CN102628544A - 一种齿轮及凸轮表面微嵌入自润滑织构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮及凸轮表面微嵌入自润滑织构及其制备方法。即首先采用Ｎｄ∶ＹＡＧ激光加工技术实现齿轮及凸轮表面的微织构加工，然后利用自润滑复合材料的成型粘结技术将固体润滑剂压填嵌入到齿轮及凸轮表面的微织构中。自润滑复合材料按质量百分比配方组成为：聚酰亚胺（PI）：15～85％；聚四氟乙烯（PTFE）：0～85％；MoS2：10～40％；WS2：0～15％；氟化石墨：0～16％；石墨：5～15％；PbO：0～12％；三氧化二锑：0～6％；CaF2或BaF2：0～10％；六方氮化硼：0～15％；纳米润滑剂：0～15％;添加剂：0～5％。本发明通过在齿轮及凸轮表面微嵌入自润滑织构,保证摩擦表面固体润滑剂的稳定供给和均匀涂布，以提高齿轮及凸轮等摩擦副在复杂、苛刻工况条件下的润滑抗磨性能。

Description

一种齿轮及凸轮表面微嵌入自润滑织构及其制备方法

技术领域

本发明涉及齿轮和凸轮的润滑方式，特指一种摩擦副表面固体自润滑处理方法。用于解决复杂、苛刻工况条件下齿轮及凸轮表面的润滑减磨问题。

背景技术

摩擦副（如齿轮、凸轮等）的摩擦学行为直接影响到机械系统的承载能力、运行效率和服役寿命。随着现代工业技术的快速发展, 对摩擦副适应复杂、苛刻工况的能力提出了越来越高的要求，单靠流体润滑有时已经不能充分发挥润滑作用。固体润滑突破了油膜润滑极限,已成为目前润滑技术的重要发展方向，并已成为解决苛刻工况如高（低）温、重载、真空和强辐射等特殊、复杂工况条件下润滑与磨损问题的有效手段。

由于针对的使用工况和工作性能要求不同，目前各种自润滑技术都有其各自优点，但也存在一定的局限性。1998年公开的中国专利（申请号：96118938.x）较早提出了一种聚酰亚胺基自润滑复合材料，摩擦系数0.1～0.23，但配方设计中缺少耐高温润滑剂成分，从而影响到该润滑剂的使用范围。2003年公开的中国专利（申请号：02150180.7）提出了一种自润滑纳米复合材料的制备方法，摩擦系数小于0.2。其中纳米材料采用纳米氮化硅、纳米二氧化硅及碳纳米管而未采用常规固体润滑材料，因而制备和应用成本较高。2006年公开的中国专利（申请号：200510027278.9）提出了一种利用粉末涂料型三层复合固体润滑膜制备固体自润滑齿轮的方法，由于采用的是环氧树脂或聚酯树脂，其本身自润滑性能不佳，影响了自润滑效果，摩擦系数达到0.2。2006年公开的中国专利（申请号：200510050611.8）提出了采用溅射沉积的方法制备一种多层自润滑复合涂层，涂层厚度1～5μm。该工艺成本高，对零件形状、尺寸有一定要求。2011年公开的中国专利（申请号：201110109616.9）提出了一种制备金属零部件用干膜润滑剂的方法，具体通过气压喷涂在零件表面形成10～15μm厚的固体润滑膜。由于采用气压喷涂工艺，固体润滑剂在摩擦过程中受挤压容易脱落，润滑剂与基体的结合强度有待提高。2011年公开的中国专利（申请号：200910221166.5）提出了一种环保型喷涂用水性环氧粘结固体润滑剂，喷涂厚度达25μm，润滑剂与基体的结合强度也有待提高。2007年公开的中国专利（申请号：200610040660.8）提出了高温合金基自润滑复合材料及其表面图案化处理方法。自润滑合金材料采用高温烧结，成本高且后续加工困难。该专利中采用激光微加工的目的仅仅是为了增设一些储油（脂）槽，以改善润滑效果，并未在其中嵌入固体润滑材料。2009年公开的中国专利（申请号：200910029233.3）提出了一种带有表面微孔硬质模板的含银镍基润滑材料及其制备方法。该专利采用激光微加工小孔以形成银的扩散通道，但通道中没有预埋润滑剂，会影响润滑效果。2005年公开的中国专利（申请号：200410061182.X）提出了一种水轮发电机镶嵌轴承套用固体润滑剂及其制备方法，较好解决了低速、重载工况的滑动润滑问题。由于设置的是宏观大尺度的镶嵌孔，因而在摩擦副表面镶嵌结构尺度及材料选择、凹坑（槽）优化设计和制造、润滑剂选择和镶嵌工艺、承载能力、摩擦副配合精度以及对复杂工况的适应能力等方面都存在诸多发展瓶颈。 2006年公开的中国专利（申请号：200510119126.1）提出了一种仿生非光滑耐磨齿轮的激光处理方法。2008年公开的中国专利（申请号：200810124318.5）提出了一种在凸轮表面激光加工微凹腔/槽的方法。这两种方法均没有在微织构中预埋固体润滑剂，仅在齿轮和凸轮表面加工出微凹腔/槽，可起到储存润滑油和收集磨粒的作用,以达到改善润滑的目的。2010年公开的中国专利（申请号：200810189018.5）提出了一种在金属表面激光熔覆高温氮化硼自润滑涂层的方法。该方法采用表面整体涂覆，适用于高温工况，但其加工、配合精度不易控制。

