一種高速齒輪類石墨碳膜超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化方法
【專利摘要】一種高速齒輪類石墨碳膜超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化方法，首先在齒輪表面依次進(jìn)行噴丸、微噴和流體拋光前處理，使其表面光潔度小于0.2μm；然后采用非平衡磁控濺射復(fù)合靶技術(shù)，將Y、Ta等元素引入類石墨碳膜制備技術(shù)，在齒輪表面制備一種超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜，即濺射清洗基體金屬1的表面，在流體拋光表面層2上依次制備Cr過(guò)渡層3、Cr/C梯度層4及具有超低摩擦系數(shù)的類石墨復(fù)合工作層5，本發(fā)明解決了高速齒輪固體潤(rùn)滑膜壽命低的問(wèn)題，有效降低了高速齒輪的振動(dòng)噪音，采用本技術(shù)的傳動(dòng)齒輪振動(dòng)噪音降低10～15%，為降低齒輪振動(dòng)噪音提供了一種新的技術(shù)途徑。
【專利說(shuō)明】一種高速齒輪類石墨碳膜超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜材料及現(xiàn)代表面工程技術(shù)的物理氣相沉積【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種非平衡磁控濺射超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜制備方法，特別涉及基于降低傳動(dòng)噪音的一種高速齒輪類石墨碳膜超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]齒輪傳動(dòng)不斷向高速、輕質(zhì)、重載領(lǐng)域發(fā)展，如何降低齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)噪音是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的重要研究領(lǐng)域。齒輪表面固體潤(rùn)滑是降低齒輪傳動(dòng)噪音的重要手段，由于一般固體潤(rùn)滑膜壽命難以滿足高速齒輪傳動(dòng)壽命需求，其應(yīng)用研究受到嚴(yán)重制約。
[0003]為了提高齒輪鍍膜壽命，EMurakawa等用非晶WC/C梯度碳膜有效提高了失油潤(rùn)滑條件下的齒輪壽命，同時(shí)，齒輪表面鍍膜前進(jìn)行了微噴處理以提高膜-基結(jié)合強(qiáng)度，A.RIVA等用彌散了納米金屬碳化物的非晶含氫碳膜(ES200和ES300)有效提高了 TM前處理后齒輪的抗咬合性能。以sp2雜化為主的類石墨碳膜是一種優(yōu)異的耐磨、減摩納米復(fù)合膜，基體表面流體拋光的類石墨碳膜具有更加優(yōu)異的綜合性能，在齒輪固體潤(rùn)滑領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。但是，目前報(bào)道的類石墨碳膜最低平均摩擦系數(shù)普遍在0.065以上，也未見(jiàn)齒輪鏡面流體拋光+固體自潤(rùn)滑薄膜表面強(qiáng)化以及將固體潤(rùn)滑膜層技術(shù)用于降低齒輪傳動(dòng)噪音的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高速齒輪類石墨碳膜超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化方法，鍍膜前對(duì)齒 輪表面依次進(jìn)行噴丸、微噴和流體拋光前處理；然后采用非平衡磁控濺射復(fù)合靶技術(shù)，制備一種超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜，沉積于微噴和流體拋光的齒輪表面，解決了高速、齒輪固體潤(rùn)滑膜壽命低的問(wèn)題，有效降低了高速、齒輪的振動(dòng)噪
曰?
