CN116948526B - 一种具有高耐疲劳性的齿轮及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高耐疲劳性的齿轮及其制备方法，属于齿轮的技术领域。一种具有高耐疲劳性的齿轮，包括齿轮本体和耐疲劳涂层，所述耐疲劳涂层由涂料固化后所得。本发明方案通过改性混合体、间苯二胺溶液和混合粉料制备涂料，在涂料成型过程中改性混合体和间苯二胺反应得到反应产物，混合粉料中的四种物质协同作用机制结合改性混合体和间苯二胺的反应产物自修复的方式提高齿轮的耐疲劳性能。
Description
技术领域
本发明属于齿轮的技术领域，涉及一种具有高耐疲劳性的齿轮及其制备方法。
背景技术
齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件，它在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。齿轮是指轮缘上有齿轮连续啮合传递运动和动力的机械元件。齿轮及其齿轮产品是机械装备的重要基础件，绝大部分机械成套设备的主要传动部件都是齿轮传动。
但是齿轮在实际实用时，其齿部容易在工作中被磨损，碳含量低于0.3％时，无法保证齿轮内部的强度，但碳含量高于1％时，会影响钢的韧性，因而在齿轮生产时，通常在齿轮表面涂覆耐疲劳剂形成耐磨、耐疲劳涂层，对齿轮表面进行保护，提高齿轮的使用寿命。
但是相关技术中的齿轮的涂层虽然具有较好的耐疲劳、耐磨性能，但是其韧性差，具有高耐疲劳性的齿轮在高强度工作中，其涂层容易出现开裂现象，导致齿轮在低温下的使用寿命降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高耐疲劳性的齿轮及其制备方法，通过改性混合体、间苯二胺溶液和混合粉料制备的涂料，在涂料成型过程中改性混合体和间苯二胺反应得到反应产物，混合粉料中的四种物质协同作用机制结合改性混合体和间苯二胺的反应产物自修复的方式提高齿轮的耐疲劳性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种具有高耐疲劳性的齿轮，包括齿轮本体和耐疲劳涂层，所述耐疲劳涂层由涂料固化后所得，所述涂料的制备方法包括以下步骤：
1)将蓖麻油和3-丁酮酸叔丁酯搅拌混合，加热反应，真空蒸馏处理后，得到改性蓖麻油；
2)将改性蓖麻油、硫代丙醇酸、氧化钕和二氯甲烷溶液混合均匀，加入光引发剂进行反应，对反应产物进行去杂处理后，得到改性混合体；
3)将二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末混合，球磨、干燥后，得到混合粉料；
4)将改性混合体和间苯二胺溶液搅拌混合后，加入混合粉料继续搅拌，得到涂料。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤1)中，所述蓖麻油和3-丁酮酸叔丁酯的质量比为2：1.1-1.2；所述搅拌混合条件为在氮气气氛下，搅拌混合15-20min；所述加热反应条件为加热至125-140℃、反应8-10h，所述真空蒸馏处理条件为在130-140℃下真空蒸馏除去产生的叔丁醇和多余的3-丁酮酸叔丁酯。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤2)中，所述改性蓖麻油、硫代丙醇酸、氧化钕和二氯甲烷的用量比为0.01mol：2.2-3.0mol：0.01-0.02g：40-50mL；所述二氯甲烷溶液的质量浓度为99.5％，二氯甲烷溶液为将二氯甲烷溶于乙醇或***制得；所述改性蓖麻油与光引发剂的质量比为30：1.2-1.4，所述光引发剂为光引发剂1173；所述去杂处理为使用蒸馏水萃取3-4次除去多余硫代丙醇酸、使用无水硫酸镁干燥、过滤后使用旋转蒸发除去二氯甲烷。