复合涂层齿圈及其制备方法与流程

本发明涉及机械技术领域，特别涉及复合涂层齿圈及其制备方法。

背景技术：

随着齿圈的应用领域越来越广，齿圈不仅需要更强的耐磨性能，而且需要具有耐腐蚀性能以应对周围的腐蚀性环境。然而，普通的齿圈已经无法满足上述需求。具体的，与齿圈的外表面滑动接触的工件、齿圈的滑动速率或方式以及齿圈所处的环境的改变，会加剧普通的齿圈的磨损和腐蚀，从而导致普通的齿圈使用寿命缩短。

因而，现有的齿圈亟需改进，以提高齿圈的耐磨损和腐蚀性能，提高齿圈的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一复合涂层齿圈，其可有效提高齿圈的耐腐蚀和磨损性能。

根据本发明的一实施例，一复合涂层齿圈，其包括齿圈，齿圈的表面依次附着热喷涂重熔合金涂层和物理气相沉积(以下简称“pvd”)涂层；其中，热喷涂重熔合金涂层为包括cr3c2-ni-cr、wc-12co、wc-12ni、wc-10co-4cr、wc-15ni、tic-15ni或其组合的合金涂层，pvd涂层为包括alcrn、craln、crn、altin、tialn、tialcrn、tisin、tisialn、tialwn或其组合的纳米硬质涂层。

根据本发明的另一实施例还提供了一复合涂层齿圈的制备方法，其包括如下步骤：提供齿圈；采用超音速火焰喷涂的工艺在齿圈的表面喷涂包括cr3c2-nicr、wc-12co、wc-12ni、wc-10co-4cr、wc-15ni、tic-15ni或其组合的合金涂层以形成热喷涂合金涂层；对附着在齿圈的表面的热喷涂合金涂层进行重熔处理以形成热喷涂重熔合金涂层；采用pvd工艺在重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层的表面沉积包括alcrn、craln、crn、altin、tialn、tialcrn、tisin、tisialn、tialwn或其组合的纳米硬质涂层以形成pvd涂层。

本发明实施例提供的复合涂层齿圈及其制备方法，通过在齿圈本体的表面依次沉积热喷涂重熔合金涂层和pvd涂层形成复合涂层齿圈，有效防止复合涂层齿圈在使用过程中被腐蚀和磨损，进而提高复合涂层齿圈的使用寿命。

附图说明

图1所示是根据本发明一实施例的复合涂层齿圈的主视图

图2所示是图1所示复合涂层齿圈a-a截面图

图3所示是根据本发明另一实施例的复合涂层齿圈的主视图

图4所示是图3所示复合涂层齿圈b-b截面图

具体实施方式

为更好的理解本发明的精神，以下结合本发明的部分优选实施例对其作进一步说明。

图1所示是根据本发明一实施例的复合涂层齿圈100的主视图，图2所示是图1所示复合涂层齿圈100的a-a截面图。

如图1和2所示，复合涂层齿圈100包括齿圈10，齿圈10的表面10a依次附着热喷涂重熔合金涂层12和pvd涂层14。其中，热喷涂重熔合金涂层12为包括cr3c2-ni-cr、wc-12co、wc-12ni、wc-10co-4cr、wc-15ni、tic-15ni或其组合的合金涂层，用以强化齿圈10的耐腐蚀性能，pvd涂层14为包括alcrn、craln、crn、altin、tialn、tialcrn、tisin、tisialn、tialwn或其组合的纳米硬质涂层，用以强化齿圈10的耐磨性能。

在本发明的一实施例中，热喷涂重熔合金涂层12为包括cr3c2-ni-cr的双合金涂层，且pvd涂层14为包括alcrn的纳米硬质涂层；cr3c2和ni-cr的重量比例较佳约为75％和25％。

在本发明的又一实施例中，热喷涂重熔合金涂层12的厚度为0.1mm-1mm，热喷涂重熔合金涂层12的厚度可进一步优选为0.2mm-0.5mm。pvd涂层14的厚度为0.1μm-15μm，pvd涂层14的厚度可进一步优选为6μm-12μm，更优选为8μm-10μm。