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]一種高速齒輪類石墨碳膜超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一:采用常規(guī)噴丸和強(qiáng)化噴丸對(duì)齒輪表面進(jìn)行噴丸處理，改善齒輪表面應(yīng)力狀態(tài)，去除齒輪毛刺、氧化物和表面加工刀痕，采用粒度在10~60 μ m范圍內(nèi)的陶瓷顆粒對(duì)齒輪進(jìn)行表面噴砂處理，去除氧化物，改善齒輪表面粗糙度后，再采用流體拋光技術(shù)，使齒輪表面光潔度小于0.2 μ m，齒輪表面流體拋光量控制在5 μ m以內(nèi)，再采用超聲波除蠟、除油清洗各10~15min對(duì)齒輪表面進(jìn)行處理，然后采用丙酮試劑漂洗干凈后風(fēng)干或烘干；
[0008]步驟二、將清洗干凈的齒輪均勻固定在兩軸工裝上，齒輪軸向與工裝軸向保持一致，齒輪沿工裝外圓均勻分布，使各齒輪與濺射靶的徑向靶-基距保持一致，啟動(dòng)抽真空設(shè)備，當(dāng)鍍膜室真空度達(dá)到E-3~E-4Pa時(shí)，濺射清洗基體金屬I(mǎi)的表面，在流體拋光表面層2上依次制備Cr過(guò)渡層3、Cr/C梯度層4及多元復(fù)合工作層5，工作氣體為氬氣，真空度控制在E-3~E-4Pa，偏壓:500~700V，工裝旋轉(zhuǎn)速度:4~4r/min，其中的Cr過(guò)渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.3~3%，余量:Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;多元復(fù)合工作層5按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.03~0.3%, Cr:5~15%，Ta:50~70%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。
[0009]步驟二中所述的Cr過(guò)渡層3的制備:逐漸調(diào)高Cr濺射靶的濺射電流為5.0~
7.0A,調(diào)節(jié)時(shí)間為15~20分鐘，過(guò)渡層厚度為0.3~0.5 μ m。[0010]步驟二中所述的Cr/C梯度層4的制備:逐漸提高C靶的濺射電流為8.0~10.0A、降低一個(gè)Cr靶濺射靶的濺射電流為0A，同時(shí)逐步調(diào)節(jié)另一個(gè)Cr靶濺射電流至0.2~0.5A，調(diào)節(jié)時(shí)間為15~20分鐘，梯度層厚度為0.3~0.5 μ m。
[0011]步驟二中所述的石墨復(fù)合工作層5的制備:C靶的濺射電流為8.0~10.0A, Cr靶濺射電流為0.2~0.5A，偏壓:50~70V，保持時(shí)間:180~360分鐘，復(fù)合工作層厚度為
2.0~4.0 μ m，齒輪表面碳膜總厚度控制在2~5 μ m。
[0012]本發(fā)明的有益效果是涉及一種非平衡磁控濺射超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜制備及其高速齒輪表面強(qiáng)化技術(shù)，將稀土及鉭等第三元素引入類石墨碳膜的磁控濺射制備技術(shù)，制備了一種超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜，提高了類石墨碳膜摩擦磨損性能和膜-基結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)，在齒輪鍍膜前對(duì)其進(jìn)行了噴丸、流體拋光前處理以進(jìn)一步提高齒輪固體潤(rùn)滑膜的結(jié)合強(qiáng)度和可靠性。通過(guò)這種方法在流體拋光齒輪上制備了一種綜合性能優(yōu)良的超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜，類石墨碳膜在載荷20N、線速度0.2m/s的平均摩擦系數(shù)達(dá)到0.02，最低摩擦系數(shù)0.003，膜-基結(jié)合強(qiáng)度提高20%以上，可以有效的提高齒輪的傳動(dòng)效率和抗膠合能力，采用本技術(shù)的傳動(dòng)齒輪振動(dòng)噪音降低10~15%，為降低齒輪振動(dòng)噪音提供了一種新的技術(shù)途徑。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明齒輪固體潤(rùn)滑膜結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明非平衡磁控濺射靶分布及齒輪工裝示意圖。
