CN104633045A - 带有磁性镍基合金涂层齿轮 - Google Patents

带有磁性镍基合金涂层齿轮 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有磁性镍基合金涂层齿轮，包括直齿轮，直齿轮表面涂有粘合剂，直齿轮通过粘合剂与带有磁性的镍基合金涂层粘接；所述粘合剂采用有机硅改性环氧树脂粘合剂；镍基合金涂层采用美国哈氏合金Hastelloy C-276 Alloy粉末，型号规格为NAS NW276，通过利用GP-80型高效大气等离子喷涂机制备镍基合金涂层，利用SRJX-8-13型高温箱型电阻炉对涂层进行热扩散处理，将喷涂好镍基合金涂层的啮合直齿轮置于高强度磁场中进行磁化处理，最后进行安装对正和试验调试。本发明中的涂层齿轮具有高柔韧性、高强度、高度化学稳定性、耐老化性和耐热性等优点，从而实现齿轮设备能够在高温和腐蚀性的工况下的正常工作。

Description

带有磁性镍基合金涂层齿轮
技术领域
本发明涉及机械传动设备技术领域，尤其涉及一种带有磁性镍金合金涂层齿轮。
背景技术
在石油机械、煤矿机械领域中，齿轮传动设备经常在高速重载工况下进行工作。由于环境较恶劣，轮齿表面长期受到腐蚀性气体和液体的侵蚀，齿面会出现各种小蚀坑，因此严重影响轮齿表面质量和齿轮传动效率，更为严重的是容易导致轮齿断裂的安全事故发生。在高速工况下，齿轮在进入啮合时会发生两轮齿的轻度冲击，啮合齿面长期遭受冲击会出现冲击疲劳，这将会大大缩短轮齿寿命。在重载工况下，啮合齿面的接触应力很大，从而产生很大的摩擦力，这就会刮伤齿面，加剧齿面磨损，降低了齿面质量，而且刮落的磨屑进入润滑油中会影响齿轮的润滑。由此对齿轮结构进行合理的设计和改进，来满足高速重载及强腐蚀性环境的工况要求成为一种急待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种带有磁性镍基合金涂层齿轮，带有镍基合涂层的齿轮的耐腐蚀性、耐热性和耐磨性会极大提高，将喷涂好的镍基合金涂层齿轮置于高强度磁场中进行磁化处理，由于同磁性相斥，轮齿啮合时由于斥力作用会很大程度地减小啮入时产生的冲击，而且在啮合过程中齿面相互靠近过程中磁场斥力更大，由此有效减小啮合点处的接触应力，从而减小齿面磨损；涂层与基体之间的粘合层材料为有机硅改性环氧树脂粘合剂，它具有高柔韧性、高强度、高度化学稳定性、耐老化性和耐热性等优点，从而实现齿轮设备能够在高温和腐蚀性的工况下的正常工作。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
带有磁性镍基合金涂层齿轮，包括直齿轮、粘合剂和带有磁性的镍基合金涂层，所述粘合剂涂于直齿轮表面，直齿轮表面通过粘合剂与带有磁性的镍基合金涂层连接；
所述镍基合金涂层采用哈氏合金Hastelloy C-276Alloy粉末，型号规格为NAS NW276。Hastelloy C-276Alloy的主要物理性能见表1。所述镍基合金粉末的粒度为30～60μm。
所述镍基合金粉末中的各元素含量的具体配比分别为：58％～60％Ni，0.001％～0.008％C，0.015％～0.06％Si，0.3％～1.0％Mn，0.001％～0.04％P，0.002％～0.03％S，15％～16.5％Cr，15.5％～17.0％Mo，4.0％～5.0％Fe，1.5％～2.4％Co，3.0％～4.5％W，0.15％～0.3％V。
所述直齿轮与镍基合金涂层之间的粘合剂采用有机硅改性环氧树脂粘合剂，制备的原料为环氧胶黏剂E-20、有机硅中间体DC-3074：聚甲基苯基硅氧烷(PMPS)、XP固化剂(脂环族改性胺类)、二甲苯、环己酮；将环氧胶黏剂E-20在90℃加热融化后加入有机硅中间体DC-3074，进行充分混合得到PMPS改性树脂，环氧胶黏剂E-20和有机硅中间体DC-3074的质量百分比为7:3；固化处理：将得到的PMPS改性树脂、XP固化剂、环己酮、二甲苯按质量分数比为79:11:5:5进行混合，40min后涂膜，室温固化。