在本发明的又一实施例中，pvd涂层14的表面硬度为1500hv-5000hv。pvd涂层14的表面硬度可进一步优选为约3300hv-3800hv。

图1所示根据本发明一实施例的复合涂层齿圈100的制备方法包括如下步骤：

提供齿圈10；

采用超音速火焰喷涂的工艺在齿圈10的表面10a喷涂合金涂层；

对附着在齿圈10的表面10a的热喷涂合金涂层进行重熔处理以形成热喷涂重熔合金涂层12；

采用pvd工艺在重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层12的表面12a沉积pvd涂层14，从而形成复合涂层齿圈100。

根据本发明的一实施例，热喷涂重熔合金涂层12和pvd涂层14之间还可以增设结合层，从而进一步提高热喷涂重熔合金涂层12和pvd涂层14之间的结合强度。

图3所示是根据本发明另一实施例的复合涂层齿圈200的主视图，图4所示是图3所示复合涂层齿圈200的b-b截面图。

如图3和4所示，复合涂层齿圈200在复合涂层齿圈100的基础上，进一步包括位于热喷涂重熔合金涂层12和pvd涂层14之间的结合层16。

在本发明的一个实施例中，结合层16为ti、cr或al金属层或其合金层。

在本发明的又一实施例中，结合层16的厚度为0.05μm-1μm，较佳为0.05μm-0.5μm。

图3所示根据本发明一实施例的复合涂层齿圈200的制备方法包括如下步骤：

提供齿圈10；

采用超音速火焰喷涂的工艺在齿圈10的表面10a喷涂合金涂层；

对附着在齿圈10的表面10a的热喷涂合金涂层进行重熔处理以形成热喷涂重熔合金涂层12；

采用pvd工艺在重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层12的表面12a沉积结合层16

采用pvd工艺在结合层16的表面16a沉积pvd涂层14，

从而形成复合涂层齿圈200。

在本发明的一实施例中，采用pvd工艺形成pvd涂层14的步骤包括：首先通入纯度为99.999％的氩气，在偏压为800-1000v的条件下清洁热喷涂重熔合金涂层12的表面或结合层16的表面；然后停止通入氩气，通入纯度为99.999％的氮气，在偏压为80-100v的条件下，打开包含用于组成pvd涂层14的金属的靶，弧电流为120a-200a，采用pvd工艺在清洁后的热喷涂重熔合金涂层12的表面或结合层16的表面沉积形成pvd涂层14。

在本发明的一实施例中，采用pvd工艺形成结合层16的步骤包括：在偏压400-600v、弧电流为100a的条件下，通入纯度为99.999％的氩气，然后关掉氩气，采用包含由于组成结合层16的金属的靶，采用pvd工艺在重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层12的表面沉积形成结合层16。

在本发明的又一实施例中，重熔处理采用激光进行重熔，所述激光的功率为500-1000w(较佳约为800w)、光斑直径为3-5mm(较佳约为4mm)、且移动速度为0.5-3m/min(较佳约为1.5m/min)。

上述的热喷涂重熔处理，即利用热源将热喷涂重熔合金涂层12所包含的合金中最容易熔化的金属熔化，产生的液相有助于扩散过程的强化和成分的渗透，熔化的过程使热喷涂重熔合金涂层12与齿圈10的表面10a的结合区由原来堆叠的层状组织变为致密和较均匀的组织，孔隙减少甚至消失，从而提高了热喷涂重熔合金涂层12和齿圈10之间的结合度以及热喷涂重熔合金涂层12的内在质量，进一步提高了热喷涂重熔合金涂层12的耐腐蚀性和耐磨性。

复合涂层齿圈200在复合涂层齿圈100的基础上增设位于热喷涂重熔合金涂层12和pvd涂层14之前的结合层16，通过结合层16形成热喷涂重熔合金涂层12和pvd涂层14之间的过渡，可进一步增强pvd涂层14与热喷涂重熔合金涂层12之间的结合度。