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤3)中，所述二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末的质量比为3-4：1-2：4-5：12；所述球磨时间为15-20min，所述干燥条件为在150-160℃下，干燥3-4h；在本发明方案中，二硫化钼具有良好的摩擦性能和自润滑性能，它可以在齿轮运转过程中减少摩擦和磨损，提高其耐疲劳性；氧化钕具有磁性和热稳定性，可以吸附润滑剂并形成一层保护膜，减少涂层的磨损，同时还能吸收和散发热量，提高涂层的热稳定性和耐疲劳性，钕可以在使用过程中和金属铁形成有一定磁性的铁钕化合物，可自动填补修复摩擦副表面的微小裂痕；磷酸锰可以增强涂层的硬度和抗磨性能，并形成一种锰氧化物的保护膜，同时还可以提高涂层的耐热性，从而增强涂层的耐疲劳性；石墨层间具有较低的剪切强度，所以磨损表面较为光滑，具有极好的自润滑性能，可以形成氧化保护膜，减少涂层的磨损，涂层耐摩擦磨损性能较佳，提高涂层的耐疲劳性。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤4)中，所述改性混合体、间苯二胺溶液和混合粉料的质量比为6：2：0.5-0.8，所述间苯二胺溶液由间苯二胺和丙酮按质量比995：5配置而成。
本发明方案公开了一种具有高耐疲劳性的齿轮的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钢液进行控温浇铸、浸泡、退火、锻造，空冷至室温，得到铸锭；
(2)对铸锭进行轧制，得到齿轮本体；
(3)采用涂料对齿轮本体进行涂覆，熟化，冷却后，得到具有高耐疲劳性的齿轮。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤(1)中，所述控温浇铸条件为在1500-1600℃下进行浇铸；所述浸泡条件为在浓度为0.1-0.3mol/L的柠檬酸溶液中、浸泡10-20min，所述柠檬酸质量占所述铸锭总质量的0.1％；所述退火条件为在1280-1320℃下保温10-12h、冷却至1000-1050℃、保温1h后，空冷至室温；所述锻造条件为在1300-1400℃保温1-1.5h后进行锻造20-30min后、冷却至1200-1300℃进行锻造1-2h、终锻温度为1100-1150℃。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤(1)还包括对钢液进行调碳处理，所述调碳处理为向钢液加入炭黑，调节钢液的碳总量为1.15-2.00％。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤(2)中，所述轧制条件为在温度1200℃下保温1h后进行轧制造型，其中初轧温度为1200℃，终轧温度为1100℃。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤(3)中，所述涂覆条件为在100-120℃进行涂覆，所述熟化条件为在100-120℃下熟化1.5-2h；在涂覆步骤前，还包括二次浸泡，所述二次浸泡为使用浓度为0.5mol/L的柠檬酸溶液浸泡齿轮本体的外表面，二次浸泡时间为1h。
作为本发明的一种优选技术方案，在步骤(1)中的钢液包含以下元素Cr、C、Mn、Mo、Ni、Ce、V、Nb、Si、S、P和Fe。
本发明的有益效果：