所述直齿轮与轴之间的连接方式采用对称双键连接，双键角度差为180°。这样设置能够传递更大扭矩和速度，因此更适用于高速重载工况下的齿轮传动设备。
表1Hastelloy C-276Alloy的主要物理性能参数
具体制备磁性镍基合金涂层简要步骤为：
1.利用JB25型搅拌机均匀搅拌12h，使镍基合金粉末NAS NW276充分混合；
2.在经过表面淬火的齿轮表面用丙酮进行净化处理，然后在齿轮表面均匀附上一定厚度的有机硅改性环氧树脂粘合剂，利用GP-80型高效大气等离子喷涂机喷涂镍基合金粉末NAS NW276涂层，鉴于本发明主要应用于高速、重载和强腐蚀工况，应制备较厚涂层，厚度范围为1.0～1.5mm，最后利用SRJX-8-13型高温箱型电阻炉对涂层进行热扩散处理；
3.将已喷涂镍基合金涂层的一对直齿轮分别至于相同高强度磁场进行磁化处理，一定时间后取出，然后进行齿轮安装和对正，试验调试使得空载情况下两啮合轮齿出现较明显地相斥现象。
本发明的有益效果：
1.本发明在直齿轮表面喷涂镍基合金涂层，带有该镍基合金涂层的直齿轮能够在高温、强氧化腐蚀性等环境中正常有效安全地工作。
2.镍基合金是很好的硬磁材料，在高强度磁场中对制备有镍基合金涂层的齿轮进行磁化处理后，镍金合金涂层能够长期保持一定磁性，从而有效地减小轮齿啮入时产生的冲击，同时由于同磁性斥力作用，可以很大程度上减小啮合点处的接触应力，从而减小摩擦力，进而能够减小齿轮的齿面磨损，延长齿轮机构的工作寿命。
3.本发明采用有机硅改性环氧树脂粘合剂，有机硅改性的环氧树脂粘合剂具有很好的柔韧性。采用合适结构成分配比的有机硅改性环氧树脂粘合剂作为镍基合金涂层和齿轮基体之间的粘合层材料，使齿轮机构能够在高温和强腐蚀性环境中正常工作，同时能在轮齿啮合时起到一定的缓冲减振效果。
附图说明
图1为80℃条件下，不同浓度H2SO4溶液对四种涂层的腐蚀结果图；
图2为沸腾条件下，不同浓度H2SO4溶液对四种涂层的腐蚀结果图；
图3为80℃条件下，不同浓度HCl溶液对四种涂层的腐蚀结果图；
图4为沸腾条件下，不同浓度HCl溶液对四种涂层的腐蚀结果图；
图5为本发明的直齿轮轮齿齿侧部分展开放大图；
图6为涂层分布的径向剖视图；
图中：1.直齿轮，2.有机硅改性环氧树脂粘合剂，3.带有磁性的镍基合金涂层。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图5所示，带有磁性镍基合金涂层齿轮，包括直齿轮1，直齿轮1表面涂有有机硅改性环氧树脂粘合剂2，直齿轮1通过有机硅改性环氧树脂粘合剂2与带有磁性的镍基合金涂层3连接。所述镍基合金涂层选用Hastelloy C-276Alloy合金粉末，型号规格为NAS NW276，Hastelloy C-276Alloy具有良好的耐热性、刚性和韧性。
所述镍基合金粉末中的各元素含量的具体配比分别为：58％～60％Ni，0.001％～0.008％C，0.015％～0.06％Si，0.3％～1.0％Mn，0.001％～0.04％P，0.002％～0.03％S，15％～16.5％Cr，15.5％～17.0％Mo，4.0％～5.0％Fe，1.5％～2.4％Co，3.0％～4.5％W，0.15％～0.3％V；所述镍基合金粉末的粒度为30～60μm；齿轮与轴之间的连接方式采用对称双键连接，双键角度差为180°，这样能够传递更大扭矩和速度，因此更适用于高速重载工况下的齿轮传动设备。
