CN109236982A - 一种带织构化涂层的齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带织构化涂层的齿轮，涉及机械传动技术领域，包括齿轮本体和附着于齿轮本体上的涂层，齿轮本体表面均匀分布有多个第一微坑，涂层表面分布有多个织构化区域，每个织构化区域包括多个第二微坑，带织构化涂层的齿轮采用如下加工方法制备：步骤一、在齿轮上加工第一微坑，得到织构化齿轮；步骤二、在织构化齿轮表面镀涂层，得到涂层齿轮；步骤三、在织构化涂层齿轮表面加工第二微坑，得到织构化涂层齿轮。本发明中的部分织构化涂层减小了齿轮表面的摩擦磨损，提高了其机械耐磨性能和使用寿命。

Description

一种带织构化涂层的齿轮

技术领域

本发明涉及机械传动技术领域，具体而言，涉及一种带织构化涂层的齿轮。

背景技术

齿轮是高端装备极其重要的基础件，被广泛应用于直升机、风电，坦克、高铁、舰船等重大装备。齿轮传动的性能往往直接决定装备的运行性能、服役寿命、安全性和可靠性。据统计，传动机械装备故障的80％是由齿轮失效引起的。因此，低噪声、长寿命、大功重比、高传动精度、高可靠性等高性能齿轮的研制已成为我国相关工业领域发展中的一个重要的科技问题，也是机械工程领域传动机械学科研究的重要前沿。摩擦磨损是制约齿轮传动性能的主要因素之一。齿面的摩擦力一方面会影响齿轮系统的动态特性，是重要的振动与噪声激励源，另一方面会降低传动效率，加剧轮齿失效。轮齿的磨损不仅会影响齿轮的传动精度和效率，还会造成机构振动、产生噪声等，严重时甚至会使轮齿断裂，造成重大事故。

表面涂层技术在齿面上的应用，能有效的改善齿面的减摩抗磨性能，并能提高齿轮抗疲劳点蚀和胶合失效的能力。然而，在工程实践中，涂层的剥落是应用过程中的薄弱点。单一的齿面处理方式已不能满足对齿轮高疲劳强度、低摩擦磨损以及承受高速重载的性能要求。

表面织构技术就是在摩擦副表面加工出具有一定尺寸和排列的凹坑、沟槽或者凸包。微小的表面织构在提高承载能力、减摩抗损和延长机械使用寿命等方面具有非常显著的效果。传统的摩擦副表面织构化处理，起摩擦副表面上的织构化排列、布局大多针对摩擦副表面而言。虽在特定的工况下，合理的织构能够改善抗磨性能，但是当织构的分布密度反而会降低表面的摩擦因数，对于加工部分表面织构鲜有报道。

发明内容

本发明提供了一种带织构化涂层的齿轮及其加工方法，旨在改善齿轮齿面抗磨性能差、传动精度低的技术问题。

本发明是这样实现的：

一种带织构化涂层的齿轮，包括齿轮本体和附着于所述齿轮本体上的涂层，所述齿轮本体表面均匀分布有多个第一微坑，所述涂层表面分布有多个织构化区域，每个所述织构化区域包括多个第二微坑，所述带织构化涂层的齿轮采用如下加工方法制备：

步骤一、在齿轮上加工所述第一微坑，得到织构化齿轮；

步骤二、在所述织构化齿轮表面镀涂层，得到涂层齿轮；

步骤三、在所述织构化涂层齿轮表面加工所述第二微坑，得到织构化涂层齿轮。

进一步的，所述织构化区域为条形，多个所述织构化区域沿周向间隔排布于所述涂层表面。

进一步的，所述织构化区域为混合微观织构，所述混合微观织构选自球冠形、正方形、三角形、圆柱形、十字形织构中的至少两种，沿所述齿轮沿轴向方向上，多个所述第二微坑的织构相同，沿周向方向上，相邻两个所述第二微坑的织构不同。

