CN104388889A

CN104388889A - 表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮及其制作方法

Info

Publication number: CN104388889A
Application number: CN201410695414.0A
Authority: CN
Inventors: 胡建军; 孙智富; 侯天凤
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-03-04

Abstract

本专利涉及了一种表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮及其制作方法，包括齿轮基体，其特征在于，在齿轮基体表面设置有复合涂层，所述复合涂层由工作层、中间梯度层连接构成，工作层、中间梯度层合金化连接，中间梯度层与齿轮基体合金化连接。本发明的齿轮，表面层硬度在HV800~2000之间（可按要求控制硬度的精度在±5%之内），获得较高的硬度；涂层厚度在0.1~2mm之内（可调），涂层较厚，获得较高的耐磨性和韧性；涂层较厚，增强了缓冲能力，齿轮寿命大幅度提高，在现有基础上提高一倍以上。制造方法简单，容易操作；而且制造效率较高，满足批量生产的需要。

Description

表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种齿轮制造方法，尤其是获得高硬度、高耐磨性、高韧性和高寿命的表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮及其制作方法。

背景技术

众所周知，目前国内外多利用低碳或中碳合金钢制造齿轮，在齿轮成形加工之后多用表面化学热处理，如表面改性处理技术及表面感应加热等热处理方法，如：表面渗C，氮化，C、N共渗，离子氮化及PVD，CVD，PCVD，TD，齿轮表面抛丸等技术，以及激光、离子注入、等离子处理、电子束分子外延等表面处理方法。但至目前为止，上述各种方法存在以下缺点：

①常规扩渗方法虽然可以达到理想的涂层厚度和结合力，但普遍硬度偏低，为HR60左右；

②而近年诞生的其他方法，获得的涂层太薄，普遍在10um以下，而且涂层与基体结合力和耐磨性很差；

③由于设备较高精度和较高真空度限制，很难用于大批量生产，特别是尺寸大的工件则所需设备异常庞大，否则不能满足工程需要。

故，现有技术的处理方法，不能获得表面高硬度、高耐磨性、高韧性和高寿命的齿轮，不能满足市场和用户的需要。

发明内容

本发明针对现有技术不能获得表面高硬度、高耐磨性、高韧性和高寿命的齿轮的不足，其目的在于提供一种表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮及其制作方法及其制造方法。

为了实现上述目的，本专利采用以下技术方案：

一种表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮，包括齿轮基体，其特征在于，在齿轮基体表面设置有复合涂层，所述复合涂层由工作层、中间梯度层连接构成，工作层、中间梯度层之间合金化连接，中间梯度层与齿轮基体合金化连接。

进一步的特征是：所述中间梯度层，是[C]、[N]活性原子被工件基体表面吸收，逐渐向内扩散，工件基体表面形成C、N中间梯度层。

、所述工作层，是Cr、Nb、V、B、Ti元素的一种、两种、或三种、四种或五种，各自的化合物或盐，在一定温度下分解，形成Cr、Nb、V、B、Ti的离子或分子；这些离子或分子和基体钢种的Fe和C形成高强度和高硬度的工作层。

表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮的制造方法，包括如下步骤：

1）将待处理的齿轮工件放在密闭的真空炉炉膛内，抽真空并加热，加热范围为室温~1100℃；

2）向炉膛内通入氨气，并加入煤油、苯、甲醇其中一种或任意两种；根据工艺要求的C、N浓度，保温一段时间，以获得含C、N的中间梯度层；

3）向炉膛内通入含Cr、Nb、V、B、Ti元素的一种、两种、三种、四种或五种，这些元素组分各自之间按照工艺要求的浓度；达到工艺要求后，取出工件；向炉膛内加入含Cr、Nb、V、B、Ti元素的化合物或盐，在一定温度下分解，分别形成Cr、Nb、V、B、Ti的离子或分子；这些元素的离子或分子和基体钢种的Fe和C形成高硬度耐磨工作层；