1、本发明通过二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末均匀分布在涂层表面，通过四者在涂层表面协同作用，通过降低涂层的摩擦系数，显著提高涂层耐疲劳性；再者，本发明方案通过改性混合体、间苯二胺溶液和混合粉料制备的涂料，在涂料成型过程中改性混合体和间苯二胺反应得到反应产物，混合粉料中的四种物质协同作用机制结合改性混合体和间苯二胺的反应产物自修复的方式提高齿轮的耐疲劳性能。其中稀土氧化物在反应过程中不仅可以作为催化剂使用，在组合物中还以有机金属的形式存在，在使用过程中和其他金属元素相互作用，可自动填补修复摩擦副表面的微小裂痕，显著增加齿轮的耐疲劳性。
2、为了保证齿轮有足够的强度，本发明提高齿轮的碳含量，有利于固定钢中的微合金元素，避免渗碳过程中被氧化，但过高的碳含量会影响钢的韧性，不利于提高疲劳性能，本发明通过在浇铸后通过浸泡降低齿轮表面的碳含量，二次浸泡增加齿轮表面形成微观粗糙度，并增加其表面能，提高涂层与齿轮表面之间的物理吸附力和化学键结合力，这使得涂层更牢固地粘附在合金表面上，提高了涂层的附着力、耐磨性和耐疲劳性。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
一种具有高耐疲劳性的齿轮，包括齿轮本体和耐疲劳涂层，所述耐疲劳涂层由涂料固化后所得，所述涂料的制备方法包括以下步骤：
1)将蓖麻油和3-丁酮酸叔丁酯搅拌混合，加热反应，真空蒸馏处理后，得到改性蓖麻油；其中，所述蓖麻油和3-丁酮酸叔丁酯的质量比为2：1.1；所述搅拌混合条件为在氮气气氛下，搅拌混合15min；所述加热反应条件为加热至125℃、反应8h，所述真空蒸馏处理条件为在130℃下真空蒸馏除去产生的叔丁醇和多余的3-丁酮酸叔丁酯；
2)将改性蓖麻油、硫代丙醇酸、氧化钕和二氯甲烷溶液混合均匀，加入光引发剂进行反应，对反应产物进行去杂处理后，得到改性混合体；其中，所述改性蓖麻油、硫代丙醇酸、氧化钕和二氯甲烷的用量比为0.01mol：2.2mol：0.01g：40mL；所述二氯甲烷溶液的质量浓度为99.5％；所述改性蓖麻油与光引发剂的质量比为30：1.2，所述光引发剂为光引发剂1173；所述去杂处理为使用蒸馏水萃取3-4次除去多余硫代丙醇酸、使用无水硫酸镁干燥、过滤后使用旋转蒸发除去二氯甲烷；
3)将二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末混合，球磨、干燥后，得到混合粉料；其中，所述二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末的质量比为3：1：4：12；所述球磨时间为15min，所述干燥条件为在150℃下，干燥3h；
4)将改性混合体和间苯二胺溶液搅拌混合后，加入混合粉料继续搅拌，得到涂料；其中，所述改性混合体、间苯二胺溶液和混合粉料的质量比为6：2：0.5，所述间苯二胺溶液由间苯二胺和丙酮按质量比995：5配置而成；
一种具有高耐疲劳性的齿轮的制备方法包括以下步骤：
(1)对钢液进行调碳处理，所述调碳处理为向钢液加入炭黑，调节钢液的碳总量为1.15％，将调碳处理后的钢液在1500℃下进行浇铸、在浓度为0.1mol/L的柠檬酸溶液中、浸泡10min，所述柠檬酸质量占所述铸锭总质量的0.1％，在1280℃下保温10h、冷却至1000℃、保温1h后，空冷至室温，在1300℃保温1h后进行锻造20-30min后、冷却至1200℃进行锻造1h、终锻温度为1100℃，空冷至室温，得到铸锭；
(2)将铸锭在温度1200℃下保温1h后进行轧制造型，其中初轧温度为1200℃，终轧温度为1100℃，得到齿轮本体；
(3)二次浸泡后，采用涂料对齿轮本体在100℃进行涂覆，在100℃下熟化1.5h，冷却后，得到具有高耐疲劳性的齿轮。
实施例2
一种具有高耐疲劳性的齿轮，包括齿轮本体和耐疲劳涂层，所述耐疲劳涂层由涂料固化后所得，所述涂料的制备方法包括以下步骤：