进一步的，在步骤一和步骤三中，采用激光器加工所述第一微坑和第二微坑，具体包括如下步骤：

S1、将待加工齿轮或涂层齿轮放于加工台，设置激光加工参数；

S2、用聚焦后的激光束照射所述齿轮或涂层齿轮表面，在所述表面加工织构。

进一步的，所述激光加工波长为1060nm，平均功率5w，加工参数为脉冲频率20Hz，加工所述齿轮时扫描速度为10mm/s，加工所述涂层齿轮时扫描速度为20mm/s。

进一步的，在步骤二中，使用物理气相沉积技术在所述织构化齿轮表面镀上一层涂层，具体包括如下步骤：

S1、清洗所述织构化齿轮；

S2、将所述织构化齿轮安装于镀膜室内的工件夹具；

S3、将所述镀膜室抽真空，将所述织构化齿轮烘烤加热至预定温度；

S4、向所述镀膜室充入工作气体，在所述织构化齿轮的齿面上磁控溅射出等离子体，然后充入反应气体，调整真空度范围，获得所述涂层。

进一步的，在步骤S1中，超声清洗所述织构化齿轮。

进一步的，在步骤S4中，所述工作气体为氩气，所述反应气体为氮气。

进一步的，所述第一微坑深度为1um～2um，直径为10um～20um，中心间距为40um～60um。

所述第二微坑深度为0.5um～1um，直径为5um～10um，中心间距为20um～40um。

进一步的，所述涂层为TiN、TiC、TiCN或TiAlN。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过上述设计得到的带织构化涂层的齿轮，使用时，通过齿轮本体表面的织构化，可改变齿轮本体表面的微观结构，有效增加基体齿面的比表面积，为涂层的涂覆提供良好的附着表面，增加涂层与基体齿面的附着力，从而提高涂层的抗剥落和破损能力；

(2)通过在表面设置织构化区域，对涂层表面进行部分织构化处理，相对于传统的全部织构化表面进一步提高了机械摩擦性能，同时可降低织构成本。

(3)通过涂层表面的织构化，可以将润滑油储存在涂层表面的第二微坑中作为齿面润滑的二次供给源，向啮合面提供润滑剂，从而提高润滑油膜的形成速率和维持润滑油膜的存在，进而能显著降低干摩擦出现的机率和减少摩擦磨损；同时能带走齿面间产生的摩擦热，从而降低齿面温度，防止齿面胶合等失效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的带织构化涂层的齿轮的结构示意图；

图2是图1的剖面示意图；

图3是图2中A处的局部放大结构示意图；

图4是本发明实施例2提供的带织构化涂层的齿轮的结构示意图；

图5是本发明实施例3提供的带织构化涂层的齿轮的结构示意图；

图6是本发明实施例4提供的带织构化涂层的齿轮的结构示意图。

图标：1-齿轮本体；2-涂层；3-第一微坑；4-第二微坑。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1，参照图1、2所示，本发明提供了一种带织构化涂层2的齿轮，包括齿轮本体1和附着于所述齿轮本体1上的涂层2。所述涂层2具有很好的耐磨性能和隔热性能，有利于减摩并提高齿轮本体1受热变形量。

所述齿轮本体1表面均匀分布有多个第一微坑3，通过齿轮本体1表面的织构化，可改变齿轮本体1表面的微观结构，有效增加基体齿面的比表面积，为涂层2的涂覆提供良好的附着表面，增加涂层2与基体齿面的附着力，从而提高涂层2的抗剥落和破损能力。所述涂层2表面分布有多个织构化区域，每个所述织构化区域包括多个第二微坑4。多个所述织构化区域形成部分织构化齿面，相对于完全织构化齿面来说，部分织构化可以产生显著地承载能力，并相应地减少表面摩擦作用。

