一种复合梯度耐磨合金层及其制备方法与流程

本发明属于耐磨合金层及其制备方法，具体为一种复合梯度耐磨合金层及其制备方法。

背景技术

对于齿轮而言，粉末冶金可以减少铸造成分偏析和热处理加工工艺时间长、能耗大的问题，使齿轮具有更优异的整体性能和经济性能，可以有效减低齿轮的制造成本。但齿轮在传动时受力情况比较复杂，运动形式也是多种多样，因此齿轮损伤的形式也具有多样化。总体来看，齿轮损伤主要有断齿、破坏性胶合和破坏性点蚀这三种形式。为了延长齿轮使用寿命，使齿轮能够承受多种形式的损伤，这就需要提高粉末冶金齿轮表面的耐磨性能。

根据目前研究，提高粉末冶金齿轮耐磨性能的方式主要有两种，一是整体合金化。传统加工工艺通常采用这种方式，但整体合金化工艺成本高，污染较大；二是通过先进的表面改性技术，在铁基齿轮表面形成改性层，改善齿轮的耐磨性能。磨损通常是从材料表面开始，因此通过表面改性来提高齿轮的耐磨性能是一种较为常用的方法。这些表面改性技术主要包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、热喷涂、离子注入、真空离子镀等。使用热喷涂工艺制备的涂层与齿轮呈机械结合，结合强度低，在使用过程中容易出现孔隙、微裂纹、涂层剥落等问题，降低了涂层与齿轮的结合强度；离子注入工艺可将提高耐磨性能的元素的离子在真空系统中注入齿轮中，从而形成耐磨性能得到提高的注入层。但离子注入层厚度不高，且只能进行直线注入，不能全面提高齿轮的耐磨性能；双辉等离子合金化技术制备的表面合金层包括沉积层与扩散层，成分、性能随深度梯度分布，与基体结合牢固，且合金层组织致密，无空隙、裂纹等缺陷，工作效率高。

双层辉光等离子表面冶金技术(以下简称“双辉技术”)，是我国学者在离子氮化的基础上独立发明的一种新的金属表面合金化技术。工作原理为在一个真空容器中，炉体作为阳极接地，分别设置两个阴极，一个放置工件，一个放置提供合金元素的源极，通入一定气压的氩气。炉内设置两套独立的电源，加载电压后阳极与源极以及阳极与工件极间分别产生辉光，即“双层辉光”。源极上的辉光放电所产生的氩离子轰击靶材，溅射出靶材极元素；而工件极的溅射则会加热工件。将源极电压设定为低于工件电位，同时使源极功率密度高于工件功率密度。这样，源极溅射量将远大于阴极的反溅射量。在高温下，靶材中的合金元素经沉积和扩散在工件表面形成合金层。合金层是通过合金元素向基体材料内部扩散并和基体元素相互作用而形成的。

为了满足齿轮高耐磨性能要求，需要使用两种或多种改性方式联合使用。但单一技术存在局限性，其优势难以实现最大化。如离子注入的注入深度不足，注入层薄，对齿轮的耐磨性能提升有限，导致注入层在工况条件下寿命较短；双辉等离子合金化技术可以在齿轮表面制备一定厚度的合金层，其虽可以实现与基体的冶金结合，但单纯的双辉等离子合金化温度较高，可能会造成齿轮变形，对其组织结构产生影响，使齿轮的整体性能下降。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种保证齿轮整体性能的粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层的制备方法，本发明的另一目的是提供一种使用寿命长的齿轮表面复合梯度耐磨合金层。

技术方案：本发明所述的一种粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层，自上而下依次包括mo-w沉积层、mo/wc梯度陶瓷层和c强化层。mo-w沉积层的厚度为15～20μm，mo/wc梯度陶瓷层、c强化层的总厚度为3～6μm。mo/wc梯度层的mo、w含量由表及里梯度下降，c含量由表及里梯度上升。

所述的一种粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层的制备方法，包含以下步骤：

(a)在粉末冶金齿轮表面离子注入c强化层；

(b)在c强化层表面用双辉等离子合金化法制备w-mo合金层。

其中，离子注入包含以下步骤：

(a)对粉末冶金齿轮进行超声处理，将齿轮浸在酒精或丙酮中，进行1～2次超声清洗，每次处理20～30min，除去表面的杂质，然后进行干燥；

(b)将粉末冶金齿轮放入离子注入设备腔室中，通入氩气，对经酒精或丙酮清洗后的粉末冶金齿轮进行预溅射清洗20～30min，预溅射电压为500～700v、注入电流为5～8ma、氩等离子体密度为1×10⁹～3×10⁹cm^-3；