[0015]圖3本發(fā)明類石墨碳膜磨損率效果對(duì)比圖。
[0016]圖4為本發(fā)明類石墨碳膜的摩擦系數(shù)效果對(duì)比圖。
[0017]圖5為本發(fā)明類石墨碳膜的膜-基結(jié)合強(qiáng)度效果對(duì)比圖。
[0018]圖6為本發(fā)明類石墨碳膜的電化學(xué)腐蝕性能效果對(duì)比圖。
[0019]圖7為本發(fā)明某鍍膜齒輪水泵I徑向減振降噪效果對(duì)比圖。
[0020]圖8為本發(fā)明某鍍膜齒輪水泵I軸向減振降噪效果對(duì)比圖。
[0021]圖9為本發(fā)明某鍍膜齒輪水泵2徑向減振降噪效果對(duì)比圖。
[0022]圖10為本發(fā)明某鍍膜齒輪水泵2軸向減振降噪效果對(duì)比圖。
[0023]圖11為本發(fā)明某鍍膜齒輪水泵2試驗(yàn)后的齒輪磨損形貌。
[0024]圖中，1.齒輪基體金屬,2.齒廓表面流體拋光層,3.金屬過(guò)渡層,4.金屬/碳梯度層，5.類石墨復(fù)合工作層，6.齒輪，7.齒輪鍍膜專用工裝。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]一種高速齒輪類石墨碳膜超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化方法，包括以下步驟:[0027]步驟一:采用常規(guī)噴丸和強(qiáng)化噴丸對(duì)齒輪表面進(jìn)行噴丸處理，改善齒輪表面應(yīng)力狀態(tài)，去除齒輪毛刺、氧化物和表面加工刀痕，采用粒度在10~60 μ m范圍內(nèi)的陶瓷顆粒對(duì)齒輪進(jìn)行表面噴砂處理，去除氧化物，改善齒輪表面粗糙度后，再采用流體拋光技術(shù)，要使齒輪表面光潔度小于0.2 μ m，齒輪表面流體拋光量控制在5 μ m以內(nèi)，再采用超聲波除蠟、除油清洗各10~15min對(duì)齒輪表面進(jìn)行處理，然后采用丙酮試劑漂洗干凈后風(fēng)干或烘干；
[0028]具體為:步驟1:在非平衡磁控濺射鍍膜設(shè)備的濺射靶上沿磁控管加工一定數(shù)量和規(guī)格通孔，并制備一定數(shù)量相應(yīng)規(guī)格的Y、Ta、C、Cr高純鑲塊；
[0029]步驟2:在步驟I得到的碳靶上鑲嵌一定數(shù)量的Y、Ta鑲塊，在步驟I得到的鉻靶上鑲嵌一定數(shù)量的Y鑲塊，其余的孔鑲嵌與靶材相同材質(zhì)的C或Cr鑲塊；
[0030]步驟3:齒輪噴丸前處理，采用常規(guī)噴丸和強(qiáng)化噴丸對(duì)齒輪表面進(jìn)行噴丸處理，改善齒輪表面應(yīng)力狀態(tài)，去除齒輪毛刺、氧化物和表面加工刀痕；
[0031]步驟4:齒輪微噴前處理，用粒度在10~60 μ m范圍內(nèi)的相關(guān)陶瓷顆粒對(duì)齒輪進(jìn)行表面噴砂處理，去除氧化物，改善齒輪表面粗糙度；
[0032]步驟5:齒輪流體拋光前處理，根據(jù)齒輪的材料、精度、形位尺寸，可采用機(jī)械流體拋光、振動(dòng)流體拋光、電解流體拋光或噴射流體拋光等的一種方法，對(duì)齒輪表面進(jìn)行流體拋光處理，使其表面光潔度小于0.2 μ m，齒輪表面流體拋光量控制在5 μ m以內(nèi)，保證齒輪公差無(wú)明顯影響；
[0033]步驟6:鍍膜前，對(duì)齒輪進(jìn)行超聲波除蠟、除油清洗各10~15min，用丙酮試劑漂洗干凈后，風(fēng)干或烘干；
[0034]步驟三、將清洗干凈的齒輪均勻固定在兩軸工裝上，齒輪軸向與工裝軸向保持一致，齒輪沿工裝外圓均勻分布，使各齒輪與濺射靶的徑向靶-基距保持一致，啟動(dòng)抽真空設(shè)備，當(dāng)鍍膜室真空度達(dá)到E-3~E-4Pa時(shí)，濺射清洗基體金屬I(mǎi)的表面，在流體拋光表面層2上依次制備Cr過(guò)渡層3、Cr/C梯度層4及多元復(fù)合工作層5，工作氣體為氬氣，真空度控制在E-3~E-4Pa，偏壓:500~700V，工裝旋轉(zhuǎn)速度:4~4r/min，其中的Cr過(guò)渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.3~3%，余量:Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;多元復(fù)合工作層5按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.03~0.3%, Cr:5~15%，Ta:50~70%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。
