CN103469217B - 一种高速齿轮类石墨碳膜超润滑表面强化方法 - Google Patents

Abstract

一种高速齿轮类石墨碳膜超润滑表面强化方法，首先在齿轮表面依次进行喷丸、微喷和流体抛光前处理，使其表面光洁度小于0.2μm；然后采用非平衡磁控溅射复合靶技术，将Y、Ta等元素引入类石墨碳膜制备技术，在齿轮表面制备一种超低摩擦系数类石墨碳膜，即溅射清洗基体金属1的表面，在流体抛光表面层2上依次制备Cr过渡层3、Cr/C梯度层4及具有超低摩擦系数的类石墨复合工作层5，本发明解决了高速齿轮固体润滑膜寿命低的问题，有效降低了高速齿轮的振动噪音，采用本技术的传动齿轮振动噪音降低10～15%，为降低齿轮振动噪音提供了一种新的技术途径。

Description

一种高速齿轮类石墨碳膜超润滑表面强化方法

技术领域

本发明属于薄膜材料及现代表面工程技术的物理气相沉积技术领域，涉及一种非平衡磁控溅射超低摩擦系数类石墨碳膜制备方法，特别涉及基于降低传动噪音的一种高速齿轮类石墨碳膜超润滑表面强化方法。

背景技术

齿轮传动不断向高速、轻质、重载领域发展,如何降低齿轮传动的振动噪音是现代工业技术的重要研究领域。齿轮表面固体润滑是降低齿轮传动噪音的重要手段，由于一般固体润滑膜寿命难以满足高速齿轮传动寿命需求，其应用研究受到严重制约。

为了提高齿轮镀膜寿命，M.Murakawa等用非晶WC/C梯度碳膜有效提高了失油润滑条件下的齿轮寿命，同时，齿轮表面镀膜前进行了微喷处理以提高膜-基结合强度，A.RIVA等用弥散了纳米金属碳化物的非晶含氢碳膜（ES200和ES300）有效提高了TM前处理后齿轮的抗咬合性能。以sp2杂化为主的类石墨碳膜是一种优异的耐磨、减摩纳米复合膜，基体表面流体抛光的类石墨碳膜具有更加优异的综合性能，在齿轮固体润滑领域有良好的应用前景。但是，目前报道的类石墨碳膜最低平均摩擦系数普遍在0.065以上，也未见齿轮镜面流体抛光+固体自润滑薄膜表面强化以及将固体润滑膜层技术用于降低齿轮传动噪音的相关报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高速齿轮类石墨碳膜超润滑表面强化方法，镀膜前对齿轮表面依次进行喷丸、微喷和流体抛光前处理；然后采用非平衡磁控溅射复合靶技术，制备一种超低摩擦系数类石墨碳膜，沉积于微喷和流体抛光的齿轮表面，解决了高速、齿轮固体润滑膜寿命低的问题，有效降低了高速、齿轮的振动噪音。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种高速齿轮类石墨碳膜超润滑表面强化方法，包括以下步骤：

步骤一：采用常规喷丸和强化喷丸对齿轮表面进行喷丸处理，改善齿轮表面应力状态，去除齿轮毛刺、氧化物和表面加工刀痕，采用粒度在10～60μm范围内的陶瓷颗粒对齿轮进行表面喷砂处理，去除氧化物，改善齿轮表面粗糙度后，再采用流体抛光技术，使齿轮表面光洁度小于0.2μm，齿轮表面流体抛光量控制在5μm以内，再采用超声波除蜡、除油清洗各10～15min对齿轮表面进行处理，然后采用丙酮试剂漂洗干净后风干或烘干；

步骤二、将清洗干净的齿轮均匀固定在两轴工装上，齿轮轴向与工装轴向保持一致，齿轮沿工装外圆均匀分布，使各齿轮与溅射靶的径向靶-基距保持一致，启动抽真空设备，当镀膜室真空度达到E-3～E-4Pa时，溅射清洗基体金属1的表面，在流体抛光表面层2上依次制备Cr过渡层3、Cr/C梯度层4及多元复合工作层5，工作气体为氩气，真空度控制在E-3～E-4Pa，偏压：500～700V，工装旋转速度：4～4r/min，其中的Cr过渡层3按照质量百分比其组成为，Y：0.3～3%，余量：Cr，各组分的质量百分比之和为100%；多元复合工作层5按照质量百分比其组成为，Y：0.03～0.3%，Cr：5～15%，Ta：50～70%，余量为C，各组分的质量百分比之和为100%。