(c)在真空度小于1.5×10^-2pa条件下进行c离子注入处理，注入时间为3～5小时，引出电压为35～40kv，束流密度为0.2～0.4μa/cm²，注入剂量为1.5×10¹⁷～6×10¹⁷ions/cm²，注入能量为40～60kev；

(d)炉冷后取出齿轮，并在室温下进行保存。

其中，双辉等离子合金化法包含以下步骤：

(a)将由粉末冶金法制备的w-mo靶材用砂纸逐级打磨后，浸入酒精或丙酮中进行超声清洗20～30min，风干后置于装置炉内；

(b)调节极间距，即w-mo靶材下表面与齿轮上表面的距离至16～20mm，关闭炉罩、放气阀、通气阀；

(c)打开机械泵，然后打开抽气阀门，抽真空至10^-3pa以下，关闭抽气阀；

(d)开启氩气瓶，打开氩气阀门，然后打开流量计通入氩气，进行洗气处理，当装置气压达到145～160pa时，打开真空阀并且关闭氩气流量阀门，使气压降至35～40pa，重复以上洗气步骤3～5次；

(e)将气压调至工作气压30～40pa；

(f)开启40～50℃循环水；

(g)打开工件极电源，利用空心阴极效应起辉，辉光稳定后，逐步将源极电压调为500～600v，工件极电压调为200～300v，对齿轮进行低温轰击0.5h以上；

(h)逐步调节工件极电压与源极电压，直至源极电压为900～950v，工件极电压为450～550v。

(i)保温2.5～3.5小时；

(i)逐渐缓慢降低源极和工件极电压为0，为避免应力集中，时间在0.5h以上；

(k)关闭氩气阀门、真空阀、机械泵、电源开关、循环水开关；

(1)冷却2小时以上后取出齿轮。

w-mo靶材中w的质量分数为60～70wt％，mo的质量分数为30～40wt％。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、离子注入c后，在齿轮表面形成注入层，细化了表面晶粒，有利于陶瓷层的制备；

2、mo-w沉积层为离子轰击溅射沉积层，组织致密，无孔洞和裂纹，极大地提高了粉末冶金齿轮的耐磨性能，离子注入的c与溅射的w、mo扩散后发生反应，形成陶瓷层，其成分呈梯度分布，且通过冶金结合实现与齿轮的结合，结合强度高，不易脱落；

3、复合结构的耐磨合金层极大提升了粉末冶金齿轮的耐磨性能和服役寿命，mo-w沉积层在摩擦中发挥了软质薄膜的润滑作用，mo/wc陶瓷层硬度较高，进一步提升了复合结构合金层的耐磨性能，离子注入c强化层使得陶瓷层与基体间实现无界面过渡连接，同时，其硬度高于基体，有利于提升基体的耐磨性能；

4、本发明将离子注入与双辉等离子合金化技术结合，在粉末冶金齿轮表面制备一种具有mo/wc复合结构的梯度陶瓷耐磨合金层，克服了单一技术存在的问题，实现了优势最大化，有利于显著提高粉末冶金齿轮的耐磨性能，有利于延长齿轮的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的mo/wc复合结构的梯度耐磨合金层结构示意图。

图2是本发明的复合结构梯度耐磨合金层的sem图。

具体实施方式

以下所使用的氩气的纯度均为99.99％，c的纯度均为99.99％，w的纯度均为99.99％，mo的纯度均为99.99％。以下实施例中所用的离子注入设备为北京泰科诺有限公司生产的lzx-700高能金属离子注入设备(mevva离子源)，双辉等离子合金化实验采用自行研制，委托中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司制造的双辉等离子表面冶金设备。

实施例1

(1)在粉末冶金齿轮表面离子注入c强化层，具体包括以下步骤：

a、对粉末冶金齿轮进行超声处理，将齿轮浸在酒精或丙酮中，进行1次超声清洗，每次处理20min，除去表面的杂质，然后进行干燥；

b、将粉末冶金齿轮放入离子注入设备腔室中，通入氩气，对经酒精或丙酮清洗后的粉末冶金齿轮进行预溅射清洗20min，预溅射电压为500v、注入电流为5ma、氩等离子体密度为1×10⁹cm^-3；

c、在真空度为0.002pa条件下进行c离子注入处理，注入时间为3小时，引出电压为35kv，束流密度为0.2μa/cm²，注入剂量为1.5×10¹⁷ions/cm²，注入能量为40kev；