1)将蓖麻油和3-丁酮酸叔丁酯搅拌混合，加热反应，真空蒸馏处理后，得到改性蓖麻油；其中，所述蓖麻油和3-丁酮酸叔丁酯的质量比为2：1.15；所述搅拌混合条件为在氮气气氛下，搅拌混合18min；所述加热反应条件为加热至132℃、反应9h，所述真空蒸馏处理条件为在135℃下真空蒸馏除去产生的叔丁醇和多余的3-丁酮酸叔丁酯；
2)将改性蓖麻油、硫代丙醇酸、氧化钕和二氯甲烷溶液混合均匀，加入光引发剂进行反应，对反应产物进行去杂处理后，得到改性混合体；其中，所述改性蓖麻油、硫代丙醇酸、氧化钕和二氯甲烷的用量比为0.01mol：2.6mol：0.015g：45mL；所述二氯甲烷溶液的质量浓度为99.5％；所述改性蓖麻油与光引发剂的质量比为30：1.3，所述光引发剂为光引发剂1173；所述去杂处理为使用蒸馏水萃取3次除去多余硫代丙醇酸、使用无水硫酸镁干燥、过滤后使用旋转蒸发除去二氯甲烷；
3)将二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末混合，球磨、干燥后，得到混合粉料；其中，所述二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末的质量比为3.5：1.5：4.5：12；所述球磨时间为18min，所述干燥条件为在155℃下，干燥3.5h；
4)将改性混合体和间苯二胺溶液搅拌混合后，加入混合粉料继续搅拌，得到涂料；其中，所述改性混合体、间苯二胺溶液和混合粉料的质量比为6：2：0.65，所述间苯二胺溶液由间苯二胺和丙酮按质量比995：5配置而成；
一种具有高耐疲劳性的齿轮的制备方法包括以下步骤：
(1)对钢液进行调碳处理，所述调碳处理为向钢液加入炭黑，调节钢液的碳总量为1.18％，将调碳处理后的钢液在1550℃下进行浇铸、在浓度为0.1-0.3mol/L的柠檬酸溶液中、浸泡10-20min，所述柠檬酸质量占所述铸锭总质量的0.1％，在1300℃下保温11h、冷却至1025℃、保温1h后，空冷至室温，在1350℃保温1.2h后进行锻造25min后、冷却至1250℃进行锻造1.5h、终锻温度为1120℃，空冷至室温，得到铸锭；
(2)将铸锭在温度1200℃下保温1h后进行轧制造型，其中初轧温度为1200℃，终轧温度为1100℃，得到齿轮本体；
(3)二次浸泡后，采用涂料对齿轮本体在110℃进行涂覆，在110℃下熟化1.8h，冷却后，得到具有高耐疲劳性的齿轮。
实施例3
一种具有高耐疲劳性的齿轮，包括齿轮本体和耐疲劳涂层，所述耐疲劳涂层由涂料固化后所得，所述涂料的制备方法包括以下步骤：
1)将蓖麻油和3-丁酮酸叔丁酯搅拌混合，加热反应，真空蒸馏处理后，得到改性蓖麻油；其中，所述蓖麻油和3-丁酮酸叔丁酯的质量比为2：1.2；所述搅拌混合条件为在氮气气氛下，搅拌混合20min；所述加热反应条件为加热至140℃、反应10h，所述真空蒸馏处理条件为在140℃下真空蒸馏除去产生的叔丁醇和多余的3-丁酮酸叔丁酯；
2)将改性蓖麻油、硫代丙醇酸、氧化钕和二氯甲烷溶液混合均匀，加入光引发剂进行反应，对反应产物进行去杂处理后，得到改性混合体；其中，所述改性蓖麻油、硫代丙醇酸、氧化钕和二氯甲烷的用量比为0.01mol：3.0mol：0.02g：50mL；所述二氯甲烷溶液的质量浓度为99.5％；所述改性蓖麻油与光引发剂的质量比为30：1.4，所述光引发剂为光引发剂1173；所述去杂处理为使用蒸馏水萃取3-4次除去多余硫代丙醇酸、使用无水硫酸镁干燥、过滤后使用旋转蒸发除去二氯甲烷；
3)将二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末混合，球磨、干燥后，得到混合粉料；其中，所述二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末的质量比为4：2：5：12；所述球磨时间为20min，所述干燥条件为在160℃下，干燥4h；
