡磁控濺射制備氮化物涂層；關(guān)閉所有電源及氣體，保持真空冷卻2-3小時(shí)，打開(kāi)真空室，取出復(fù)合處理后的工件。本發(fā)明處理的齒輪表面硬度高、耐磨性好和膜基結(jié)合度好，從而延長(zhǎng)了齒輪的使用壽命。比傳統(tǒng)齒輪表面處理工藝加工周期短、表面質(zhì)量好。
【IPC分類】C23C14/35, C23C28/04, C23C8/38, C23C14/06
【公開(kāi)號(hào)】CN105132876
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510589262
【發(fā)明人】郭媛媛, 李建偉, 吳川, 孟見(jiàn)成, 吳法宇, 周艷文, 王復(fù)棟
【申請(qǐng)人】遼寧科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年9月15日