d、炉冷后取出齿轮，并在室温下进行保存。

(2)在c强化层表面用双辉等离子合金化法制备w-mo合金层，具体包括以下步骤：

a、将由粉末冶金法制备的w-mo靶材用砂纸逐级打磨后，浸入酒精或丙酮中进行超声清洗20min，风干后置于装置炉内；

b、调节极间距，即w-mo靶材下表面与齿轮上表面的距离至16mm，关闭炉罩、放气阀、通气阀；

c、打开机械泵，然后打开抽气阀门，抽真空至0.0001pa，关闭抽气阀；

d、开启氩气瓶，打开氩气阀门，然后打开流量计通入氩气，进行洗气处理，当装置气压达到145pa时，打开真空阀并且关闭氩气流量阀门，使气压降至35pa，重复以上洗气步骤3次；

e、将气压调至工作气压30pa；

f、开启40℃循环水；

g、打开工件极电源，利用空心阴极效应起辉，辉光稳定后，逐步将源极电压调为500v，工件极电压调为200v，对齿轮进行低温轰击0.5h；

h、逐步调节工件极电压与源极电压，直至源极电压为900v，工件极电压为450v。

i、保温2.5小时；

g、逐渐缓慢降低源极和工件极电压为0，为避免应力集中，时间为0.5h；

k、关闭氩气阀门、真空阀、机械泵、电源开关、循环水开关；

1、冷却2小时后取出齿轮。

(3)所制得的齿轮表面复合梯度耐磨合金层，自上而下依次包括mo-w沉积层、mo/wc梯度陶瓷层和c强化层，如图1所示。w-mo靶材中w的质量分数为60wt％，mo的质量分数为40wt％，mo/wc梯度层的mo、w含量由表及里梯度下降，c含量由表及里梯度上升，其中，由线扫描可得，mo-w沉积层的厚度为15μm，mo/wc梯度陶瓷层、c强化层的总厚度为3μm。

由摩擦磨损试验可得，具有耐磨合金层的粉末冶金齿轮比磨损率较原齿轮降低了63.8％。图2是实施例1所制得的复合结构梯度耐磨合金层的sem图，其中，i区域为w-mo沉积层，w-mo层为离子轰击溅射沉积层，组织致密，无孔洞和裂纹；ii区为梯度陶瓷层和c强化层，其成分呈梯度分布，且通过冶金结合实现与齿轮的结合，结合强度高，不易脱落。

实施例2

(1)在粉末冶金齿轮表面离子注入c强化层，具体包括以下步骤：

a、对粉末冶金齿轮进行超声处理，将齿轮浸在酒精或丙酮中，进行2次超声清洗，每次处理30min，除去表面的杂质，然后进行干燥；

b、将粉末冶金齿轮放入离子注入设备腔室中，通入氩气，对经酒精或丙酮清洗后的粉末冶金齿轮进行预溅射清洗30min，预溅射电压为700v、注入电流为8ma、氩等离子体密度为3×10⁹cm^-3；

c、在真空度1.4×10^-2pa条件下进行c离子注入处理，注入时间为5小时，引出电压为40kv，束流密度为0.4μa/cm²，注入剂量为6×10¹⁷ions/cm²，注入能量为60kev；

d、炉冷后取出齿轮，并在室温下进行保存。

(2)在c强化层表面用双辉等离子合金化法制备w-mo合金层，具体包括以下步骤：

a、将由粉末冶金法制备的w-mo靶材用砂纸逐级打磨后，浸入酒精或丙酮中进行超声清洗30min，风干后置于装置炉内；

b、调节极间距，即w-mo靶材下表面与齿轮上表面的距离至20mm，关闭炉罩、放气阀、通气阀；

c、打开机械泵，然后打开抽气阀门，抽真空至10^-3pa，关闭抽气阀；

d、开启氩气瓶，打开氩气阀门，然后打开流量计通入氩气，进行洗气处理，当装置气压达到160pa时，打开真空阀并且关闭氩气流量阀门，使气压降至40pa，重复以上洗气步骤5次；

e、将气压调至工作气压40pa；

f、开启50℃循环水；

g、打开工件极电源，利用空心阴极效应起辉，辉光稳定后，逐步将源极电压调为600v，工件极电压调为300v，对齿轮进行低温轰击3.5h；

h、逐步调节工件极电压与源极电压，直至源极电压为950v，工件极电压为550v。

i、保温3.5小时；

g、逐渐缓慢降低源极和工件极电压为0，为避免应力集中，时间为8h；

k、关闭氩气阀门、真空阀、机械泵、电源开关、循环水开关；

1、冷却12小时后取出齿轮。

(3)所制得的齿轮表面复合梯度耐磨合金层，自上而下依次包括mo-w沉积层、mo/wc梯度陶瓷层和c强化层，w-mo靶材中w的质量分数为70wt％，mo的质量分数为30wt％，mo/wc梯度层的mo、w含量由表及里梯度下降，c含量由表及里梯度上升，其中，mo-w沉积层的厚度为20μm，mo/wc梯度陶瓷层、c强化层的总厚度为6μm。