[0035] 參照?qǐng)D1，齒輪表面依次由基體金屬1、流體拋光層2、Cr過(guò)渡層3、Cr/C梯度層4及多元復(fù)合工作層5組成，其中的Cr過(guò)渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.3~3%，余量:Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;其中的多元復(fù)合工作層5按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.03~0.3%，Cr:5~15%，Ta:50~70%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。
[0036]步驟三具體為:步驟1:齒輪鍍膜采用兩軸工裝，參照?qǐng)D2，將清洗干凈的工件均勻固定在專用的鍍膜工裝上，齒輪軸向與鍍膜工裝軸向保持一致，為了提高齒輪齒廓碳膜的均勻性，齒輪沿工裝外圓均勻分布，使各齒輪與濺射靶的徑向靶-基距保持一致；在非平衡磁控濺射鍍膜設(shè)備的濺射靶上沿磁控管加工一定數(shù)量和規(guī)格通孔，并在濺射靶上鑲嵌一定數(shù)量的Y、Ta等高純鑲塊，其余的孔鑲嵌與靶材相同材質(zhì)的鑲塊；
[0037]步驟2:準(zhǔn)備工作完成后應(yīng)迅速將齒輪及工裝送入真空鍍膜室，防止齒輪表面氧化及二次污染，啟動(dòng)設(shè)備抽真空，保持齒輪表面的清潔狀態(tài)；
[0038]步驟3:鍍膜室真空度達(dá)到E-3~E_4Pa時(shí)，濺射清洗基體金屬I(mǎi)的表面流體拋光表面層2，工作氣體:氬氣，真空度控制在E-3~E-4Pa，偏壓:500~700V，工裝旋轉(zhuǎn)速度:4~4r/min，通過(guò)等離子濺射清洗得到潔凈的基體金屬流體拋光表面層2 ； [0039]步驟4:逐漸調(diào)高Cr濺射靶的濺射電流為5.0~7.0A,調(diào)節(jié)時(shí)間為15~20分鐘，在步驟3得到的潔凈的金屬表面上制備0.3~0.5 μ m的Cr過(guò)渡層3 ；
[0040]步驟5:逐漸提高C靶的濺射電流為8.0~10.0A、降低一個(gè)Cr靶濺射靶的濺射電流為0A，同時(shí)逐步調(diào)節(jié)另一個(gè)Cr靶濺射電流至0.2~0.5A，調(diào)節(jié)時(shí)間為15~20分鐘，在步驟10得到的Cr過(guò)渡層3上制備得到0.3~0.5 μ m的Cr/C梯度層4 ；
[0041]步驟6:控制濺射電流參數(shù)，C靶的濺射電流為8.0~10.0A, Cr靶濺射電流為
0.2~0.5A，偏壓:50~70V，保持時(shí)間:180~360分鐘，在步驟11得到的Cr/C梯度層4上制備得到2.0~4.0 μ m的含有Ta、Cr、C、Y的類石墨復(fù)合工作層5。齒輪表面碳膜總厚度控制在2~5 μ m，以保證齒輪的精度。
[0042]本發(fā)明是一種非平衡磁控濺射超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜制備及其高速齒輪超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化技術(shù)，鍍膜前，首先對(duì)齒輪表面依次進(jìn)行噴丸、微噴和流體拋光前處理；然后，采用非平衡磁控濺射復(fù)合靶技術(shù)，在齒輪表面沉積一種非平衡磁控濺射超低摩擦系數(shù)的類石墨碳膜。
[0043]Cr過(guò)渡層3和多元復(fù)合工作層5決定了類石墨碳膜的主要性能，Cr在碳膜中的含量通過(guò)調(diào)節(jié)Cr靶的濺射電流參數(shù)控制，Y、Ta含量通過(guò)調(diào)節(jié)Y、Ta鑲塊的數(shù)量控制，Cr/C梯度層4其組成和結(jié)構(gòu)決定于磁控濺射工藝參數(shù)。
[0044]超低摩擦系數(shù)的類石墨碳膜的磨損率對(duì)比效果見(jiàn)圖3，摩擦系數(shù)對(duì)比效果見(jiàn)圖4，膜-基結(jié)合強(qiáng)度對(duì)比效果見(jiàn)圖5，電化學(xué)腐蝕性能對(duì)比效果見(jiàn)圖6，可見(jiàn)采用靶材鑲嵌法改性后的多元類石墨碳膜的減摩、耐磨性能、膜-基結(jié)合強(qiáng)度和抗電化學(xué)腐蝕能力有顯著提高，有利于提高齒輪固體潤(rùn)滑碳膜的壽命和可靠性。
[0045]某鍍膜齒輪水泵I的軸向和徑向振動(dòng)減振降噪效果對(duì)比分別見(jiàn)圖7~8，模數(shù)m=5，齒數(shù)Z=8，齒寬B=20mm，傳動(dòng)比i=l:1，轉(zhuǎn)速6000rpm ;可見(jiàn)鍍膜齒輪嚙合最大振動(dòng)噪音有明顯衰減，最大振動(dòng)噪音衰減10%~15%，軸向振動(dòng)衰減效果優(yōu)于徑向振動(dòng)。