4)将改性混合体和间苯二胺溶液搅拌混合后，加入混合粉料继续搅拌，得到涂料；其中，所述改性混合体、间苯二胺溶液和混合粉料的质量比为6：2：0.8，所述间苯二胺溶液由间苯二胺和丙酮按质量比995：5配置而成；
一种具有高耐疲劳性的齿轮的制备方法包括以下步骤：
(1)对钢液进行调碳处理，所述调碳处理为向钢液加入炭黑，调节钢液的碳总量为2.00％，将调碳处理后的钢液在1600℃下进行浇铸、在浓度为0.3mol/L的柠檬酸溶液中、浸泡20min，所述柠檬酸质量占所述铸锭总质量的0.1％，在1320℃下保温12h、冷却至1050℃、保温1h后，空冷至室温，在1400℃保温1.5h后进行锻造30min后、冷却至1300℃进行锻造2h、终锻温度为1150℃，空冷至室温，得到铸锭；
(2)将铸锭在温度1200℃下保温1h后进行轧制造型，其中初轧温度为1200℃，终轧温度为1100℃，得到齿轮本体；
(3)二次浸泡后，采用涂料对齿轮本体在120℃进行涂覆，在120℃下熟化2h，冷却后，得到具有高耐疲劳性的齿轮。
对比例1
与实施例2相比，不同之处在于，对比例1不进行步骤1)，即在步骤2)中使用蓖麻油代替改性蓖麻油，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对比例2
与实施例2相比，不同之处在于，对比例2在步骤2)中不使用氧化钕，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对比例3-6
与实施例2相比，不同之处在于，对比例3-6在步骤3)中的二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末的用量比如表1所示，且在步骤4)中，混合粉料用量不变，其余组分、制备步骤和参数均一致。
表1
对比例7
与实施例2相比，不同之处在于，对比例7在步骤(1)中不使用炭黑，其余组分、制备步骤和参数均一致。
对比例8
与实施例2相比，不同之处在于，对比例8在步骤(1)中不使用柠檬酸溶液，其余组分、制备步骤和参数均一致。
测试例1
对实施例1-3和对比例1-8制得的齿轮以同样的外力在上述合金锻件表面划一条5cm长度的划痕(划痕不穿透薄膜)产生凹印，划后将合金锻件静置3min，测量划痕长度，计算修复率，每件样品重复测量5次，最终结果取平均值；测试结果如表2所示；
修复率＝修复后划痕长度/初始划痕长度×100％。
测试例2
对实施例1-3和对比例1-8制得的齿轮，使用MMU-10G高温端面摩擦磨损试验机进行滑动磨损试验，试验机转速200r/min，载荷200N，磨损时间90min。采用分析天平称重，以试件在滑动磨损条件下的失重量表征耐磨损性能，失重量越大，耐磨损性能越差。分别进行30℃下常温磨损和100℃下高温磨损，并通过下列算式计算磨损差值，测试结果如下表2所示；
磨损差值＝100℃磨损量-30℃磨损量。
表2
从表2测试结果可知，实施例1-3与对比例1-8相比，实施例1-3制得的齿轮耐磨、自愈性均显著优于对比例1-8，即本发明方案制备的齿轮具备优异的耐疲劳性能。在本发明方案中，通过改性混合体、间苯二胺溶液和混合粉料制备的涂料，在涂料成型过程中改性混合体和间苯二胺反应得到反应产物，混合粉料中的四种物质协同作用机制结合改性混合体和间苯二胺的反应产物自修复的方式提高齿轮的耐疲劳性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种具有高耐疲劳性的齿轮，包括齿轮本体和耐疲劳涂层，其特征在于，所述耐疲劳涂层由涂料固化后所得，所述涂料的制备方法包括以下步骤：
1)将蓖麻油和3-丁酮酸叔丁酯搅拌混合，加热反应，真空蒸馏处理后，得到改性蓖麻油；
2)将改性蓖麻油、硫代丙醇酸、氧化钕和二氯甲烷溶液混合均匀，加入光引发剂进行反应，对反应产物进行去杂处理后，得到改性混合体；