可选的，在本发明基体与其他材料组成的摩擦副中，多个所述第二微坑4可以储存软质润滑剂，相对运动过程中能够显著降低干摩擦出现的机率和减少摩擦磨损。

可选的，参考图2、3所示，所述第一微坑3和所述第二微坑4呈错位分布，有利于避免激光加工表面的应力集中现象，从而提高基体的摩擦性能和使用寿命。

可选的，参考图1所示，所述织构化区域为条形，多个所述织构化区域沿周向间隔排布于所述涂层2表面。可选的，其他形状的织构化区域，如矩形、扇形、圆形等，在不偏离本发明实质性内容的基础上，都可应用于本发明。

可选的，参考图1所示，所述织构化区域为混合微观织构，所述混合微观织构选自球冠形和三角形织构。沿所述齿轮沿轴向方向上，多个所述第二微坑4的织构相同，沿周向方向上，相邻两个所述第二微坑4的织构不同。可选的，其他类型的排布方式如沿齿轮轴向为同一织构，沿齿轮周向为不同织构也可应用于所述织构化区域。通过对所述两种微观织构进行混合排列，使其表面的压力分布更加合理，动压润滑性能更好，可最大限度的提升其承载力和耐磨性能。

可选的，参考图2、3所示，所述第一微坑3的直径小于相邻两个所述第一微坑3的中心间距，所述第二微坑4的直径小于相邻两个所述第二微坑4的中心间距。相反的，在干摩擦状态下，如果凹坑的直径大于摩擦副的接触宽度，将会导致摩擦力的增大，无法起到减小摩擦的作用。

可选的，参考图2、3所示，所述第二微坑4深度为0.5um～1um，直径为5um～10um，中心间距为20um～40um，表面织构的分布密度和深宽比对其摩擦性能具有显著地影响。

可选的，参考图2、3所示，所述第一微坑3为球冠形、正方形、三角形、圆柱形、十字形织构中的一种。可选的，其他织构形状如针叶型、锥形等均可应用于所述第一微坑3。

可选的，参考图2、3所示，所述第一微坑3深度为1um～2um，直径为10um～20um，中心间距为40um～60um，为涂层2提供了良好的附着表面，提高其抗剥损能力。

可选的，参考图2、3所示，所述涂层2为TiN、TiC、TiCN或TiAlN。通过采用物理气相沉积技术在所述齿轮本体1表面镀上一层涂层2。

可选的，参考图2、3所示，所述涂层2的厚度为5um～8um。

所述带织构化涂层2的齿轮采用如下加工方法制备：

步骤一、将待加工齿轮进行抛光、表面去油污处理，清洗并干燥，在齿轮上加工所述第一微坑3，得到织构化齿轮。

可选的，参考图2、3所示，在步骤一中，采用激光器加工所述第一微坑3和第二微坑4，激光表面织构化的机理就是利用聚焦后的激光束，照射到工件表面，激光在很小的焦斑范围内，具有较高的功率密度，能够在极短的时间内，使材料发生熔化、汽化，并形成小孔，小孔的形成又增强材料对激光的吸收，材料汽化膨胀产生的压力将熔融的材料抛出，从而达到去除材料的目的，具体包括如下步骤：

S1、将待加工齿轮放于加工台，设置激光加工参数。

可选的，所述激光加工波长为1060nm，平均功率5w，加工参数为脉冲频率20Hz，加工所述齿轮时扫描速度为10mm/s，加工所述涂层2齿轮时扫描速度为20mm/s。

S2、用聚焦后的激光束照射所述齿轮或涂层2齿轮表面，在所述表面加工织构。

进一步地，在进行激光束照射之前，在待加工齿轮的表面覆盖一层薄膜，激光加工完后，去除表面残余的薄膜。激光加工过程中，会产生一定量的熔渣，熔渣在高温下会飞溅到齿轮表面，造成齿轮表面不平整。例如可以涂覆聚丙烯胶液等常用胶液，在齿轮表面先形成保护层，激光加工完成后，采用尼龙刷等刷除剩余的胶层。