为解决摩擦过程中单纯的固体润滑剂薄膜存在磨损寿命短且连续补充困难的问题，申请人通过固体润滑技术与表面微织构技术的有机结合，形成一种新的固体自润滑方法。具体通过对齿轮和凸轮工作表面微嵌入固体润滑织构，达到既保证摩擦副的承载能力（利用零件既有精加工留下的相对光滑面），又保证固体润滑剂的稳定供给和均匀涂布（利用高密度分布的微腔/槽中嵌入的固体润滑剂），同时又对基体材料进行了激光强化的目的，实现零件表面承载、润滑与强化的有机统一，以解决目前复杂、特殊工况的润滑减磨难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种齿轮及凸轮表面微嵌入自润滑织构及其制备方法,以提高齿轮及凸轮等摩擦副适应复杂工况的能力。

实现本发明目的的技术解决方案如下：

首先对齿轮及凸轮表面进行激光微织构加工，表面微织构主要是微腔和微槽。采用二级管泵浦Ｎｄ∶ＹＡＧ激光器，聚焦透镜焦距为45～90mm，重复频率7.0～9.0Khz，激光波长532nm、1064nm，电流强度13～21A，扫描速度5～25mm/s，微腔直径25～200μm，深度4～55μm，微凹腔的排列由数控程序控制，织构的面积占有率为15%～35%，辅助气体采用N2（99.9％）、压强0.1～0.3Mpa。

 然后对齿轮及凸轮表面进行自润滑复合材料成型粘结处理，具体步骤为：

1) 均匀混料；

2）粉料烘干（130～150^oC、1～1.5h）；

3）零件表面预处理；

4) 滚压或模压嵌入固体润滑填料, 压力10～30MPa；

5) 烧结成型（第一步250 ^oC 、加热20min, 第二步370～385 ^oC、加热30min, 99.9％N2气保护、保温0.5～1.0h后随炉冷却）；

6）零件表面后处理。

本发明自润滑复合材料组成及其配方（按质量百分比）：

聚酰亚胺（PI）： 15～85％；

聚四氟乙烯（粒度≤3μm）：0～85％；

MoS2（粒度≤2μm）：10～40％；

WS2（粒度≤3μm）：0～15％；

氟化石墨（粒度≤3μm）：0～16％；

石墨粉（粒度≤5μm）：5～15％；

PbO（粒度≤4μm）：0～12％；

三氧化二锑（粒度≤3μm）：0～6％；

CaF2 或BaF2（粒度≤4μm）：0～10％；

六方氮化硼（粒度≤4μm）：0～15％；

纳米润滑剂（粒度20～500nm）：0～15％

添加剂：0～5％。

本发明的有益效果在于:

1) 本发明通过对零件表面微镶嵌织构自润滑处理，以实现零件表面承载、润滑与强化的有机统一。提高了摩擦副对复杂工况（如高温、重载、干摩擦、边界润滑、频繁起停换向等）的适应能力；

2) 本发明的固体润滑剂配方充分发挥了不同组分的协同润滑效应，提高了综合润滑减磨效果； 

3) 表面微织构加工采用半导体泵浦YAG激光器，其脉冲稳定、光束质量好，能有效抑制加工过程的热负效应，加工面光滑平整，能显著提高表层材料机械力学性能。并可实现与润滑减磨性能要求优化匹配的微织构尺寸及其分布；