本发明实施例可通过常规的超音速火焰喷涂设备采用常规的喷涂工艺形成热喷涂重熔合金涂层12、以及通过常规的pvd设备采用常规pvd工艺形成结合层16和pvd涂层14。

在本发明的另一实施例中，复合涂层齿圈在复合涂层齿圈100或复合涂层齿圈200的基础上，进一步包括位于齿圈的表面和热喷涂重熔合金涂层12之间的渗氮层以进一步强化齿圈的表面和热喷涂重熔合金涂层12之间的结合度。渗氮层的厚度为0.1mm-0.5mm，渗氮层的厚度可进一步优选为不小于0.2mm。根据本发明的一个实施态样，渗氮层的制备工艺为：在采用超音速火焰喷涂的工艺在齿圈的表面喷涂以形成热喷涂合金涂层之前，先使齿圈进行离子渗氮处理以形成渗氮层。

以下结合本发明的部分更优选实施例对其作进一步说明。

实施例1

提供齿圈10；

采用超音速火焰喷涂的工艺在齿圈10的表面10a喷涂cr3c2-ni-cr合金以形成厚度为0.3mm的热喷涂合金涂层；其中，cr3c2和ni-cr的重量比例为75％和25％；

对附着在齿圈10的表面10a的热喷涂合金涂层进行重熔处理以形成热喷涂重熔合金涂层12，重熔处理采用激光重熔，设定功率为800w，光斑直径为4mm，移动速度为1.5m/min；

通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，在偏压800-1000v的条件下，清洁重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层12的表面，然后关掉氩气，通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压80-100v的条件下，打开cral靶，弧电流为120a-200a，采用pvd工艺在清洁后的热喷涂重熔合金涂层12的表面12a沉积alcrn合金形成厚度为7-9μm的pvd涂层14，从而形成复合涂层齿圈100。复合涂层齿圈100的表面硬度为3800hv左右。

实施例2

提供齿圈10；

采用超音速火焰喷涂的工艺在齿圈10的表面10a喷涂cr3c2-ni-cr合金以形成厚度为0.3mm的热喷涂合金涂层；其中，cr3c2和ni-cr的重量比例为75％和25％；

对附着在齿圈10的表面10a的热喷涂合金涂层进行重熔处理以形成热喷涂重熔合金涂层12，重熔处理采用激光重熔，设定功率为1000w，光斑直径为5mm，移动速度为0.5m/min；

通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，在偏压800-1000v的条件下，清洁重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层12的表面，然后关掉氩气，通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压80-100v的条件下，打开alti靶，弧电流为120a-200a，采用pvd工艺在清洁后的热喷涂重熔合金涂层12的表面12a沉积tialn合金形成厚度为4-8μm的pvd涂层14，从而形成复合涂层齿圈100。复合涂层齿圈100的表面硬度为3300hv左右。

实施例3

提供齿圈10；

使齿圈10在400℃的氮气环境下进行离子渗氮处理以形成渗氮层，渗氮层的厚度为0.25mm；

采用超音速火焰喷涂的工艺在渗氮层的表面喷涂cr3c2-ni-cr合金以形成厚度为0.3mm的热喷涂合金涂层；其中，cr3c2和ni-cr的重量比例为75％和25％；

对附着在渗氮层的表面的热喷涂合金涂层进行重熔处理以形成热喷涂重熔合金涂层12，重熔处理采用激光重熔，设定功率为500w，光斑直径为3mm，移动速度为3m/min；

在偏压400-600v、弧电流为100a的条件下，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，然后关掉氩气，采用cr金属靶，在重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层12的表面12a采用pvd工艺沉积cr金属以形成厚度为0.5μm的结合层16；

通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压80-100v的条件下，打开cral靶，弧电流120a到200a，采用pvd工艺在结合层16的表面16a沉积alcrn合金形成厚度为7-9μm的pvd涂层14，从而形成复合涂层齿圈200。复合涂层齿圈200的表面硬度为3700hv左右。

