CN112628378B - 一种微织构自适应润滑齿轮及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微织构自适应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。本发明实施例的微织构自适应润滑齿轮，包括齿轮基体和Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层，Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层设置在齿轮基体的表面，Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面设有微织构。工作温度较低时，Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层中的石墨烯能够起到润滑作用，温度较高时，Mo、ZnO、V和Ag会发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnMoO4、Ag2MoO4和V2O5化合物，使得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。

Description

一种微织构自适应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，涉及一种微织构自适应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。目前，齿轮传动的润滑方式以油润滑和脂润滑为主，油润滑需要油箱或润滑系统，结构较为复杂且高温高压状态下润滑油难以进入摩擦接触界面，形成有效的润滑膜。脂润滑仅适用于转速及温度较低的场合。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。
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CN201711395397.9公开了一种带有微织构的自润滑齿轮，齿轮表面加工出微织构并填充润滑介质，在摩擦高温下软化形成润滑膜，从而实现齿轮摩擦区域持续的自润滑功效。中国专利申请号CN201710086850.1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：提供一种宽温域自润滑齿轮及其制备方法，齿轮整体具有良好的韧性，工作表面具有Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层，且具有高硬度、韧性和耐磨性，Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层表面具有微织构；该齿轮可实现工作过程中的持续自适应润滑，且微织构能够收集磨屑，存储润滑剂；微织构与Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层结合，可有效减小摩擦磨损，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微织构自适应润滑齿轮，包括齿轮基体和Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层，所述Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层设置在所述齿轮基体的表面，所述Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面设有微织构。
作为本发明实施例的进一步改进，所述Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层由Si3N4基陶瓷混合粉熔覆形成，熔覆方式采用激光熔覆；所述Si3N4基陶瓷混合粉由石墨烯、ZnO、Mo、V、Ag、BNNTs、CNFs、Si3N4、Ni60A和WC组成。
作为本发明实施例的进一步改进，所述Si3N4基陶瓷混合粉中，石墨烯的质量百分比为5-8％，ZnO的质量百分比为3-6％，Mo的质量百分比为3-6％，V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％，Si3N4的质量百分比为20-30％，Ni60A的质量百分比为30-40％，WC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，所述齿轮基体由中碳钢制成。
另一方面，本发明实施例还提供一种制备上述微织构自适应润滑齿轮的制备方法，包括以下步骤：
步骤10、采用激光熔覆技术将含有石墨烯、ZnO、Mo、V、Ag、BNNTs、CNFs、Si3N4、Ni60A和WC的Si3N4基陶瓷混合粉熔覆在齿轮基体的表面，形成Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层，熔覆过程采用同步送粉方式进行；
步骤20、采用激光加工技术在Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面制备微织构；
步骤30、得到微织构自适应润滑齿轮。
作为本发明实施例的进一步改进，所述步骤10具体包括：
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Si3N4基陶瓷混合粉：Si3N4基陶瓷混合粉按照质量百分比，包括：Ni60A 30-40％、Si3N4 20-30％、WC 10-15％、石墨烯5-8％、ZnO 3-6％、Mo 3-6％、V 3-6％、Ag 3-6％、BNNTs 2-5％和CNFs 2-5％；
步骤13、熔覆Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层：将配置好的Si3N4基陶瓷混合粉装入送粉器中，调整送粉器的送粉速率为5-30g/s；采用激光熔覆技术将Si3N4基陶瓷混合粉熔覆在齿轮基体表面，形成Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的厚度为3-10mm；
其中，熔覆过程采用同步送粉方式进行；激光熔覆工艺参数：功率5-20kW，光斑直径为2-5mm，扫描速度为2-50mm/s，搭桥率为20-50％；送粉气和保护气均采用Ar气，Ar气流量30-50L/min；
步骤14、后处理：将步骤13得到的Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面进行磨削精整，使得Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的总厚度为1-8mm。
作为本发明实施例的进一步改进，所述步骤20，具体包括：
采用纳米激光在步骤10中得到的Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面加工出微织构，微织构的宽度为20-200μm，深度为5-200μm；
其中，激光加工参数：功率5-50W，光斑直径10-15μm，频率10-20kHz，加工速度2-200mm/s。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明实施例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。工作过程中，温度较低时，Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层中的石墨烯能够起到润滑作用，温度较高时，Mo、ZnO、V和Ag会发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnMoO4、Ag2MoO4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。本发明实施例中，齿轮基体表面的Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层中，BNNTs和CNFs可增加齿轮界面及表面散热能力，且提高Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层韧性、强度和耐磨性能。在Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层表面设置微织构，微织构可收集磨屑，减小磨粒磨损，微织构与Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层结合，微织构能够存储高温反应得到的润滑剂，提高二次润滑，进而有效减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。本发明齿轮的Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层采用激光熔覆方法制备，微织构采用纳米激光加工制备，制备效率高，Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层与齿轮基体间具有较强的结合强度。
附图说明
