一种钢制齿轮的表面复合处理方法

文档序号:9411958阅读:821来源:国知局
一种钢制齿轮的表面复合处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属材料表面改性方法,特别是一种钢制齿轮的表面复合处理方法。
【背景技术】
[0002]齿轮是各类机械传动系统的关键部件,广泛应用于汽车、船舶、飞机、火车等的传动装置,为了增加齿轮表面硬度,提高耐磨性,需要对齿轮进行表面处理。常用的传统技术主要有渗碳、氮化和表面淬火等。随着工业中对齿轮性能要求越来越高,传统的强化技术在生产成本、效益和提高齿轮性能方面的优势已渐不明显。
[0003]随着技术的进步,在传统的表面强化技术基础上,又涌现出了一些新型表面强化技术。如喷丸表面强化、激光表面淬火、先进的表面镀膜技术、等离子体沉积和表面冶金强化等,这些新技术拓宽了表面工程的应用范围,使其成为表面防腐、制造新材料、功能材料、复合材料以及表面装饰方面等不可缺少的工艺手段。
[0004]专利CN 101665940A公开了一种活塞环表面类金刚石复合涂层的制备方法,该方法通过低温等离子体渗氮技术和磁过滤阴极弧一一磁控溅射技术,在活塞环表面获得具有优异抗磨损与自润滑性能的氮化/类金刚石复合涂层。该方法得到的活塞环具有良好的抗磨与自润滑效果。
[0005]专利CN 203639559U公开了一种具有渗镀复合表面涂层的铝压铸模具,该方法先采用离子体渗氮在模具的模腔和冲头表面形成离子渗氮层,再采用磁控溅射技术在渗氮层表面镀TiAlN涂层,该方法处理后的模具具有耐高温、不易磨损等特点,提高了模具抗热疲劳能力,延长了模具的使用寿命。
[0006]专利CN 102877070A公开了一种钢制模具的表面复合处理方法,该方法对经热处理后的钢制模具先进行喷丸处理,然后通过离子渗氮技术在模具表面形成离子渗氮层,最后对模具表面再进行离子镀膜,采用该方法处理后的钢制模具具有表面硬度高、耐磨性好、镀膜结合度好,解决了现有传统模具表面在使用早期容易破坏的技术问题。
[0007]专利CN 1392285A公开了一种精密叶片热锻模具PCVD的等离子体渗镀复合强化方法,该方法将热处理后的叶片模具放入PCVD真空炉内进行等离子体渗氮,后采用PCVD沉积TiN或TiCN薄膜,采用该方法处理后的模具表面硬度、涂层与基体附着强度显著提高。
[0008]上述几种方法分别针对不同材料首先进行了等离子体渗氮、然后再以物理所相沉积或化学气相沉积的方法镀膜的复合处理,并取得了较好的强化效果。本发明专利的特点在于对钢制齿轮表面的原位、同炉等离子体渗氮、磁控溅射镀膜的复合处理。这种方法的成势在于I)提高表面强度的同时,2)实现了两中工艺的同炉连续完成,避免了二次抽真空及二次加热,缩短了工艺周期,提高了生产效率,3)减少了工件表面二次污染的机会,4)降低了生产成本。目前,尚未发现针对钢制齿轮表面的等离子氮化和磁控溅射镀膜的同炉渗、镀复合处理的报道。

【发明内容】

[0009]本发明提供了一种钢制齿轮的表面复合处理方法,能够提高齿轮表面硬度、耐磨性和膜基结合强度。
[0010]一种钢制齿轮的表面复合处理方法,其特征是该方法包括如下步骤:
[0011]一.工件前期处理
[0012]将调质处理后的齿轮精加工齿形,表面除油抛光后浸入丙酮中超声波清洗,乙醇脱水后烘干,然后放到非平衡磁控溅射镀膜机的工件架上;
[0013]二.抽真空及工件预热
[0014]启动非平衡磁控溅射设备的抽真空系统,待真空室本底真空达到3X 10 3Pa,开启加热系统将真空室加热到100°C -300°C,设定工件架旋转速度为30-100转/分钟,保温30-120分钟,去除真空室内残留气体;