实施例4

提供齿圈10；

使齿圈10在400℃的氮气环境下进行离子渗氮处理以形成渗氮层，渗氮层的厚度为0.3mm；

采用超音速火焰喷涂的工艺在渗氮层的表面喷涂wc-10co-4cr合金以形成厚度为0.3mm的热喷涂合金涂层；其中，wc、co和cr的重量比例为86％、10％和4％；

对附着在渗氮层的表面的热喷涂合金涂层进行重熔处理以形成热喷涂重熔合金涂层12，重熔处理采用激光重熔，设定功率为800w，光斑直径为4mm，移动速度为1.5m/min；

通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，在偏压800-1000v的条件下，清洁重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层12的表面，然后关掉氩气，通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压80-100v的条件下，打开cral靶，弧电流为120a-200a，采用pvd工艺在清洁后的热喷涂重熔合金涂层12的表面12a沉积alcrn合金形成厚度为7-9μm的pvd涂层14，从而形成复合涂层齿圈100。复合涂层齿圈100的表面硬度为3750hv左右。

实施例5

提供齿圈10；

采用超音速火焰喷涂的工艺在齿圈10的表面10a喷涂wc-10co-4cr合金以形成厚度为0.3mm的热喷涂合金涂层；其中，wc、co和cr的重量比例为86％、10％和4％；

对附着在齿圈10的表面10a的热喷涂合金涂层进行重熔处理以形成热喷涂重熔合金涂层12，采用激光重熔，设定功率为800w，光斑直径为4mm，移动速度为1.5m/min；

在偏压400-600v、弧电流为100a的条件下，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，然后关掉氩气，采用cr金属靶，在重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层12的表面12a沉积cr金属以形成厚度为0.5μm的结合层16；

通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压80-100v的条件下，打开cral靶，弧电流120a到200a，采用pvd工艺在结合层16的表面16a沉积alcrn合金形成厚度为7-9μm的pvd涂层14，从而形成复合涂层齿圈200。复合涂层齿圈200的表面硬度为3800hv左右。

实施例6

提供齿圈10；

采用超音速火焰喷涂的工艺在齿圈10的表面10a喷涂wc-12ni合金以形成厚度为0.3mm的热喷涂合金涂层；其中，wc和ni的重量比例为88％和12％；

对附着在齿圈10的表面10a的热喷涂合金涂层进行重熔处理以形成热喷涂重熔合金涂层12，采用激光重熔，设定功率为800w，光斑直径为4mm，移动速度为1.5m/min；

在偏压400-600v、弧电流为100a的条件下，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，然后关掉氩气，采用cr金属靶，在重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层12的表面12a沉积cr金属以形成厚度为0.5μm的结合层16；

通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压80-100v的条件下，打开cral靶，弧电流120a到200a，采用pvd工艺在结合层16的表面16a沉积alcrn合金形成厚度为7-9μm的pvd涂层14，从而形成复合涂层齿圈200。复合涂层齿圈200的表面硬度为3800hv左右。

实施例7

提供齿圈10；

采用超音速火焰喷涂的工艺在齿圈10的表面10a喷涂wc-12co合金以形成厚度为0.3mm的热喷涂合金涂层；其中，wc和co的重量比例为88％和12％；

对附着在齿圈10的表面10a的热喷涂合金涂层进行重熔处理以形成热喷涂重熔合金涂层12，采用激光重熔，设定功率为800w，光斑直径为4mm，移动速度为1.5m/min；

在偏压400-600v、弧电流为100a的条件下，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，然后关掉氩气，采用ti金属靶，在重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层12的表面12a沉积ti金属以形成厚度为0.5μm的结合层16；

通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压80-100v的条件下，打开alti靶，弧电流120a到200a，采用pvd工艺在结合层16的表面16a沉积tialn合金形成厚度为4-8μm的pvd涂层14，从而形成复合涂层齿圈200。复合涂层齿圈200的表面硬度为3200hv左右。

实施例8

提供齿圈10；

采用超音速火焰喷涂的工艺在齿圈10的表面10a喷涂cr3c2-ni-cr合金以形成厚度为0.3mm的热喷涂合金涂层；其中，cr3c2和ni-cr的重量比例为75％和25％；