3)将二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末混合，球磨、干燥后，得到混合粉料；
4)将改性混合体和间苯二胺溶液搅拌混合后，加入混合粉料继续搅拌，得到涂料。
2.根据权利要求1所述的一种具有高耐疲劳性的齿轮，其特征在于：在步骤1)中，所述蓖麻油和3-丁酮酸叔丁酯的质量比为2：1.1-1.2；所述搅拌混合条件为在氮气气氛下，搅拌混合15-20min；所述加热反应条件为加热至125-140℃、反应8-10h，所述真空蒸馏处理条件为在130-140℃下真空蒸馏除去产生的叔丁醇和多余的3-丁酮酸叔丁酯。
3.根据权利要求1所述的一种具有高耐疲劳性的齿轮，其特征在于：在步骤2)中，所述改性蓖麻油、硫代丙醇酸、氧化钕和二氯甲烷的用量比为0.01mol：2.2-3.0mol：0.01-0.02g：40-50mL；所述二氯甲烷溶液的质量浓度为99.5％；所述改性蓖麻油与光引发剂的质量比为30：1.2-1.4，所述光引发剂为光引发剂1173；所述去杂处理为使用蒸馏水萃取3-4次除去多余硫代丙醇酸、使用无水硫酸镁干燥、过滤后使用旋转蒸发除去二氯甲烷。
4.根据权利要求1所述的一种具有高耐疲劳性的齿轮，其特征在于：在步骤3)中，所述二硫化钼、氧化钕、磷酸锰和石墨粉末的质量比为3-4：1-2：4-5：12；所述球磨时间为15-20min，所述干燥条件为在150-160℃下，干燥3-4h。
5.根据权利要求1所述的一种具有高耐疲劳性的齿轮，其特征在于：在步骤4)中，所述改性混合体、间苯二胺溶液和混合粉料的质量比为6：2：0.5-0.8，所述间苯二胺溶液由间苯二胺和丙酮按质量比995：5配置而成。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的具有高耐疲劳性的齿轮的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将钢液进行控温浇铸、浸泡、退火、锻造，空冷至室温，得到铸锭；
(2)对铸锭进行轧制，得到齿轮本体；
(3)采用涂料对齿轮本体进行涂覆，熟化，冷却后，得到具有高耐疲劳性的齿轮。
7.根据权利要求6所述的一种具有高耐疲劳性的齿轮的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述控温浇铸条件为在1500-1600℃下进行浇铸；所述浸泡条件为在浓度为0.1-0.3mol/L的柠檬酸溶液中、浸泡10-20min，所述柠檬酸质量占所述铸锭总质量的0.1％；所述退火条件为在1280-1320℃下保温10-12h、冷却至1000-1050℃、保温1h后，空冷至室温；所述锻造条件为在1300-1400℃保温1-1.5h后进行锻造20-30min后、冷却至1200-1300℃进行锻造1-2h、终锻温度为1100-1150℃。
8.根据权利要求6或7所述的一种具有高耐疲劳性的齿轮的制备方法，其特征在于：在步骤(1)还包括对钢液进行调碳处理，所述调碳处理为向钢液加入炭黑，调节钢液的碳总量为1.15-2.00％。
9.根据权利要求6所述的一种具有高耐疲劳性的齿轮的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述轧制条件为在温度1200℃下保温1h后进行轧制造型，其中初轧温度为1200℃，终轧温度为1100℃。
10.根据权利要求6所述的一种具有高耐疲劳性的齿轮的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述涂覆条件为在100-120℃进行涂覆，所述熟化条件为在100-120℃下熟化1.5-2h。
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