[0015]三.等离子体清洗
[0016]向真空室通入氩气,真空室压强控制在0.5-2.0Pa,打开钨灯丝,灯丝电流10-30A,脉冲偏压电源对基体加负偏压,脉冲电源参数为100-300W功率、60KHz频率、50%占空比,钨灯丝加直流50-150V偏压,产生增强等离子体,对工件进行等离子体清洗10-60分钟;
[0017]四.等离子氮化处理
[0018]真空室升温到400 0C,通入氮气和氢气,氮气流量为70_30sccm,氢气流量为
20-80sccm,腔体压强控制在2.0Pa,氮化时间90-180分钟,直流偏压电源在基体上加负50~100ν 偏压;
[0019]五.二次等离子体清洗
[0020]关闭氮气和氢气,降低温度到300-350 °C,保温20_30分钟,重复步骤一次;
[0021]六.非平衡磁控溅射制备氮化物涂层
[0022]a.工件二次等离子体清洗后,降低氩气流量,调节真空室压强在0.2-1.0Pa,开启基体直流偏压25-150V,开启磁控靶电源;
[0023]b.在工件表面制备金属过渡层,靶功率设定为l_5KW,60KHz频率及50-80%占空比,镀膜1-10分钟;
[0024]c.在金属过渡层表面制备金属梯度过渡层,开启反应气体,反应气体氮气通入量为5-30sccm,继续镀膜15-60分钟;
[0025]d.在金属梯度过渡层表面制备氮化物表面层,增加氮气流量到10_50sccm,继续镀膜3-5小时;
[0026]七.关闭所有电源及气体,保持真空冷却2-3小时,打开真空室,取出复合处理后的工件。
[0027]本发明与现有同类技术相比,其显著的有益效果体现在:本发明处理的齿轮表面硬度高、耐磨性好和膜基结合度好,从而延长了齿轮的使用寿命。比传统齿轮表面处理工艺加工周期短、表面质量好。
【具体实施方式】
[0028]下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0029]实施例
[0030]一种38CrMoAl钢制齿轮的表面复合处理方法,该方法的步骤如下:
[0031]一.工件前期处理
[0032]将经840°C淬火,470°C回火的钢制齿轮(HRC41-45)经表面除油抛光后浸入丙酮中超声波清洗,乙醇脱水后烘干,然后放到非平衡磁控溅射镀膜机的工件架上;
[0033]二.抽真空及工件预热
[0034]启动非平衡磁控溅射设备的抽真空系统,待真空室本底真空达到3X 10 3Pa,开启加热系统将真空室加热到300°C,设定工件架旋转速度为30转/分钟,保温120分钟,去除真空室内残留气体;
[0035]三.等离子体清洗
[0036]向真空室通入氩气,真空室压强控制在0.5-2.0Pa,打开钨灯丝,灯丝电流10-30A,脉冲偏压电源对基体加负偏压,脉冲电源参数为100-300W功率、60KHz频率、50%占空比,钨灯丝加直流50-150V偏压,产生增强等离子体,对工件进行等离子体清洗60分钟;
[0037]四.等离子氮化处理
[0038]真空室升温到400°C,通入氮气和氢气,氮气的流量为70_30sccm,氢气的流量为80-20sccm,腔体压强控制在2.0Pa,氮化时间120分钟,直流偏压电源在基体上加负80~100ν 偏压;
[0039]五.二次等离子体清洗
[0040]关闭氮气和氢气,降低温度到300-350 °C,保温20_30分钟,重复步骤一次;
[0041]六.非平衡磁控溅射制备氮化物涂层
[0042]a.工件二次等离子体清洗后,降低氩气流量,调节真空室压强在0.4-1.0Pa,开启基体直流偏压50-100V,开启磁控靶电源;
