CN112483626A - 一种基于增材制造的自润滑齿轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增材制造的自润滑齿轮及其制备方法，具有良好的韧性，工作表面具有高硬度和耐磨性，在宽温域工作范围内具有良好的自润滑功效。本发明实施例的增材制造的自润滑齿轮，包括齿轮基体和CBN基自润滑涂层，CBN基自润滑涂层设置在齿轮基体的表面；CBN基自润滑涂层由CBN基混合粉通过增材制造技术形成，CBN基混合粉包括石墨烯、ZnO、W₂N、VN、Ag、BNNTs和CNFs。工作温度较低时，石墨烯能够起到润滑作用；高温时，W₂N、ZnO、VN和Ag会发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnWO₄、Ag₂WO₄、V₂O₅化合物，使得该齿轮在高温下具有良好的自润滑功效，从而减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。

Description

一种基于增材制造的自润滑齿轮及其制备方法

技术领域

本发明涉及齿轮制造技术领域，具体来说，涉及一种基于增材制造的自润滑齿轮及其制备方法。

背景技术

齿轮传动是工业中使用极其普遍的传动机构，然而，齿轮传动过程中，齿面间存在较大摩擦磨损，直接导致齿轮寿命降低。因此，通过改善齿轮的润滑性能以降低齿面间摩擦磨损，成为延长齿轮寿命的有效途径。齿轮传动过程中摩擦及润滑已成为齿轮行业亟待解决的难题。为此，近几年开发出一系列自润滑齿轮。同时，表面处理能够提高齿轮表面硬度和耐磨性，进而提高齿轮寿命；然而传统方法制备效率较低，齿轮寿命有待进一步提高。

中国专利申请号CN201810145366.6公开了一种多材料复合自润滑齿轮，通过3D打印技术在齿轮基体表面制备出自润滑涂层，从而实现齿轮本身的自润滑功能。中国专利申请号CN201710194846.7公开了一种基于增材制造技术的直齿面齿轮快速精铸工艺，通过FDM快速成型增材制造技术和熔模精铸工艺实现直齿面齿轮的快速制造。中国专利申请号201710086850.1公开了一种蜂窝状多边形自润滑齿轮，基于仿生学在齿轮表面加工出蜂窝状沟槽和条形沟槽，通过在仿生沟槽中填充固体润滑剂，实现齿轮啮合的自润滑功效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于增材制造的自润滑齿轮及其制备方法，齿轮表面设有CBN基自润滑涂层，齿轮整体具有良好的韧性，工作表面具有高的硬度、韧性和耐磨性；该齿轮可实现工作过程中的持续自润滑，有效减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。

为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种基于增材制造的自润滑齿轮，包括齿轮基体和CBN基自润滑涂层，所述CBN基自润滑涂层设置在所述齿轮基体的表面，所述CBN基自润滑涂层由CBN基混合粉通过增材制造技术制备，所述CBN基混合粉包括石墨烯、ZnO、W₂N、VN、Ag、BNNTs、CNFs、CBN、Ni60A和TiC。

作为本发明实施例的进一步改进，所述CBN基混合粉中，石墨烯的质量百分比为5-8％，ZnO的质量百分比为3-6％,W₂N的质量百分比为3-6％，VN的质量百分比为3-6％，Ag的质量百分比为3-6％，BNNTs的质量百分比为2-5％，CNFs的质量百分比为2-5％，CBN的质量百分比为30-40％，Ni60A的质量百分比为20-30％，TiC的质量百分比为10-15％，各成分重量百分比之和为100％。

作为本发明实施例的进一步改进，所述齿轮基体由低碳钢制成。

作为本发明实施例的进一步改进，所述增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。

另一方面，本发明提供一种制备上述基于增材制造的自润滑齿轮的制备方法，包括以下步骤：

步骤11、前处理：将齿轮基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10-20min，进行去油污处理；

步骤12、配置CBN基混合粉：CBN基混合粉按照质量百分比，包括：Ni60A 20-30％、CBN30-40％、TiC 5-8％、石墨烯3-6％、ZnO 3-6％、W2N 3-6％、VN 3-6％、Ag 3-6％、BNNTs2-5％和CNFs 2-5％；

步骤13、熔覆CBN基自润滑涂层：将配置好的CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器的送粉速率为5-50g/s；采用增材制造技术将CBN基混合粉熔覆在齿轮基体表面，形成CBN基自润滑涂层的厚度为2-10mm；