由摩擦磨损试验可得，具有耐磨合金层的粉末冶金齿轮比磨损率较原齿轮降低了72.5％。

实施例3

(1)在粉末冶金齿轮表面离子注入c强化层，具体包括以下步骤：

a、对粉末冶金齿轮进行超声处理，将齿轮浸在酒精或丙酮中，进行1次超声清洗，每次处理25min，除去表面的杂质，然后进行干燥；

b、将粉末冶金齿轮放入离子注入设备腔室中，通入氩气，对经酒精或丙酮清洗后的粉末冶金齿轮进行预溅射清洗25min，预溅射电压为600v、注入电流为6ma、氩等离子体密度为2×10⁹cm^-3；

c、在真空度0.01pa条件下进行c离子注入处理，注入时间为4小时，引出电压为37kv，束流密度为0.3μa/cm²，注入剂量为3.8×10¹⁷ions/cm²，注入能量为56kev；

d、炉冷后取出齿轮，并在室温下进行保存。

(2)在c强化层表面用双辉等离子合金化法制备w-mo合金层，具体包括以下步骤：

a、将由粉末冶金法制备的w-mo靶材用砂纸逐级打磨后，浸入酒精或丙酮中进行超声清洗25min，风干后置于装置炉内；

b、调节极间距，即w-mo靶材下表面与齿轮上表面的距离至18mm，关闭炉罩、放气阀、通气阀；

c、打开机械泵，然后打开抽气阀门，抽真空至0.0005pa以下，关闭抽气阀；

d、开启氩气瓶，打开氩气阀门，然后打开流量计通入氩气，进行洗气处理，当装置气压达到153pa时，打开真空阀并且关闭氩气流量阀门，使气压降至37pa，重复以上洗气步骤4次；

e、将气压调至工作气压35pa；

f、开启45℃循环水；

g、打开工件极电源，利用空心阴极效应起辉，辉光稳定后，逐步将源极电压调为550v，工件极电压调为250v，对齿轮进行低温轰击2h；

h、逐步调节工件极电压与源极电压，直至源极电压为925v，工件极电压为500v。

i、保温3.0小时；

g、逐渐缓慢降低源极和工件极电压为0，为避免应力集中，时间为4h；

k、关闭氩气阀门、真空阀、机械泵、电源开关、循环水开关；

1、冷却7小时后取出齿轮。

(3)所制得的齿轮表面复合梯度耐磨合金层，自上而下依次包括mo-w沉积层、mo/wc梯度陶瓷层和c强化层，w-mo靶材中w的质量分数为65wt％，mo的质量分数为35wt％，mo/wc梯度层的mo、w含量由表及里梯度下降，c含量由表及里梯度上升，其中，mo-w沉积层的厚度为17μm，mo/wc梯度陶瓷层、c强化层的总厚度为4μm。

由摩擦磨损试验可得，具有耐磨合金层的粉末冶金齿轮比磨损率较原齿轮降低了70.1％。

实施例4

(1)在粉末冶金齿轮表面离子注入c强化层，具体包括以下步骤：

a、对粉末冶金齿轮进行超声处理，将齿轮浸在酒精或丙酮中，进行2次超声清洗，每次处理22min，除去表面的杂质，然后进行干燥；

b、将粉末冶金齿轮放入离子注入设备腔室中，通入氩气，对经酒精或丙酮清洗后的粉末冶金齿轮进行预溅射清洗23min，预溅射电压为560v、注入电流为7ma、氩等离子体密度为1.3×10⁹cm^-3；

c、在真空度0.008pa条件下进行c离子注入处理，注入时间为3.5小时，引出电压为36kv，束流密度为0.25μa/cm²，注入剂量为2.5×10¹⁷ions/cm²，注入能量为44kev；