有机硅改性环氧树脂粘合剂2制备的原料为E-20环氧胶黏剂、有机硅中间体DC-3074：聚甲基苯基硅氧烷PMPS、脂环族改性胺类XP固化剂、二甲苯、环己酮。将E-20在90℃加热融化后加入DC-3074，进行充分混合得到PMPS改性树脂，E-20和DC-3074的质量百分比为7:3。固化处理：将得到的PMPS改性树脂、XP固化剂、环己酮、二甲苯按质量分数比为79:11:5:5进行混合，40min后在轮齿表面涂膜，室温固化。有机硅改性环氧树脂粘合剂具有高柔韧性、高强度、高度化学稳定性、耐老化性和耐热性等优点，这就使得齿轮设备能够在高温和腐蚀性环境中正常工作。
在齿轮表面制备镍基合金涂层之前，针对NAS NW276的耐腐蚀和耐热性能进行了试验研究。试验内容如下：
准备120块材料均为调质处理后的45号钢规格完全相同的长×宽为30mm×15mm，厚度为4mm的钢板，在每块钢板上表面均匀附上厚度为100μm的有机硅改性环氧树脂粘合剂。将已附上粘合剂的120块小钢板平均分成四组，每组数量为30，编号为1、2、3、4。然后利用GP-80型高效大气等离子喷涂机在对1、2、3、4组分别喷涂NAS NW276、NAS 254N、NAS 329J3L、SUS 316L，同组小钢板喷涂相同型号涂层，所有组涂层厚度均为0.8mm。最后将已喷涂好的120块小钢板置于SRJX-8-13型高温箱型电阻炉进行热扩散处理。
1)表2为对照组所用3种涂层材料化学组分。将涂层依次为哈氏C-276合金，规格：NAS NW276、高镍高耐腐蚀不锈钢，规格：NAS 254N、耐腐蚀不锈钢，规格：NAS 329J3L、普通不锈钢，规格：SUS 316L的4块小钢板分别置于按质量配比的6％FeCl3+1％HCl水溶液中，将涂层依次为NAS NW276、NAS 254N、NAS 329J3L、SUS 316L的另外4块小钢板分别置于绿死水溶液中，对8个实验组溶液进行加热处理，来测得各组涂层的临界点腐蚀温度。结果见表3。
ASTM G48方法C：试验时间72小时；绿死水溶液浸泡：试验时间24小时，试验溶液为7％H2SO4+3％HCl+1％FeCl3+1％CuCl2。
2)将涂层依次为NAS NW276、NAS 254N、NAS 329J3L、SUS 316L的4块小钢板分别置于按质量配比的6％FeCl3+1％HCl水溶液中，将涂层依次为NAS NW276、NAS 254N、NAS 329J3L、SUS 316L的另外4块小钢板分别置于绿死水溶液中，对8个实验组溶液进行加热处理，来测得各组涂层的临界抗缝隙腐蚀温度。结果见表4。
ASTM G48方法D：试验时间72小时，使用多齿夹子形成缝隙；绿死水溶液浸泡：试验时间24小时，试验溶液为7％H2SO4+3％HCl+1％FeCl3+1％CuCl2，缝隙腐蚀试验使用多齿夹子形成缝隙。
ASTM G48说明：使用三氯化铁溶液做不锈钢及其合金的耐麻点腐蚀和抗裂口腐蚀性试验的标准方法，G48为固定代号，本试验方法包括若干测定规程，用于测定不锈钢及其合金暴露于氯-氧化环境时的耐麻点和裂口腐蚀性。包括六种规程，命名为方法A、B、C、D、E和F。
方法A——三氯化铁麻点腐蚀试验。
方法B——三氯化铁裂口腐蚀试验。
方法C——镍基和铬包复合金的临界麻点腐蚀温度试验。
方法D——镍基和铬包复合金的临界裂口腐蚀温度试验。
方法E——不锈钢的临界麻点腐蚀温度试验。
方法F——不锈钢的临界裂口腐蚀温度试验。
表2NAS 254N、NAS 329J3L、SUS 316L的化学组分
表3耐点蚀性能对比
表4抗缝隙腐蚀性能
由表3可以看出NAS NW276涂层的临界点腐蚀温度最高，在两种溶液中的临界点腐蚀温度均高于120℃，SUS 316L的临界点腐蚀温度最低。
由表4同样可看出NAS NW276涂层的临界抗缝隙腐蚀温度最高。由此可见本发明的NASNW276涂层具有非常好的耐点腐蚀和抗缝隙腐蚀性能。
3)相同温度下，研究不同浓度的H2SO4溶液和HCl溶液对4种涂层的腐蚀效果。实验内容与结果详见表5。