步骤14、后处理：将步骤13得到的CBN基自润滑涂层的表面进行磨削精整，使得CBN基自润滑涂层的总厚度为0.5-9mm，得到基于增材制造的自润滑齿轮。

作为本发明实施例的进一步改进，所述增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：1.本发明实施例的齿轮，齿轮基体表面设有CBN基自润滑涂层，齿轮整体具有良好的韧性，工作表面具有高的硬度、韧性和耐磨性。2.本实施例的齿轮，在宽温域内具有自润滑功效；工作温度较低时，CBN基自润滑涂层中的石墨烯能够起到润滑效果；高温时，CBN基自润滑涂层中的W₂N、ZnO、VN和Ag会发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnWO₄、Ag₂WO₄、V₂O₅化合物，使得该齿轮在高温下具有良好的自润滑功效，从而减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。3.本实施例的齿轮的CBN基自润滑涂层中，BNNTs和CNFs增加齿轮界面及表面散热能力，且提高涂层韧性、强度和耐磨性能。4.本发明实施例方法采用增材制造技术制备齿轮基体表面的CBN基自润滑涂层，制备效率高，CBN基自润滑涂层与齿轮基体之间具有较强的结合强度。

附图说明

图1为本发明实施例的基于增材制造的自润滑齿轮的结构示意图。

图中：齿轮基体1、CBN基自润滑涂层2。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明实施例提供基于增材制造的自润滑齿轮，如图1所示，包括齿轮基体1和CBN基自润滑涂层2，CBN基自润滑涂层2设置在齿轮基体1的表面。CBN基自润滑涂层2由CBN基混合粉通过增材制造技术形成。CBN基混合粉包括石墨烯、ZnO、W₂N、VN、Ag、BNNTs、CNFs、CBN、Ni60A和TiC。

本发明实施例的齿轮，齿轮基体表面设有CBN基自润滑涂层，齿轮整体具有良好的韧性，工作表面具有高硬度和耐磨性。本实施例的齿轮，在宽温域工作范围内具有良好的自润滑功效。工作过程中，温度较低时，CBN基自润滑涂层中的石墨烯能够起到润滑作用，温度较高时，CBN基自润滑涂层中的W₂N、ZnO、VN和Ag会发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnWO₄、Ag₂WO₄和V₂O₅化合物，使得该齿轮能够适应高温下传动，起到良好的自适应润滑功效，从而减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。

优选的，CBN基混合粉中，石墨烯的质量百分比为5-8％，ZnO的质量百分比为3-6％,W₂N的质量百分比为3-6％，VN的质量百分比为3-6％，Ag的质量百分比为3-6％，BNNTs的质量百分比为2-5％，CNFs的质量百分比为2-5％，CBN的质量百分比为30-40％，Ni60A的质量百分比为20-30％，TiC的质量百分比为10-15％，各成分重量百分比之和为100％。

本实施例的齿轮的CBN基自润滑涂层中，BNNTs和CNFs增加齿轮界面及表面散热能力，且提高涂层韧性、强度和耐磨性能。

优选的，齿轮基体1由低碳钢制成。

优选的，增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。

本发明实施例还提供一种基于增材制造的自润滑齿轮的制备方法，包括以下步骤：

前处理：将齿轮基体1依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10-20min，进行去油污处理；

步骤12、配置CBN基混合粉：CBN基混合粉按照质量百分比，包括：Ni60A 20-30％、CBN30-40％、TiC 5-8％、石墨烯3-6％、ZnO 3-6％、W2N 3-6％、VN 3-6％、Ag 3-6％、BNNTs2-5％和CNFs 2-5％；

步骤13、熔覆CBN基自润滑涂层：将配置好的CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器的送粉速率为5-50g/s；采用增材制造技术将CBN基混合粉熔覆在齿轮基体1表面，形成CBN基自润滑涂层的厚度为2-10mm；

步骤14、后处理：将步骤13得到的CBN基自润滑涂层的表面进行磨削精整，使得CBN基自润滑涂层的总厚度为0.5-9mm，得到基于增材制造的自润滑齿轮。

优选的，增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。

本发明实施例方法，采用增材制造技术制备齿轮基体表面的CBN基自润滑涂层，制备效率高，CBN基自润滑涂层与齿轮基体之间具有较强的结合强度。本发明实施例方法制备得到的齿轮具有良好的韧性，工作表面具有高硬度和耐磨性，在宽温域工作范围内具有良好的自润滑功效。