步骤二、在所述织构化齿轮表面镀涂层2，得到涂层2齿轮。

可选的，参考图2、3所示，在步骤二中，使用物理气相沉积技术在所述织构化齿轮表面镀上一层涂层2。

可选的，所述涂层2为TiN涂层2，选用工业纯度为99.999％的Ti靶材，选用高纯度的工作气体和反应气体。选择涂层2显微硬度为最佳的工艺参数：氮气流量为10-20ml/s，工作气体和反应气体流量比为3-5:1，温度为100-240℃，功率为300W，偏压为50-100V，工件与靶材之间距离为75-100cm。优选的，氮气流量为15ml/s，工作气体和反应气体流量比为5:1，温度为150℃，功率为300W，偏压为80V，工件与靶材之间距离为85cm。具体包括如下步骤：

S1、前期准备：清洗所述织构化齿轮；

可选的，在步骤S1中，将所述织构化齿轮放入清洗机进行超声清洗。

S2、安装工件：将所述织构化齿轮安装于镀膜室内的工件夹具，关闭镀膜室；

S3、抽真空：将所述镀膜室抽真空，开启真空泵，真空度达到6×10^-1Pa后，开扩散高泵，真空度抽至6×10^-3Pa；

烘烤加热：将所述织构化齿轮进行烘烤加热至150℃；

S4、离子刻蚀：向所述镀膜室充入工作气体，真空度保持1～3Pa，轰击电压1000～3000V，工件产生辉光放电，在所述织构化齿轮的齿面上磁控溅射出等离子体，离子轰击净化工件，轰击时间10～20min。

沉积TiN：降低工件偏压，充入工作气体，调整真空度范围，开启磁控溅射靶电源，靶面产生辉光放电，高密度的氩离子流从靶面溅射出钛原子。然后通入反应气体，增大并控制真空度范围，获得所述涂层2。

可选的，在步骤S4中，所述工作气体为氩气，所述反应气体为氮气。

可选地，在步骤S4沉积TiN时，冲入工作气体后，调整真空度范围为(3～5)×10^{- 1}Pa，通入反应气体后，控制真空度范围为(5～7)×10^-1Pa。

取出工件：当涂层2厚度达到5um～8um后，向镀膜室充气。断开电源，关闭气体，关闭加热电源，关闭分子泵、机械泵。打开镀膜室，取出工件。

步骤三、在所述织构化涂层2齿轮表面加工所述第二微坑4，得到织构化涂层2齿轮。具体的，在所述涂层2表面划分织构化区域，在所述织构化区域上加工所述第二微坑4，所述第二微坑4的加工方法可参考步骤一的相关内容。

实施例2

本发明实施例所提供的带织构化涂层2的齿轮，其实现原理及产生的技术效果和实施例1相同，为简要描述，本实施例未提及之处，可参考实施例1中相应内容。

参考图4所示，所述织构化区域为混合微观织构，所述混合微观织构选自球冠形和正方形织构，沿所述齿轮沿轴向方向上，多个所述第二微坑4的织构相同，沿周向方向上，相邻两个所述第二微坑4的织构不同。可选的，其他类型的排布方式如沿齿轮轴向为同一织构，沿齿轮周向为不同织构等也可应用于所述织构化区域。

实施例3

本发明实施例所提供的带织构化涂层2的齿轮，其实现原理及产生的技术效果和实施例1相同，为简要描述，本实施例未提及之处，可参考实施例1中相应内容。

参考图5所示，所述织构化区域为混合微观织构，所述混合微观织构选自正方形和三角形织构，沿所述齿轮沿轴向方向上，多个所述第二微坑4的织构相同，沿周向方向上，相邻两个所述第二微坑4的织构不同。可选的，其他类型的排布方式如沿齿轮轴向为同一织构，沿齿轮周向为不同织构等也可应用于所述织构化区域。