[0046]某鍍膜齒輪水泵2的軸向和徑向振動(dòng)減振降噪效果對(duì)比分別見(jiàn)圖9~10，模數(shù)m=5，齒數(shù)Z=8，齒寬B=40mm，傳動(dòng)比i=l:1，轉(zhuǎn)速lOOOrpm，流量100L/min，可見(jiàn)鍍膜齒輪嚙合振動(dòng)噪音明顯衰減，平均齒輪嚙合振動(dòng)衰減10%左右，最大振動(dòng)噪音衰減10%~15%，軸向振動(dòng)衰減效果優(yōu)于徑向振動(dòng)。
[0047]某鍍膜齒輪水泵2的齒輪固體潤(rùn)滑碳膜的摩擦形貌見(jiàn)圖11，試驗(yàn)結(jié)束后齒輪表面膜沒(méi)有異常剝落現(xiàn)象，即未見(jiàn)膜層剝落或分層現(xiàn)象，磨損也非常輕微，因此采用改性后的類石墨碳膜，對(duì)齒輪固體潤(rùn)滑表面強(qiáng)化以降低齒輪嚙合振動(dòng)噪音是可行的。
【權(quán)利要求】
1.一種高速齒輪類石墨碳膜超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:采用常規(guī)噴丸和強(qiáng)化噴丸對(duì)齒輪表面進(jìn)行噴丸處理，改善齒輪表面應(yīng)力狀態(tài)，去除齒輪毛刺、氧化物和表面加工刀痕，采用粒度在10~60 μ m范圍內(nèi)的陶瓷顆粒對(duì)齒輪進(jìn)行表面噴砂處理，去除氧化物，改善齒輪表面粗糙度后，再采用流體拋光技術(shù)，要使齒輪表面光潔度小于0.2 μ m，齒輪表面流體拋光量控制在5 μ m以內(nèi)，再采用超聲波除蠟、除油清洗各10~15min對(duì)齒輪表面進(jìn)行處理，然后采用丙酮試劑漂洗干凈后風(fēng)干或烘干； 步驟二、將清洗干凈的齒輪均勻固定在兩軸工裝上，齒輪軸向與工裝軸向保持一致，齒輪沿工裝外圓均勻分布，使各齒輪與濺射靶的徑向靶-基距保持一致，啟動(dòng)抽真空設(shè)備，當(dāng)鍍膜室真空度達(dá)到E-3~E-4Pa時(shí)，濺射清洗基體金屬I(mǎi)的表面，在流體拋光表面層2上依次制備Cr過(guò)渡層3、Cr/C梯度層4及多元復(fù)合工作層5，工作氣體為氬氣，真空度控制在E-3~E-4Pa，偏壓:500~700V，工裝旋轉(zhuǎn)速度:4~4r/min，其中的Cr過(guò)渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.3~3%，余量:Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;多元復(fù)合工作層5按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.03~0.3%, Cr:5~15%，Ta:50~70%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速齒輪類石墨碳膜超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化方法，其特征在于，步驟二中所述的Cr過(guò)渡層3的制備:逐漸調(diào)高Cr濺射靶的濺射電流為5.0~7.0A,調(diào)節(jié)時(shí)間為15~20分鐘，過(guò)渡層厚度為0.3~0.5 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速齒輪類石墨碳膜超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化方法，其特征在于，步驟二中所述的Cr/C梯度層4的制備:逐漸提高C靶的濺射電流為8.0~10.0A、降低一個(gè)Cr靶濺射靶的濺射電流為0A，同時(shí)逐步調(diào)節(jié)另一個(gè)Cr靶濺射電流至0.2~0.5A，調(diào)節(jié)時(shí)間為15~20分鐘，梯度層厚度為0.3~0.5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速齒輪類石墨碳膜超潤(rùn)滑表面強(qiáng)化方法，其特征在于，步驟二中所述的類石墨復(fù)合工作層5的制備:C靶的濺射電流為8.0~10.0A，Cr靶濺射電流為0.2~0.5A，偏壓:50~70V，保持時(shí)間:180~360分鐘，復(fù)合工作層厚度為2.0~4.0ym,齒輪表面碳膜總厚度控制在2~5 μ m。
【文檔編號(hào)】C23F17/00GK103469217SQ201310438925
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】王佐平, 陳喜鋒, 宇文江濤 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第十二研究所