CN105132876A - 一种钢制齿轮的表面复合处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢制齿轮的表面复合处理方法，能够提高齿轮表面硬度、耐磨性和膜基结合强度。该方法包括的步骤包括：工件前期处理；抽真空及工件预热；等离子体清洗；等离子氮化处理；二次等离子体清洗；非平衡磁控溅射制备氮化物涂层；关闭所有电源及气体，保持真空冷却2-3小时，打开真空室，取出复合处理后的工件。本发明处理的齿轮表面硬度高、耐磨性好和膜基结合度好，从而延长了齿轮的使用寿命。比传统齿轮表面处理工艺加工周期短、表面质量好。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面改性方法，特别是一种钢制齿轮的表面复合处理方法。
背景技术
齿轮是各类机械传动系统的关键部件，广泛应用于汽车、船舶、飞机、火车等的传动装置，为了增加齿轮表面硬度，提高耐磨性，需要对齿轮进行表面处理。常用的传统技术主要有渗碳、氮化和表面淬火等。随着工业中对齿轮性能要求越来越高，传统的强化技术在生产成本、效益和提高齿轮性能方面的优势已渐不明显。
随着技术的进步，在传统的表面强化技术基础上，又涌现出了一些新型表面强化技术。如喷丸表面强化、激光表面淬火、先进的表面镀膜技术、等离子体沉积和表面冶金强化等，这些新技术拓宽了表面工程的应用范围，使其成为表面防腐、制造新材料、功能材料、复合材料以及表面装饰方面等不可缺少的工艺手段。
专利CN101665940A公开了一种活塞环表面类金刚石复合涂层的制备方法，该方法通过低温等离子体渗氮技术和磁过滤阴极弧——磁控溅射技术，在活塞环表面获得具有优异抗磨损与自润滑性能的氮化/类金刚石复合涂层。该方法得到的活塞环具有良好的抗磨与自润滑效果。
专利CN203639559U公开了一种具有渗镀复合表面涂层的铝压铸模具，该方法先采用离子体渗氮在模具的模腔和冲头表面形成离子渗氮层，再采用磁控溅射技术在渗氮层表面镀TiAlN涂层，该方法处理后的模具具有耐高温、不易磨损等特点，提高了模具抗热疲劳能力，延长了模具的使用寿命。
专利CN102877070A公开了一种钢制模具的表面复合处理方法，该方法对经热处理后的钢制模具先进行喷丸处理，然后通过离子渗氮技术在模具表面形成离子渗氮层，最后对模具表面再进行离子镀膜，采用该方法处理后的钢制模具具有表面硬度高、耐磨性好、镀膜结合度好，解决了现有传统模具表面在使用早期容易破坏的技术问题。
专利CN1392285A公开了一种精密叶片热锻模具PCVD的等离子体渗镀复合强化方法，该方法将热处理后的叶片模具放入PCVD真空炉内进行等离子体渗氮，后采用PCVD沉积TiN或TiCN薄膜，采用该方法处理后的模具表面硬度、涂层与基体附着强度显著提高。
上述几种方法分别针对不同材料首先进行了等离子体渗氮、然后再以物理所相沉积或化学气相沉积的方法镀膜的复合处理，并取得了较好的强化效果。本发明专利的特点在于对钢制齿轮表面的原位、同炉等离子体渗氮、磁控溅射镀膜的复合处理。这种方法的成势在于1)提高表面强度的同时，2)实现了两中工艺的同炉连续完成，避免了二次抽真空及二次加热，缩短了工艺周期，提高了生产效率，3)减少了工件表面二次污染的机会，4)降低了生产成本。目前，尚未发现针对钢制齿轮表面的等离子氮化和磁控溅射镀膜的同炉渗、镀复合处理的报道。
发明内容
本发明提供了一种钢制齿轮的表面复合处理方法，能够提高齿轮表面硬度、耐磨性和膜基结合强度。
一种钢制齿轮的表面复合处理方法，其特征是该方法包括如下步骤：
一.工件前期处理
将调质处理后的齿轮精加工齿形，表面除油抛光后浸入丙酮中超声波清洗，乙醇脱水后烘干，然后放到非平衡磁控溅射镀膜机的工件架上；
二.抽真空及工件预热
启动非平衡磁控溅射设备的抽真空系统，待真空室本底真空达到3×10-3Pa，开启加热系统将真空室加热到100℃-300℃，设定工件架旋转速度为30-100转/分钟，保温30-120分钟，去除真空室内残留气体；
三.等离子体清洗
向真空室通入氩气，真空室压强控制在0.5-2.0Pa，打开钨灯丝，灯丝电流10-30A，脉冲偏压电源对基体加负偏压，脉冲电源参数为100-300W功率、60KHz频率、50％占空比，钨灯丝加直流50-150V偏压，产生增强等离子体，对工件进行等离子体清洗10-60分钟；
四.等离子氮化处理
真空室升温到400℃，通入氮气和氢气，氮气流量为70-30sccm，氢气流量为20-80sccm，腔体压强控制在2.0Pa，氮化时间90-180分钟，直流偏压电源在基体上加负50-100v偏压；
五.二次等离子体清洗
关闭氮气和氢气，降低温度到300-350℃，保温20-30分钟，重复步骤一次；
六.非平衡磁控溅射制备氮化物涂层
a.工件二次等离子体清洗后，降低氩气流量，调节真空室压强在0.2-1.0Pa，开启基体直流偏压25-150V，开启磁控靶电源；