步骤二中所述的Cr过渡层3的制备：逐渐调高Cr溅射靶的溅射电流为5.0～7.0A，调节时间为15～20分钟，过渡层厚度为0.3～0.5μm。

步骤二中所述的Cr/C梯度层4的制备：逐渐提高C靶的溅射电流为8.0～10.0A、降低一个Cr靶溅射靶的溅射电流为0A，同时逐步调节另一个Cr靶溅射电流至0.2～0.5A，调节时间为15～20分钟，梯度层厚度为0.3～0.5μm。

步骤二中所述的石墨复合工作层5的制备：C靶的溅射电流为8.0～10.0A，Cr靶溅射电流为0.2～0.5A，偏压：50～70V，保持时间：180～360分钟，复合工作层厚度为2.0～4.0μm，齿轮表面碳膜总厚度控制在2～5μm。

本发明的有益效果是涉及一种非平衡磁控溅射超低摩擦系数类石墨碳膜制备及其高速齿轮表面强化技术，将稀土及钽等第三元素引入类石墨碳膜的磁控溅射制备技术，制备了一种超低摩擦系数类石墨碳膜，提高了类石墨碳膜摩擦磨损性能和膜-基结合强度。同时，在齿轮镀膜前对其进行了喷丸、流体抛光前处理以进一步提高齿轮固体润滑膜的结合强度和可靠性。通过这种方法在流体抛光齿轮上制备了一种综合性能优良的超低摩擦系数类石墨碳膜，类石墨碳膜在载荷20N、线速度0.2m/s的平均摩擦系数达到0.02，最低摩擦系数0.003，膜-基结合强度提高20%以上，可以有效的提高齿轮的传动效率和抗胶合能力，采用本技术的传动齿轮振动噪音降低10～15%，为降低齿轮振动噪音提供了一种新的技术途径。

附图说明

图1为本发明齿轮固体润滑膜结构示意图。

图2为本发明非平衡磁控溅射靶分布及齿轮工装示意图。

图3本发明类石墨碳膜磨损率效果对比图。

图4为本发明类石墨碳膜的摩擦系数效果对比图。

图5为本发明类石墨碳膜的膜-基结合强度效果对比图。

图6为本发明类石墨碳膜的电化学腐蚀性能效果对比图。

图7为本发明某镀膜齿轮水泵1径向减振降噪效果对比图。

图8为本发明某镀膜齿轮水泵1轴向减振降噪效果对比图。

图9为本发明某镀膜齿轮水泵2径向减振降噪效果对比图。

图10为本发明某镀膜齿轮水泵2轴向减振降噪效果对比图。

图11为本发明某镀膜齿轮水泵2试验后的齿轮磨损形貌。

图中，1.齿轮基体金属，2.齿廓表面流体抛光层，3.金属过渡层，4.金属/碳梯度层，5.类石墨复合工作层，6.齿轮，7.齿轮镀膜专用工装。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种高速齿轮类石墨碳膜超润滑表面强化方法，包括以下步骤：

步骤一：采用常规喷丸和强化喷丸对齿轮表面进行喷丸处理，改善齿轮表面应力状态，去除齿轮毛刺、氧化物和表面加工刀痕，采用粒度在10～60μm范围内的陶瓷颗粒对齿轮进行表面喷砂处理，去除氧化物，改善齿轮表面粗糙度后，再采用流体抛光技术，要使齿轮表面光洁度小于0.2μm，齿轮表面流体抛光量控制在5μm以内，再采用超声波除蜡、除油清洗各10～15min对齿轮表面进行处理，然后采用丙酮试剂漂洗干净后风干或烘干；

具体为：步骤1：在非平衡磁控溅射镀膜设备的溅射靶上沿磁控管加工一定数量和规格通孔，并制备一定数量相应规格的Y、Ta、C、Cr高纯镶块；

步骤2：在步骤1得到的碳靶上镶嵌一定数量的Y、Ta镶块，在步骤1得到的铬靶上镶嵌一定数量的Y镶块，其余的孔镶嵌与靶材相同材质的C或Cr镶块；

步骤3：齿轮喷丸前处理，采用常规喷丸和强化喷丸对齿轮表面进行喷丸处理，改善齿轮表面应力状态，去除齿轮毛刺、氧化物和表面加工刀痕；

步骤4：齿轮微喷前处理，用粒度在10～60μm范围内的相关陶瓷颗粒对齿轮进行表面喷砂处理，去除氧化物，改善齿轮表面粗糙度；

步骤5：齿轮流体抛光前处理，根据齿轮的材料、精度、形位尺寸，可采用机械流体抛光、振动流体抛光、电解流体抛光或喷射流体抛光等的一种方法，对齿轮表面进行流体抛光处理，使其表面光洁度小于0.2μm，齿轮表面流体抛光量控制在5μm以内，保证齿轮公差无明显影响；