实施例4

本发明实施例所提供的带织构化涂层2的齿轮，其实现原理及产生的技术效果和实施例1相同，为简要描述，本实施例未提及之处，可参考实施例1中相应内容。

参考图6所示，所述织构化区域为混合微观织构，所述混合微观织构选自球冠形、三角形和正方形织构，沿所述齿轮沿轴向方向上，多个所述第二微坑4的织构相同，沿周向方向上，相邻两个所述第二微坑4的织构不同。可选的，其他类型的排布方式，如沿齿轮轴向为同一织构，沿齿轮周向为不同织构等也可应用于所述织构化区域。通过对所述三种微观织构进行混合排列，可最大限度的提升其承载力和耐磨性能。

应当注意的是，球冠形、正方形、三角形、圆柱形、十字形织构外，其他织构形状如针叶型、锥形等均可应用于本发明中的混合微观织构。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带织构化涂层的齿轮，包括齿轮本体和附着于所述齿轮本体上的涂层，其特征在于，所述齿轮本体表面均匀分布有多个第一微坑，所述涂层表面分布有多个织构化区域，每个所述织构化区域包括多个第二微坑，所述带织构化涂层的齿轮采用如下加工方法制备：

步骤一、在齿轮上加工出所述第一微坑，得到织构化齿轮；

步骤二、在所述织构化齿轮表面镀涂层，得到涂层齿轮；

步骤三、在所述织构化涂层齿轮表面加工出所述第二微坑，得到织构化涂层齿轮。

2.根据权利要求1所述的带织构化涂层的齿轮，其特征在于，所述织构化区域为条形，多个所述织构化区域沿周向间隔排布于所述涂层表面。

3.根据权利要求1所述的带织构化涂层的齿轮，其特征在于，所述织构化区域为混合微观织构，所述混合微观织构选自球冠形、正方形、三角形、圆柱形、十字形织构中的至少两种，沿所述齿轮沿轴向方向上，多个所述第二微坑的织构相同，沿周向方向上，相邻两个所述第二微坑的织构不同。

4.根据权利要求1所述的带织构化涂层的齿轮，其特征在于，在步骤一和步骤三中，采用激光器加工所述第一微坑和第二微坑，具体包括如下步骤：

S1、将待加工齿轮或涂层齿轮放于加工台，设置激光加工参数；

S2、用聚焦后的激光束照射所述齿轮或涂层齿轮表面，在所述表面加工织构。

5.根据权利要求4所述的带织构化涂层的齿轮，其特征在于，所述激光加工波长为1060nm，平均功率5w，脉冲频率20Hz，加工所述齿轮时扫描速度为10mm/s，加工所述涂层齿轮时扫描速度为20mm/s。

6.根据权利要求1所述的带织构化涂层的齿轮，其特征在于，在步骤二中，使用物理气相沉积技术在所述织构化齿轮表面镀上一层涂层，具体包括如下步骤：

S1、清洗所述织构化齿轮；

S2、将所述织构化齿轮安装于镀膜室内的工件夹具；

S3、将所述镀膜室抽真空，将所述织构化齿轮烘烤加热至预定温度；

S4、向所述镀膜室充入工作气体，在所述织构化齿轮的齿面上磁控溅射出等离子体，然后充入反应气体，调整真空度范围，获得所述涂层。

7.根据权利要求6所述的带织构化涂层的齿轮，其特征在于，在步骤S1中，超声清洗所述织构化齿轮。

8.根据权利要求6所述的带织构化涂层的齿轮，其特征在于，在步骤S4中，所述工作气体为氩气，所述反应气体为氮气。

9.根据权利要求1所述的带织构化涂层的齿轮，所述第一微坑深度为1um～2um，直径为10um～20um，中心间距为40um～60um；

所述第二微坑深度为0.5um～1um，直径为5um～10um，中心间距为20um～40um。

10.根据权利要求1所述的带织构化涂层的齿轮，其特征在于，所述涂层为TiN、TiC、TiCN或TiAlN。