4）按照工艺要求，对工件进行热处理，即得到齿轮工件。

本发明表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮及其制作方法，相对于现有技术，具有如下特点：

本发明的齿轮采用传统的常规齿轮制造材料和成形加工方法，采用新型的电真空复合表面热处理扩渗强化技术：

1、使齿轮表面层硬度在HV800~2000之间（可按要求控制硬度的精度在±5%之内），获得较高的硬度；

2、涂层厚度在0.1~2mm之内（可调），涂层较厚，获得较高的耐磨性和韧性；

3、具有多组分共渗的涂层，涂层较厚，增强了缓冲能力，齿轮寿命大幅度提高，在现有基础上提高一倍以上。

4、制造方法简单，容易操作；而且制造效率较高，满足批量生产的需要。

附图说明

图1 是本发明齿轮结构剖视图；

图2 是硬度从涂层表面到芯部的变化曲线图；

图3 是本发明齿轮处理炉结构剖视图。

具体实施方式

本发明的表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮，包括齿轮基体21，在齿轮基体21表面设置有复合涂层，复合涂层由工作层23、中间梯度层22连接构成，工作层23、中间梯度层22之间合金化连接，中间梯度层22与齿轮基体21合金化连接。

本发明在钢制齿轮的表面采用热扩散的方法，使齿轮表面形成一个C、N、Re等元素热扩渗冶金结合层，把该层作为中间梯度层，然后再在此层上继续热扩渗，强烈碳化物形成元素Cr、Nb、V、B、Ti等，使之形成和中间梯度过渡层紧密结合的高硬度耐磨工作层。故，本发明这种复合涂层由表面的工作层、中间梯度层和基体组成，各层之间均为冶金结合。

本发明齿轮的制造方法，1）将齿轮工件放在密闭的真空炉炉膛内，抽真空并加热，加热范围为室温~1100℃，根据工艺要求确定；具体的温度，可以选择200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、980℃、1000℃、1050℃、1080℃、1100℃等，都能满足本发明的需要；

2）向炉膛内通入氨气，并加入煤油、苯、甲醇其中一种或任意两种；根据工艺要求规定中间层的C、N浓度要求，随时改变通入气氛的成分配比，以获得多种C、N浓度的中间梯度层；本发明提供一种具体的炉内成分范围，可按下列重量百分比范围调节：ω（C_nH_2n+2）=1.0%~1.5%，ω（C_nH_2n）≤0.6%，ω（CO）=20%~40%，ω（H₂）=50%~60%，ω（CO₂）≤0.5%，ω（O₂）≤0.5%，最后在工艺要求指定的温度范围内保温一定时间，形成C、N中间梯度层，当达到工艺要求的扩渗层厚度的工艺要求后，关闭中间层扩渗气氛阀；3）然后，向炉膛内通入含Cr、Nb、V、B、Ti等元素气氛的一种、任意两种、或任意三种、或任意四种，或全部五种气氛，这些元素气氛各自之间按其浓度要求改变成分配比，当达到工艺参数后（该工艺参数包括扩渗时间、温度、浓度、渗层深度等），关闭工作层发生器，取出工件；向炉膛内加入含Cr、Nb、V、B、Ti等元素的化合物、盐等，各自在一定温度下分解，形成Cr、Nb、V、B、Ti的离子或分子；这些元素的离子或分子和基体钢种的Fe和C形成高强度和高硬度的化合物以增加齿轮表面硬度和耐磨性，形成高硬度耐磨工作层；4）按照工艺要求，对工件进行淬火或/和回火处理，即得到本发明的齿轮工件；该齿轮工件就可以装配使用。

本设备可以按计算和设计要求选择中间梯度层及工作层的种类和厚度，并可以按使用要求调整。

由于C,N等原子半径较小的元素在Fe中可以形成间隙固溶体，易于在钢中扩散，一般情况下，当溶质与溶剂金属的点阵类型相同时，也易取得大的固溶度，如Cr、Nb、V、B、Ti等，这些元素和基体钢种的Fe和C形成高强度和高硬度的化合物以增加齿轮表面硬度和耐磨性。在加热炉中滴入煤油，或者苯、甲醇，同时炉中通氨气，则产生以下化学反应：

CH4+NH3≒HCN+3H2

CO+NH3≒HCN+H2O

2HCN≒H2+2[C]+2[N]

则[C]、[N]活性原子被工件表面吸收，逐渐向内扩散，形成C、N中间梯度层。此层可改变工艺参数（温度、时间、浓度等）达到预期的要求。

然后在高温下提供含Cr,Nb,V,B、Ti等元素的化合物（如氧化物、氯化物等）或盐，则继续在工件表面扩散，并按菲克第二定律规律进行:

式中：D为扩散系数，cm2/s

：为渗入元素沿x方向的浓度梯度

；为经过t时间后，反应物的浓度。

影响扩散速率的主要因素有温度，基体合金成分，渗剂原子浓度，晶格结构等，扩散系数与温度的关系为：

式中：D0扩散常数：R气体常数：Q扩散激化能：T为热力学温度。按齿轮使用如工况要求，并结合齿轮失效原因分析，设计合理的涂层结构，然后合理的控制上述工作参数，使之达到设计要求。

如图3所示，本发明的齿轮处理炉，包括密封的加热炉炉体1，加热炉炉体1的中间空腔形成加热炉膛2，待处理齿轮工件放置在加热炉膛2内，或者在加热炉膛2的底部设置一个工件载物台3，将待处理齿轮工件放置在工件载物台3上；在加热炉炉体1上，设置有测温探头4、真空度检测探头5，测温探头4、真空控制器5的端头都通入加热炉膛2内，或与加热炉膛2连通，分别测量温度（控制温度）或真空度；在加热炉炉体1上，设置有抽真空泵体6，抽真空泵体6的管道通入加热炉膛2内，启动抽真空泵体6后，将加热炉膛2内的气体强制向外抽，形成真空。在加热炉炉体1上，设置有一个或一个以上的中间层组分输入通道7，分别在受控状态下将中间梯度层处理需要的组分各自加入加热炉膛2内，在中间层组分输入通道7上，设置有必要的控制器、控制阀、储存罐体等，按照工艺要求打开，并将该组分加入。由于中间梯度层处理需要的组分含有气体，故在加热炉膛2内设置有罩子8，罩子8与中间层组分输入通道7的管道连接，加入的气体组分首先进入罩子8内，从上往下靠近待处理齿轮工件；在加热炉炉体1上，设置有一个或一个以上的工作层组分输入通道9，分别在受控状态下将工作层处理需要的组分各自加入加热炉膛2内，在工作层组分输入通道9上，设置有必要的控制器、控制阀、储存罐体等，按照工艺要求打开，并将该组分加入。每组组分最好放置在一个组分输入通道内，每种组分单独在受控状态下加入加热炉膛2内。加热炉炉体1的加热结构可以采用现有技术，如电加热、气体加热等，达到工艺要求的温度即可。

在加热炉炉体1上，设置有排水阀10，排气阀11，都与加热炉膛2连通；根据需要打开后，将加热炉膛2的水或气体向外排出。

将工件2放在加热炉膛2内，启动抽真空泵体6抽真空并加热，同时中间层组分输入通道7打开，中间扩渗气氛发生器工作，将形成中间层的中间扩渗气氛需要的组分加入炉膛2内，并在指定的温度范围内保温一定时间，当达到一定的扩渗层厚度的工艺要求后，关闭该中间层组分输入通道7；并开启工作层组分输入通道9，将工作层扩渗需要的组分加入炉膛2内，当达到工艺参数后，关闭设备，取出工件转入下边工序热处理，如淬火和回火处理，得到齿轮工件；该齿轮工件可以装配使用。

本设备可以按计算和设计要求选择中间梯度层及工作层的种类和该层的厚度，并可以按使用要求调整。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对于不脱离本发明技术方案的替换/修改均应落入本发明要求保护的范围之中。

Claims

1.一种表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮，包括齿轮基体，其特征在于，在齿轮基体表面设置有复合涂层，所述复合涂层由工作层、中间梯度层连接构成，工作层、中间梯度层之间合金化连接，中间梯度层与齿轮基体合金化连接。

2.根据权利要求1所述的表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮，其特征在于：所述中间梯度层，是[C]、[N]活性原子被工件基体表面吸收，逐渐向内扩散，工件基体表面形成C、N中间梯度层。

3.根据权利要求1或2所述的表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮，其特征在于：所述工作层，是Cr、Nb、V、B、Ti元素的一种、两种、或三种、四种或五种，各自的化合物或盐，在一定温度下分解，形成Cr、Nb、V、B、Ti的离子或分子；这些离子或分子和基体钢种的Fe和C形成高强度和高硬度的工作层。

4.表面具有多元共渗梯度涂层的齿轮的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

4）按照工艺要求，对工件进行热处理，即得到齿轮工件。