试验条件：试验时间24小时腐蚀速度单位：可由g/m2换算成mm/y，mm/y＝g/m2×8.76/d(d为密度)，NAS NW276：d＝8.90g/cm3，NAS 254N：d＝8.06g/cm3，NAS 329J3L：d＝7.80g/cm3，SUS 316L：d＝7.98g/cm3。
表5耐酸腐蚀性能
如图1和图2所示，分别表示80℃和沸腾条件下，不同浓度H2SO4溶液对四种涂层的腐蚀结果图；如图3和图4所示，分别表示80℃和沸腾条件下，不同浓度HCl溶液对4种涂层的腐蚀结果图。由图1、2、3、4均可看出NAS NW276的耐酸腐蚀性能最好，腐蚀程度最小，几乎为0。由此可见，NAS NW276涂层具有极好的耐腐蚀性。
4)在沸腾的不同浓度的MgCl2溶液中研究上述4种涂层的抗应力腐蚀开裂性能。用沸腾MgCl2水溶液浸泡，试验时间300小时，使用U型弯曲试样，+：未开裂，-：应力腐蚀开裂。试验方案和结果见表6。从表6中可看出在高温条件下，NAS NW276涂层具有很好的抗应力腐蚀性。
表6抗应力腐蚀开裂性能对比
带有磁性镍基合金涂层齿轮的涂层制备简要步骤为：
首先用丙酮对齿轮表面进行净化处理，然后在齿轮表面均匀附上一定厚度的有机硅改性环氧树脂粘合剂；
然后利用GP-80型高效大气等离子喷涂机制备镍基合金涂层，利用SRJX-8-13型高温箱型电阻炉对涂层进行热扩散处理；
进一步将喷涂好镍基合金涂层的一对直齿轮置于高强度磁场中进行磁化处理，一段时间后取出，由于同磁性相斥，轮齿啮合时由于斥力作用会很大程度地减小啮入时产生的冲击，而且在啮合过程中齿面相互靠近过程中磁场斥力更大，这将会有效地减小啮合点处的接触应力，从而减小齿面磨损；
最后进行安装对正和试验调试，使得在空载情况下将要啮合的一对轮齿之间有明显的斥力。可以给主动轮一个较小的初速度，观察传动是否迅速停止。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.带有磁性镍基合金涂层齿轮，其特征是，包括直齿轮、粘合剂和带有磁性的镍基合金涂层，所述粘合剂涂于直齿轮表面，直齿轮表面通过粘合剂与带有磁性的镍基合金涂层连接；
所述镍基合金涂层采用哈氏合金Hastelloy C-276Alloy粉末，型号规格为NAS NW276；所述镍基合金涂层的粒度为30～60μm；
所述镍基合金粉末中的各元素含量的具体配比分别为：58％～60％Ni，0.001％～0.008％C，0.015％～0.06％Si，0.3％～1.0％Mn，0.001％～0.04％P，0.002％～0.03％S，15％～16.5％Cr，15.5％～17.0％Mo，4.0％～5.0％Fe，1.5％～2.4％Co，3.0％～4.5％W，0.15％～0.3％V；
所述直齿轮与镍基合金涂层之间的粘合剂采用有机硅改性环氧树脂粘合剂，制备的原料为环氧胶黏剂E-20、有机硅中间体DC-3074：聚甲基苯基硅氧烷PMPS、脂环族改性胺类XP固化剂、二甲苯、环己酮；将环氧胶黏剂E-20在90℃加热融化后加入有机硅中间体DC-3074，进行充分混合得到PMPS改性树脂，环氧胶黏剂E-20和有机硅中间体DC-3074的质量百分比为7:3；固化处理：将得到的PMPS改性树脂、XP固化剂、环己酮、二甲苯按质量分数比为79:11:5:5进行混合，40min后涂膜，室温固化。
2.如权利要求1所述的带有磁性镍基合金涂层齿轮，其特征是，所述直齿轮与轴之间的连接方式采用对称双键连接，双键角度差为180°。
3.利用权利要求1至2的任一项所述的带有磁性镍基合金涂层齿轮的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
⑴利用JB25型搅拌机均匀搅拌12h，使镍基合金粉末充分混合；