步骤6：镀膜前，对齿轮进行超声波除蜡、除油清洗各10～15min，用丙酮试剂漂洗干净后，风干或烘干；

步骤三、将清洗干净的齿轮均匀固定在两轴工装上，齿轮轴向与工装轴向保持一致，齿轮沿工装外圆均匀分布，使各齿轮与溅射靶的径向靶-基距保持一致，启动抽真空设备，当镀膜室真空度达到E-3～E-4Pa时，溅射清洗基体金属1的表面，在流体抛光表面层2上依次制备Cr过渡层3、Cr/C梯度层4及多元复合工作层5，工作气体为氩气，真空度控制在E-3～E-4Pa，偏压：500～700V，工装旋转速度：4～4r/min，其中的Cr过渡层3按照质量百分比其组成为，Y：0.3～3%，余量：Cr，各组分的质量百分比之和为100%；多元复合工作层5按照质量百分比其组成为，Y：0.03～0.3%，Cr：5～15%，Ta：50～70%，余量为C，各组分的质量百分比之和为100%。

参照图1，齿轮表面依次由基体金属1、流体抛光层2、Cr过渡层3、Cr/C梯度层4及多元复合工作层5组成，其中的Cr过渡层3按照质量百分比其组成为，Y：0.3～3%，余量：Cr，各组分的质量百分比之和为100%；其中的多元复合工作层5按照质量百分比其组成为，Y：0.03～0.3%，Cr：5～15%，Ta：50～70%，余量为C，各组分的质量百分比之和为100%。

步骤三具体为：步骤1：齿轮镀膜采用两轴工装，参照图2，将清洗干净的工件均匀固定在专用的镀膜工装上，齿轮轴向与镀膜工装轴向保持一致，为了提高齿轮齿廓碳膜的均匀性，齿轮沿工装外圆均匀分布，使各齿轮与溅射靶的径向靶-基距保持一致；在非平衡磁控溅射镀膜设备的溅射靶上沿磁控管加工一定数量和规格通孔，并在溅射靶上镶嵌一定数量的Y、Ta等高纯镶块，其余的孔镶嵌与靶材相同材质的镶块；

步骤2：准备工作完成后应迅速将齿轮及工装送入真空镀膜室，防止齿轮表面氧化及二次污染，启动设备抽真空，保持齿轮表面的清洁状态；

步骤3：镀膜室真空度达到E-3～E-4Pa时，溅射清洗基体金属1的表面流体抛光表面层2，工作气体：氩气，真空度控制在E-3～E-4Pa，偏压：500～700V，工装旋转速度：4～4r/min，通过等离子溅射清洗得到洁净的基体金属流体抛光表面层2；

步骤4：逐渐调高Cr溅射靶的溅射电流为5.0～7.0A，调节时间为15～20分钟，在步骤3得到的洁净的金属表面上制备0.3～0.5μm的Cr过渡层3；

步骤5：逐渐提高C靶的溅射电流为8.0～10.0A、降低一个Cr靶溅射靶的溅射电流为0A，同时逐步调节另一个Cr靶溅射电流至0.2～0.5A，调节时间为15～20分钟，在步骤10得到的Cr过渡层3上制备得到0.3～0.5μm的Cr/C梯度层4；

步骤6：控制溅射电流参数，C靶的溅射电流为8.0～10.0A，Cr靶溅射电流为0.2～0.5A，偏压：50～70V，保持时间：180～360分钟，在步骤11得到的Cr/C梯度层4上制备得到2.0～4.0μm的含有Ta、Cr、C、Y的类石墨复合工作层5。齿轮表面碳膜总厚度控制在2～5μm，以保证齿轮的精度。

本发明是一种非平衡磁控溅射超低摩擦系数类石墨碳膜制备及其高速齿轮超润滑表面强化技术，镀膜前，首先对齿轮表面依次进行喷丸、微喷和流体抛光前处理；然后，采用非平衡磁控溅射复合靶技术，在齿轮表面沉积一种非平衡磁控溅射超低摩擦系数的类石墨碳膜。