4) 激光微织构技术适合多重材料（如金属、陶瓷和气相沉积涂层等）的微加工，由于加工余量小，可实现高效数控加工，有利于保证摩擦副的整体机械强度、刚度和配合精度；

5）采用滚压或模压的方法向微织构中嵌填固体润滑剂，工艺简便，充填均匀、可靠；

6）改变了固体润滑剂传统的喷涂工艺，保护了工作环境，大大节约了润滑剂的使用成本；

7）由于聚四氟乙烯具有比金属稍大的热膨胀系数，能够使固体润滑剂随着工作温度升高而自动从微织构中溢出至摩擦表面；

8）本发明可应用于齿轮、凸轮、轴承、缸孔、导柱及导轨等摩擦副的激光微织构自润滑处理。对于采用润滑油（脂）的场合，也可进一步提高综合润滑效果。

附图说明

图1为激光加工微腔图。

图2为激光加工微槽图。

图3为微腔几何尺寸图。

图4为微槽几何尺寸图。

图5为微凹腔中聚酰亚胺基固体润滑材料（MoS2含量：30%）的嵌入效果图。

图6为微凹腔中聚酰亚胺基固体润滑材料（MoS2含量：40%）的嵌入效果图。

图7 为磨损试验前主要充填固体润滑剂MoS2的试样扫描电镜照片。

图8 为磨损试验后主要充填固体润滑剂MoS2的试样扫描电镜照片。

具体实施方式

通过对淬火45钢试件表面进行激光微加工，获得了理想的微腔和微槽，分别如图1和图2所示，腔、槽排列整齐、尺寸均匀。利用VYKO形貌仪测得的微腔和微槽尺寸分别如图3和图4所示，该试样表面激光微加工获得的微腔直径是70.8808μm，深度为20μm，宽度为50μm。表明微织构加工质量良好，为固体润滑剂的嵌入创造了良好条件。通过均匀混料－粉料烘干－表面预处理－模压嵌入固体润滑填料－ 烧结成型－表面后处理等工序，实现固体润滑剂的均匀填压成型，嵌填效果如图5和图6所示，微腔中润滑剂与试件表面基本平齐，表明嵌填效果良好。磨损试验前后通过扫描电镜拍摄的主要充填固体润滑剂MoS2的淬火45钢试样表面形貌分别如图7和图8所示。从图中可以看出，在凹坑之间明显出现了转移物质，且分布较均匀。织构的面积占有率为15%～35%。通过进一步对该区域的EDS能谱分析，发现摩损试验前后凹坑之间区域内的S，Mo元素含量发生了显著变化，磨损试样凹坑之间区域MoS2含量为磨损前的2.5倍。表明在摩擦磨损过程中，微凹坑中的MoS2通过摩擦粘附等作用带到了凹坑之间的摩擦接触区域，微凹坑中预埋的固体润滑剂在摩擦过程中能有效涂布到试样表面并形成稳定可靠的减摩润滑膜。试验测得嵌入MoS2含量为40%的聚酰亚胺基自润滑织构表面的摩擦系数仅为0.11～0.12，远低于无自润滑织构表面的摩擦系数（0.3～0.45）。

Claims (4)

1.一种齿轮及凸轮表面微嵌入自润滑织构制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

   1）首先对齿轮和凸轮表面微织构进行激光加工，即采用二级管泵浦Ｎｄ∶ＹＡＧ激光器，聚焦透镜焦距为45～90mm，重复频率7.0～9.0Khz，激光波长532nm、1064nm，电流强度13～21A，扫描速度5～15mm/s，微腔直径25～200μm，深度4～55μm，微凹腔的排列由数控程序控制，织构的面积占有率为15%～35%，辅助气体采用99.9％的N2、压强为0.1～0.3Mpa；

 2）然后进行自润滑复合材料成型粘结：

A) 均匀混料；

B）在130～150^oC温度中进行粉料烘干，时间为1～1.5h；

C）对零件表面预处理；

D) 通过滚压或模压嵌入固体润滑填料, 压力10～30MPa；

E)第一步在温度250 ^oC中加热20min，第二步在温度370～385 ^oC中加热30min，用99.9％的N2气进行保护、保温时间是0.5～1.0h，然后随炉冷却，最后烧结成型；

F）零件表面后处理。

2.一种固体润滑剂复合材料，其特征在于，各组分及其质量百分含量分别为：

聚酰亚胺： 15～85％；

聚四氟乙烯（粒度≤3μm）：0～85％；

MoS2（粒度≤2μm）：10～40％；

WS2（粒度≤3μm）：0～15％；

氟化石墨（粒度≤3μm）：0～16％；

石墨粉（粒度≤5μm）：5～15％；

PbO（粒度≤4μm）：0～12％；

三氧化二锑（粒度≤3μm）：0～6％；

CaF2 或BaF2（粒度≤4μm）：0～10％；

六方氮化硼（粒度≤4μm）：0～15％；

纳米润滑剂（粒度20～500nm）：0～15％；

添加剂：0～5％。

3.根据权利要求2所述的一种固体润滑剂复合材料，其特征在于，所采用的固体润滑剂聚酰亚胺、聚四氟乙烯、MoS2、WS2、氟化石墨、石墨粉、PbO、CaF2 、BaF2、六方氮化硼、纳米润滑剂和添加剂中的一种或任选数种的组合。

4.根据权利1或2或3要求，其特征在于，本发明适用于复杂工况条件下，各类齿轮、凸轮、轴承、缸孔、导柱及导轨摩擦副的激光微织构自润滑处理。

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