对附着在齿圈10的表面10a的热喷涂合金涂层进行重熔处理以形成热喷涂重熔合金涂层12，采用激光重熔，设定功率为800w，光斑直径为4mm，移动速度为1.5m/min；

在偏压400-600v、弧电流为100a的条件下，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，然后关掉氩气，采用cr金属靶，在重熔处理后的热喷涂重熔合金涂层12的表面12a沉积cr金属以形成厚度为0.5μm的结合层16；

通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压80-100v的条件下，打开alti靶和cr靶，弧电流120a到200a，采用pvd工艺在结合层16的表面16a沉积tialcrn合金形成厚度为7-9μm的pvd涂层14，从而形成复合涂层齿圈200。复合涂层齿圈200的表面硬度为3600hv左右。

下表为本发明各实施例的复合涂层齿圈与常用的普通齿圈的性能参数对比

注：

●双合金齿圈采用42crmo类调质钢，表面进行约0.27mm厚度(0.27mm为实施例1-8中齿圈10表面的涂层的平均厚度)的镍基合金喷焊处理。

●粉末合金不锈钢齿圈采用进口粉末合金不锈钢材质。

●pvd涂层齿圈为仅附着有pvd技术沉积涂层的齿圈。

●抗腐蚀性的测试是齿圈的涂层在温度为40℃的10％hcl溶液中浸泡10h，测量单位时间单位表面积的失重率。

●参照标准iso8251－87和jish8682标准，用磨擦轮磨耗试验机测定在规定的试验条件下，使涂层与胶接在磨擦轮外缘上的研磨砂纸作平面往复运动，每双行程后磨擦轮转动一小角度(0.9°)，经规定的若干次研磨后，涂层质量(mg)的减少作为衡量耐磨性的标准。

由上表可知，相较于常用的普通齿圈(即双合金齿圈、粉末合金不锈钢齿圈及pvd涂层齿圈)，本发明实施例提供的复合涂层齿圈，通过在齿圈的表面设置热喷涂重熔合金涂层和pvd涂层，有效提高了复合涂层齿圈的表面硬度和抗腐蚀性，从而提高了复合涂层齿圈的品质及使用寿命。

此外，双合金齿圈主要利用镍的耐腐蚀特性，工艺管控比较困难，表面的双合金层结合度低，容易脱落，导致齿圈使用过程中品质急速下降。而本发明实施例提供的复合涂层齿圈，可通过对热喷涂重熔合金涂层的重熔处理及/或在热喷涂重熔合金涂层和pvd涂层之间增设结合层来提高齿圈的表面的涂层的结合度，有效避免涂层脱落，从而进一步提高复合涂层齿圈的品质，延长其使用寿命。

相较于价格较高的粉末合金不锈钢齿圈，本发明实施例提供的复合涂层齿圈在提高上述性能的同时，价格也有所降低，节约了生产成本。

虽然pvd技术是一门已知的在现代物理、化学、材料学、电子学、力学等多学科基础上建立起来的工程技术，即将金属或非金属靶材(所镀膜材料)在真空环境下，经过物理过程沉积在需要镀膜工件表面的过程。但仅采用pvd技术在齿圈10表面直接沉积涂层所得到的齿圈，其耐腐蚀性和耐磨性还是无法满足齿圈的使用要求。而本发明实施例提供的复合涂层齿圈，将超音速火焰喷涂工艺与pvd工艺相结合，在齿圈上分别形成热喷涂重熔合金涂层和pvd涂层，提高了复合涂层齿圈的耐腐蚀性能和耐磨性能。同时，通过对热喷涂合金涂层的重熔处理来确保热喷涂重熔合金涂层与齿圈之间、热喷涂重熔合金涂层与pvd涂层之间的结合度，或者通过在热喷涂重熔合金涂层和pvd涂层之间增设结合层来进一步加强热喷涂重熔合金涂层与pvd涂层之间的结合度，实现不同工艺形成的涂层之间的有效结合。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求书所涵盖。