d、炉冷后取出齿轮，并在室温下进行保存。

(2)在c强化层表面用双辉等离子合金化法制备w-mo合金层，具体包括以下步骤：

a、将由粉末冶金法制备的w-mo靶材用砂纸逐级打磨后，浸入酒精或丙酮中进行超声清洗22min，风干后置于装置炉内；

b、调节极间距，即w-mo靶材下表面与齿轮上表面的距离至17mm，关闭炉罩、放气阀、通气阀；

c、打开机械泵，然后打开抽气阀门，抽真空至3×10^-4pa，关闭抽气阀；

d、开启氩气瓶，打开氩气阀门，然后打开流量计通入氩气，进行洗气处理，当装置气压达到147pa时，打开真空阀并且关闭氩气流量阀门，使气压降至36pa，重复以上洗气步骤3次；

e、将气压调至工作气压31pa；

f、开启43℃循环水；

g、打开工件极电源，利用空心阴极效应起辉，辉光稳定后，逐步将源极电压调为510v，工件极电压调为220v，对齿轮进行低温轰击1.5h；

h、逐步调节工件极电压与源极电压，直至源极电压为910v，工件极电压为460v。

i、保温2.8小时；

g、逐渐缓慢降低源极和工件极电压为0，为避免应力集中，时间为1.5h；

k、关闭氩气阀门、真空阀、机械泵、电源开关、循环水开关；

l、冷却4小时后取出齿轮。

(3)所制得的齿轮表面复合梯度耐磨合金层，自上而下依次包括mo-w沉积层、mo/wc梯度陶瓷层和c强化层，w-mo靶材中w的质量分数为62wt％，mo的质量分数为38wt％，mo/wc梯度层的mo、w含量由表及里梯度下降，c含量由表及里梯度上升，其中，mo-w沉积层的厚度为16μm，mo/wc梯度陶瓷层、c强化层的总厚度为4μm。

由摩擦磨损试验可得，具有耐磨合金层的粉末冶金齿轮比磨损率较原齿轮降低了64.9％。

实施例5

(1)在粉末冶金齿轮表面离子注入c强化层，具体包括以下步骤：

a、对粉末冶金齿轮进行超声处理，将齿轮浸在酒精或丙酮中，进行2次超声清洗，每次处理29min，除去表面的杂质，然后进行干燥；

b、将粉末冶金齿轮放入离子注入设备腔室中，通入氩气，对经酒精或丙酮清洗后的粉末冶金齿轮进行预溅射清洗28min，预溅射电压为690v、注入电流为7ma、氩等离子体密度为2.8×10⁹cm^-3；

c、在真空度小于1.3×10^-2pa条件下进行c离子注入处理，注入时间为4.5小时，引出电压为39kv，束流密度为0.35μa/cm²，注入剂量为5.6×10¹⁷ions/cm²，注入能量为58kev；

d、炉冷后取出齿轮，并在室温下进行保存。

(2)在c强化层表面用双辉等离子合金化法制备w-mo合金层，具体包括以下步骤：

a、将由粉末冶金法制备的w-mo靶材用砂纸逐级打磨后，浸入酒精或丙酮中进行超声清洗28min，风干后置于装置炉内；

b、调节极间距，即w-mo靶材下表面与齿轮上表面的距离至19mm，关闭炉罩、放气阀、通气阀；

c、打开机械泵，然后打开抽气阀门，抽真空至8×10^-4pa，关闭抽气阀；

d、开启氩气瓶，打开氩气阀门，然后打开流量计通入氩气，进行洗气处理，当装置气压达到158pa时，打开真空阀并且关闭氩气流量阀门，使气压降至39pa，重复以上洗气步骤4次；

e、将气压调至工作气压39pa；

f、开启48℃循环水；

g、打开工件极电源，利用空心阴极效应起辉，辉光稳定后，逐步将源极电压调为590v，工件极电压调为295v，对齿轮进行低温轰击3h；

h、逐步调节工件极电压与源极电压，直至源极电压为940v，工件极电压为540v。

i、保温3.2小时；

g、逐渐缓慢降低源极和工件极电压为0，为避免应力集中，时间为6h；

k、关闭氩气阀门、真空阀、机械泵、电源开关、循环水开关；

1、冷却10小时后取出齿轮。

(3)所制得的齿轮表面复合梯度耐磨合金层，自上而下依次包括mo-w沉积层、mo/wc梯度陶瓷层和c强化层，w-mo靶材中w的质量分数为68wt％，mo的质量分数为32wt％，mo/wc梯度层的mo、w含量由表及里梯度下降，c含量由表及里梯度上升，其中，mo-w沉积层的厚度为19μm，mo/wc梯度陶瓷层、c强化层的总厚度为5μm。

由摩擦磨损试验可得，具有耐磨合金层的粉末冶金齿轮比磨损率较原齿轮降低了723％。