[0043]b.Ti过渡层:靶功率5KW,占空比80 %,频率60KHz,温度350 °C,腔体压强0.5-0.7Pa, Ar80sccm,沉积时间 20min,膜厚在 0.2-0.4um ;
[0044]c.TiN 过渡层:革El功率 5-10KW,N210_40sccm,Arl50sccm,沉积时间 40min,膜厚0.6-0.8um ;
[0045]d.TiN 表层:革巴功率 12-4KW,N248sccm,Arl50sccm,沉积时间 5h,膜厚 5.0um。
[0046]七.关闭所有电源及气体,保持真空冷却2-3小时,打开真空室,取出复合处理后的工件。
[0047]齿轮的表面处理周期短、硬度高、耐磨性好、膜基结合强度高。
【主权项】
1.一种钢制齿轮的表面复合处理方法,其特征是该方法包括如下步骤: 一.工件前期处理 将调质处理后的齿轮精加工齿形,表面除油抛光后浸入丙酮中超声波清洗,乙醇脱水后烘干,然后放到非平衡磁控溅射镀膜机的工件架上; 二.抽真空及工件预热 启动非平衡磁控溅射设备的抽真空系统,待真空室本底真空达到3X 10 3Pa,开启加热系统将真空室加热到100°C -300°C,设定工件架旋转速度为30-100转/分钟,保温30-120分钟,去除真空室内残留气体; 三.等离子体清洗 向真空室通入氩气,真空室压强控制在0.5-2.0Pa,打开钨灯丝,灯丝电流10-30A,脉冲偏压电源对基体加负偏压,脉冲电源参数为100-300W功率、60KHz频率、50%占空比,钨灯丝加直流50-150V偏压,产生增强等离子体,对工件进行等离子体清洗10-60分钟; 四.等离子氮化处理 真空室升温到400 0C,通入氮气和氢气,氮气流量为70_30sccm,氢气流量为20-80sccm,腔体压强控制在2.0Pa,氮化时间90-180分钟,直流偏压电源在基体上加负50~100ν 偏压; 五.二次等离子体清洗 关闭氮气和氢气,降低温度到300-350°C,保温20-30分钟,重复步骤一次; 六.非平衡磁控溅射制备氮化物涂层 a.工件二次等离子体清洗后,降低氩气流量,调节真空室压强在0.2-1.0Pa,开启基体直流偏压25-150V,开启磁控靶电源; b.在工件表面制备金属过渡层,靶功率设定为l_5KW,60KHz频率及50-80%占空比,镀膜1-10分钟; c.在金属过渡层表面制备金属梯度过渡层,开启反应气体,反应气体氮气通入量为5-30sccm,继续镀膜15-60分钟; d.在金属梯度过渡层表面制备氮化物表面层,增加氮气流量到10-50sccm,继续镀膜3-5小时; 七.关闭所有电源及气体,保持真空冷却2-3小时,打开真空室,取出复合处理后的工件。
【专利摘要】本发明公开了一种钢制齿轮的表面复合处理方法,能够提高齿轮表面硬度、耐磨性和膜基结合强度。该方法包括的步骤包括:工件前期处理;抽真空及工件预热;等离子体清洗;等离子氮化处理;二次等离子体清洗;非平衡磁控溅射制备氮化物涂层;关闭所有电源及气体,保持真空冷却2-3小时,打开真空室,取出复合处理后的工件。本发明处理的齿轮表面硬度高、耐磨性好和膜基结合度好,从而延长了齿轮的使用寿命。比传统齿轮表面处理工艺加工周期短、表面质量好。
【IPC分类】C23C14/35, C23C28/04, C23C8/38, C23C14/06
【公开号】CN105132876
【申请号】CN201510589262
【发明人】郭媛媛, 李建伟, 吴川, 孟见成, 吴法宇, 周艳文, 王复栋
【申请人】辽宁科技大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月15日
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