实施例1

将由20Cr制成的齿轮基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10min，进行去油污处理。配置CBN基混合粉，CBN基混合粉中各成分重量百分比为：20％Ni60A、40％CBN、10％TiC、8％石墨烯、4％ZnO、4％W₂N、4％VN、4％Ag、3％BNNTs和3％CNFs。将配置好的CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为5g/s；采用激光增材制造技术将混合粉料熔覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为2mm。将CBN基自润滑涂层的表面进行磨削精整，使得涂层总厚度为1mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。

实施例2

将由20CrMnNi制成的齿轮基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20min，进行去油污处理；配置CBN基混合粉，CBN基混合粉中各成分重量百分比为：30％Ni60A、30％CBN、12％TiC、6％石墨烯、3％ZnO、3％W₂N、3％VN、3％Ag、5％BNNTs和5％CNFs。将配置好的CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为50g/s；采用电子束增材制造技术将混合粉料熔覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为10mm。将CBN基自润滑涂层的表面进行磨削精整，使得涂层总厚度为9mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。

实施例3

将由20Cr制成的齿轮基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10min，进行去油污处理。配置CBN基混合粉，CBN基混合粉中各成分重量百分比为：21％Ni60A、30％CBN、12％TiC、5％石墨烯、6％ZnO、6％W₂N、6％VN、6％Ag、4％BNNTs和4％CNFs。将配置好的CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为5g/s；采用激光增材制造技术将混合粉料熔覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为3mm。将CBN基自润滑涂层的表面进行磨削精整，使得涂层总厚度为0.5mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。

实施例4

将由20CrMnNi制成的齿轮基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各15min，进行去油污处理；配置CBN基混合粉，CBN基混合粉中各成分重量百分比为：20％Ni60A、35％CBN、15％TiC、6％石墨烯、5％ZnO、5％W₂N、5％VN、5％Ag、2％BNNTs和2％CNFs。将配置好的CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为30g/s；采用电子束增材制造技术将混合粉料熔覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为7mm。将CBN基自润滑涂层的表面进行磨削精整，使得涂层总厚度为5mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于增材制造的自润滑齿轮，其特征在于，包括齿轮基体(1)和CBN基自润滑涂层(2)，所述CBN基自润滑涂层(2)设置在所述齿轮基体(1)的表面，所述CBN基自润滑涂层(2)由CBN基混合粉通过增材制造技术制备，所述CBN基混合粉包括石墨烯、ZnO、W₂N、VN、Ag、BNNTs、CNFs、CBN、Ni60A和TiC。

2.根据权利要求1所述的基于增材制造的自润滑齿轮，其特征在于，所述CBN基混合粉中，石墨烯的质量百分比为5-8％，ZnO的质量百分比为3-6％,W2N的质量百分比为3-6％，VN的质量百分比为3-6％，Ag的质量百分比为3-6％，BNNTs的质量百分比为2-5％，CNFs的质量百分比为2-5％，CBN的质量百分比为30-40％，Ni60A的质量百分比为20-30％，TiC的质量百分比为10-15％，各成分重量百分比之和为100％。

3.根据权利要求1所述的基于增材制造的自润滑齿轮，其特征在于，所述齿轮基体(1)由低碳钢制成。

4.根据权利要求1所述的基于增材制造的自润滑齿轮，其特征在于，所述增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。

5.一种制备权利要求1-4任意一项所述的基于增材制造的自润滑齿轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤11、前处理：将齿轮基体(1)依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10-20min，进行去油污处理；

步骤12、配置CBN基混合粉：CBN基混合粉按照质量百分比，包括：Ni60A 20-30％、CBN30-40％、TiC 5-8％、石墨烯3-6％、ZnO 3-6％、W2N 3-6％、VN 3-6％、Ag 3-6％、BNNTs2-5％和CNFs 2-5％；

步骤13、熔覆CBN基自润滑涂层：将配置好的CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器的送粉速率为5-50g/s；采用增材制造技术将CBN基混合粉熔覆在齿轮基体(1)表面，形成CBN基自润滑涂层的厚度为2-10mm；

步骤14、后处理：将步骤13得到的CBN基自润滑涂层的表面进行磨削精整，使得CBN基自润滑涂层的总厚度为0.5-9mm，得到基于增材制造的自润滑齿轮。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。

Images