b.在工件表面制备金属过渡层，靶功率设定为1-5KW，60KHz频率及50-80％占空比，镀膜1-10分钟；
c.在金属过渡层表面制备金属梯度过渡层，开启反应气体，反应气体氮气通入量为5-30sccm，继续镀膜15-60分钟；
d.在金属梯度过渡层表面制备氮化物表面层，增加氮气流量到10-50sccm，继续镀膜3-5小时；
七.关闭所有电源及气体，保持真空冷却2-3小时，打开真空室，取出复合处理后的工件。
本发明与现有同类技术相比，其显著的有益效果体现在：本发明处理的齿轮表面硬度高、耐磨性好和膜基结合度好，从而延长了齿轮的使用寿命。比传统齿轮表面处理工艺加工周期短、表面质量好。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例
一种38CrMoAl钢制齿轮的表面复合处理方法，该方法的步骤如下：
一.工件前期处理
将经840℃淬火,470℃回火的钢制齿轮(HRC41-45)经表面除油抛光后浸入丙酮中超声波清洗，乙醇脱水后烘干，然后放到非平衡磁控溅射镀膜机的工件架上；
二.抽真空及工件预热
启动非平衡磁控溅射设备的抽真空系统，待真空室本底真空达到3×10-3Pa，开启加热系统将真空室加热到300℃，设定工件架旋转速度为30转/分钟，保温120分钟，去除真空室内残留气体；
三.等离子体清洗
向真空室通入氩气，真空室压强控制在0.5-2.0Pa，打开钨灯丝，灯丝电流10-30A，脉冲偏压电源对基体加负偏压，脉冲电源参数为100-300W功率、60KHz频率、50％占空比，钨灯丝加直流50-150V偏压，产生增强等离子体，对工件进行等离子体清洗60分钟；
四.等离子氮化处理
真空室升温到400℃，通入氮气和氢气，氮气的流量为70-30sccm，氢气的流量为80-20sccm，腔体压强控制在2.0Pa，氮化时间120分钟，直流偏压电源在基体上加负80-100v偏压；
五.二次等离子体清洗
关闭氮气和氢气，降低温度到300-350℃，保温20-30分钟，重复步骤一次；
六.非平衡磁控溅射制备氮化物涂层
a.工件二次等离子体清洗后，降低氩气流量，调节真空室压强在0.4-1.0Pa，开启基体直流偏压50-100V，开启磁控靶电源；
b.Ti过渡层：靶功率5KW，占空比80％，频率60KHz，温度350℃,腔体压强0.5-0.7Pa,Ar80sccm，沉积时间20min，膜厚在0.2-0.4um；
c.TiN过渡层：靶功率5-10KW，N210-40sccm，Ar150sccm，沉积时间40min，膜厚0.6-0.8um；
d.TiN表层：靶功率12-4KW，N248sccm，Ar150sccm，沉积时间5h，膜厚5.0um。
七.关闭所有电源及气体，保持真空冷却2-3小时，打开真空室，取出复合处理后的工件。
齿轮的表面处理周期短、硬度高、耐磨性好、膜基结合强度高。
Claims (1)
1.一种钢制齿轮的表面复合处理方法，其特征是该方法包括如下步骤：
一.工件前期处理
将调质处理后的齿轮精加工齿形，表面除油抛光后浸入丙酮中超声波清洗，乙醇脱水后烘干，然后放到非平衡磁控溅射镀膜机的工件架上；
二.抽真空及工件预热
启动非平衡磁控溅射设备的抽真空系统，待真空室本底真空达到3×10-3Pa，开启加热系统将真空室加热到100℃-300℃，设定工件架旋转速度为30-100转/分钟，保温30-120分钟，去除真空室内残留气体；
三.等离子体清洗
向真空室通入氩气，真空室压强控制在0.5-2.0Pa，打开钨灯丝，灯丝电流10-30A，脉冲偏压电源对基体加负偏压，脉冲电源参数为100-300W功率、60KHz频率、50％占空比，钨灯丝加直流50-150V偏压，产生增强等离子体，对工件进行等离子体清洗10-60分钟；
四.等离子氮化处理
真空室升温到400℃，通入氮气和氢气，氮气流量为70-30sccm，氢气流量为20-80sccm，腔体压强控制在2.0Pa，氮化时间90-180分钟，直流偏压电源在基体上加负50-100v偏压；
五.二次等离子体清洗
关闭氮气和氢气，降低温度到300-350℃，保温20-30分钟，重复步骤一次；
六.非平衡磁控溅射制备氮化物涂层
a.工件二次等离子体清洗后，降低氩气流量，调节真空室压强在0.2-1.0Pa，开启基体直流偏压25-150V，开启磁控靶电源；
b.在工件表面制备金属过渡层，靶功率设定为1-5KW，60KHz频率及50-80％占空比，镀膜1-10分钟；
c.在金属过渡层表面制备金属梯度过渡层，开启反应气体，反应气体氮气通入量为5-30sccm，继续镀膜15-60分钟；
d.在金属梯度过渡层表面制备氮化物表面层，增加氮气流量到10-50sccm，继续镀膜3-5小时；
七.关闭所有电源及气体，保持真空冷却2-3小时，打开真空室，取出复合处理后的工件。
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