⑵在经过表面淬火的齿轮表面用丙酮进行净化处理，然后在齿轮表面均匀附上一定厚度的有机硅改性环氧树脂粘合剂，利用GP-80型高效大气等离子喷涂机制备镍基合金粉末涂层，鉴于本发明主要应用于高速、重载和强腐蚀工况，应制备较厚涂层，厚度范围为1.0～1.5mm，最后利用SRJX-8-13型高温箱型电阻炉对涂层进行热扩散处理；
⑶将已喷涂镍基合金涂层的一对直齿轮分别置于相同高强度磁场进行磁化处理，一定时间后取出，然后进行齿轮安装和对正，试验调试使得空载情况下两啮合轮齿出现较明显地相斥现象。
4.利用权利要求1至2的任一项所述的带有磁性镍基合金涂层齿轮的涂层NAS NW276材料的耐腐蚀和耐热性能的试验方法，其特征是，包括以下步骤：
⑴准备120块材料均为调质处理后的45号钢规格完全相同的长×宽为30mm×15mm，厚度为4mm的钢板，在每块钢板上表面均匀附上厚度为100μm的有机硅改性环氧树脂粘合剂，将已附上粘合剂的120块小钢板平均分成四组，每组数量为30，编号为1、2、3、4，然后利用GP-80型高效大气等离子喷涂机在对1、2、3、4组分别喷涂哈氏合金NAS NW276、高镍高耐腐蚀不锈钢NAS 254N、耐腐蚀不锈钢NAS 329J3L、普通不锈钢SUS 316L，同组小钢板喷涂相同型号涂层，所有组涂层厚度均为0.8mm，最后将已喷涂好的120块小钢板置于SRJX-8-13型高温箱型电阻炉进行热扩散处理；
⑵将涂层依次为哈氏合金NAS NW276、高镍高耐腐蚀不锈钢NAS 254N、耐腐蚀不锈钢NAS 329J3L、普通不锈钢SUS 316L的4块小钢板分别置于按质量比配比的6％FeCl3+1％HCl的水溶液中，将涂层依次为NAS NW276、NAS 254N、NAS 329J3L、SUS 316L的另外4块小钢板分别置于绿死水溶液中，对8个实验组溶液进行加热处理，来测得各组涂层的临界点腐蚀温度；
ASTM G48方法C：试验时间72小时；绿死水溶液浸泡：试验时间24小时，试验溶液为按质量比配比的7％H2SO4+3％HCl+1％FeCl3+1％CuCl2的水溶液；
⑶将涂层依次为哈氏合金NAS NW276、高镍高耐腐蚀不锈钢NAS 254N、耐腐蚀不锈钢NAS 329J3L、普通不锈钢SUS 316L的4块小钢板分别置于按质量比配比的6％FeCl3+1％HCl的水溶液中，将涂层依次为NAS NW276、NAS 254N、NAS 329J3L、SUS 316L的另外4块小钢板分别置于绿死水溶液中，对8个实验组溶液进行加热处理，来测得各组涂层的临界抗缝隙腐蚀温度；
ASTM G48方法D：试验时间72小时，使用多齿夹子形成缝隙；绿死水溶液浸泡：试验时间24小时，试验溶液为按质量比配比的7％H2SO4+3％HCl+1％FeCl3+1％CuCl2水溶液，缝隙腐蚀试验使用多齿夹子形成缝隙；
⑷在80℃和沸腾条件下，研究不同浓度的H2SO4溶液和HCl溶液对4种涂层的腐蚀效果；
试验条件：试验时间24小时腐蚀速度单位：可由g/m2换算成mm/y，mm/y＝g/m2×8.76/d,d为密度，NAS NW276：d＝8.90g/cm3，NAS 254N：d＝8.06g/cm3，NAS 329J3L：d＝7.80g/cm3，SUS 316L：d＝7.98g/cm3；
在80℃时的H2SO4溶液的浓度分别为5％、10％、20％、40％、60％、80％；在沸腾时的H2SO4溶液的浓度分别为5％、10％、20％、40％；在80℃时和沸腾时的H2SO4溶液的浓度分别为0.1％、1.0％、2.0％、3.0％；
⑸在沸腾的不同浓度的MgCl2溶液中研究上述4种涂层的抗应力腐蚀开裂性能；
方法：用沸腾MgCl2水溶液浸泡，试验时间300小时，使用U型弯曲试样。MgCl2的溶液密度分别采用20％、25％、30％、35％、38％、42％。
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