Cr过渡层3和多元复合工作层5决定了类石墨碳膜的主要性能，Cr在碳膜中的含量通过调节Cr靶的溅射电流参数控制，Y、Ta含量通过调节Y、Ta镶块的数量控制，Cr/C梯度层4其组成和结构决定于磁控溅射工艺参数。

超低摩擦系数的类石墨碳膜的磨损率对比效果见图3，摩擦系数对比效果见图4，膜-基结合强度对比效果见图5，电化学腐蚀性能对比效果见图6，可见采用靶材镶嵌法改性后的多元类石墨碳膜的减摩、耐磨性能、膜-基结合强度和抗电化学腐蚀能力有显著提高，有利于提高齿轮固体润滑碳膜的寿命和可靠性。

某镀膜齿轮水泵1的轴向和径向振动减振降噪效果对比分别见图7～8,模数m=5，齿数Z=8，齿宽B=20mm，传动比i=1：1，转速6000rpm；可见镀膜齿轮啮合最大振动噪音有明显衰减，最大振动噪音衰减10%～15%，轴向振动衰减效果优于径向振动。

某镀膜齿轮水泵2的轴向和径向振动减振降噪效果对比分别见图9～10，模数m=5，齿数Z=8，齿宽B=40mm，传动比i=1：1，转速1000rpm，流量100L/min，可见镀膜齿轮啮合振动噪音明显衰减，平均齿轮啮合振动衰减10%左右，最大振动噪音衰减10%～15%，轴向振动衰减效果优于径向振动。

某镀膜齿轮水泵2的齿轮固体润滑碳膜的摩擦形貌见图11，试验结束后齿轮表面膜没有异常剥落现象，即未见膜层剥落或分层现象，磨损也非常轻微，因此采用改性后的类石墨碳膜，对齿轮固体润滑表面强化以降低齿轮啮合振动噪音是可行的。

Claims (1)

1.一种高速齿轮类石墨碳膜超润滑表面强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采用常规喷丸和强化喷丸对齿轮表面进行喷丸处理，改善齿轮表面应力状态，去除齿轮毛刺、氧化物和表面加工刀痕，采用粒度在10～60μm范围内的陶瓷颗粒对齿轮进行表面喷砂处理，去除氧化物，改善齿轮表面粗糙度后，再采用流体抛光技术，使齿轮表面光洁度小于0.2μm，齿轮表面流体抛光量控制在5μm以内，再采用超声波除蜡、除油清洗各10～15min对齿轮表面进行处理，然后采用丙酮试剂漂洗干净后风干或烘干；

步骤二、将清洗干净的齿轮均匀固定在两轴工装上，齿轮轴向与工装轴向保持一致，齿轮沿工装外圆均匀分布，使各齿轮与溅射靶的径向靶-基距保持一致，启动抽真空设备，当镀膜室真空度达到E-3～E-4Pa时，溅射清洗基体金属(1)的表面，在流体抛光表面层(2)上依次制备Cr过渡层(3)、Cr/C梯度层(4)及多元复合工作层(5)，工作气体为氩气，真空度控制在E-3～E-4Pa，偏压：500～700V，工装旋转速度：4～4r/min，其中的Cr过渡层(3)按照质量百分比其组成为，Y：0.3～3％，余量：Cr，各组分的质量百分比之和为100％；多元复合工作层(5)按照质量百分比其组成为，Y：0.03～0.3％，Cr：5～15％，Ta：50～70％，余量为C，各组分的质量百分比之和为100％；

步骤二中所述的Cr过渡层(3)的制备：逐渐调高Cr溅射靶的溅射电流为5.0～7.0A，调节时间为15～20分钟，过渡层厚度为0.3～0.5μm；

步骤二中所述的Cr/C梯度层(4)的制备：逐渐提高C靶的溅射电流为8.0～10.0A、降低一个Cr靶溅射靶的溅射电流为0A，同时逐步调节另一个Cr靶溅射电流至0.2～0.5A，调节时间为15～20分钟，梯度层厚度为0.3～0.5μm；

步骤二中所述的类石墨复合工作层(5)的制备：C靶的溅射电流为8.0～10.0A，Cr靶溅射电流为0.2～0.5A，偏压：50～70V，保持时间：180～360分钟，复合工作层厚度为2.0～4.0μm，齿轮表面碳膜总厚度控制在2～5μm。