图1为本发明实施例的微织构自适应润滑齿轮的结构示意图。
图中：齿轮基体1、Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层2、微织构3。
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。
本发明实施例提供一种微织构自适应润滑齿轮，如图1所示，包括齿轮基体1和Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层2，Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层2设置在齿轮基体1的表面，Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面设有微织构3。Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层2由Si3N4基陶瓷混合粉采用激光熔覆技术熔覆形成，Si3N4基陶瓷混合粉由石墨烯、ZnO、Mo、V、Ag、BNNTs、CNFs、Si3N4、Ni60A和WC组成。
本发明实施例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。工作过程中，温度较低时，Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层中的石墨烯能够起到润滑作用，温度较高时，Mo、ZnO、V和Ag会发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnMoO4、Ag2MoO4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。本发明实施例中，齿轮基体表面的Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层中，BNNTs和CNFs可增加齿轮界面及表面散热能力，且提高Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层韧性、强度和耐磨性能。在Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层表面设置微织构，微织构可收集磨屑，减小磨粒磨损，微织构与Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层结合，微织构能够存储高温反应得到的润滑剂，提高二次润滑，进而有效减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。
优选的，Si3N4基陶瓷混合粉中，石墨烯的质量百分比为5-8％，ZnO的质量百分比为3-6％，Mo的质量百分比为3-6％，V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％，Si3N4的质量百分比为20-30％，Ni60A的质量百分比为30-40％，WC的质量百分比为10-15％。
优选的，齿轮基体1由中碳钢制成。
本发明实施例还提供微织构自适应润滑齿轮的制备方法，包括以下步骤：
步骤10、采用激光熔覆技术将含有石墨烯、ZnO、Mo、V、Ag、BNNTs、CNFs、Si3N4、Ni60A和WC的Si3N4基陶瓷混合粉熔覆在齿轮基体的表面，形成Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层，熔覆过程采用同步送粉方式进行；
步骤20、采用激光加工技术在Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层表面制备微织构；
步骤30、得到微织构自适应润滑齿轮。
优选的，步骤10具体包括：
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Si3N4基陶瓷混合粉：Si3N4基陶瓷混合粉按照质量百分比，包括：Ni60A30-40％、Si3N420-30％、WC 10-15％、石墨烯5-8％、ZnO 3-6％、Mo 3-6％、V 3-6％、Ag3-6％、BNNTs2-5％和CNFs 2-5％；
步骤13、熔覆Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层：将配置好的Si3N4基陶瓷混合粉装入送粉器中，调整送粉器的送粉速率为5-30g/s；采用激光熔覆技术将Si3N4基陶瓷混合粉熔覆在齿轮基体(1)表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；激光熔覆工艺参数：功率5-20kW，光斑直径为2-5mm，扫描速度为2-50mm/s，搭桥率为20-50％；送粉气和保护气均采用Ar气，Ar气流量30-50L/min；形成Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的厚度为3-10mm；
步骤14、后处理：将步骤13得到的Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面进行磨削精整，使得Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的总厚度为1-8mm。
优选的，步骤20，具体包括：
采用纳米激光在步骤10中得到的Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面加工出微织构，微织构的宽度为20-200μm，深度为5-200μm；激光加工参数：功率5-50W，光斑直径10-15μm，频率10-20kHz，加工速度2-200mm/s。
本发明实施例方法，Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层采用激光熔覆方法制备，微织构采用纳米激光加工制备，制备效率高，Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层与齿轮基体间具有较强的结合强度。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40Cr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Si3N4基陶瓷混合粉，Si3N4基陶瓷混合粉中各成分重量百分比为：33％Ni60A、30％Si3N4、10％WC、5％石墨烯、4％ZnO、4％Mo、3％V、3％Ag、4％BNNTs和4％CNFs。将配置好的Si3N4基陶瓷混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为10g/s；采用激光熔覆技术将混合粉料熔覆在齿轮基体表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；激光熔覆工艺参数如下：功率5kW，光斑直径为2mm，扫描速度为2mm/s，搭桥率为20％；送粉气和保护气均采用Ar气，Ar气流量30L/min；得到Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层厚度为3mm。将Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面进行磨削精整，使得涂层总厚度为1mm。采用纳米激光在Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面加工出微织构，微织构宽度为50μm，深度为50μm；激光加工参数为：功率10W，光斑直径12μm，频率10kHz，加工速度10mm/s。得到微织构自适应润滑齿轮。
实施例2
将由40CrNi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Si3N4基陶瓷混合粉，Si3N4基陶瓷混合粉中各成分重量百分比为：40％Ni60A、20％Si3N4、15％WC、6％石墨烯、3％ZnO、3％Mo、3％V、4％Ag、3％BNNTs和3％CNFs。将配置好的Si3N4基陶瓷混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为30g/s；采用激光熔覆技术将混合粉料熔覆在齿轮基体表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；激光熔覆工艺参数如下：功率15kW，光斑直径为5mm，扫描速度为40mm/s，搭桥率为50％；送粉气和保护气均采用Ar气，Ar气流量50L/min，得到Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的厚度为10mm。将Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面进行磨削精整，使得Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的总厚度为8mm。采用纳米激光在Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面加工出微织构，微织构宽度为100μm，深度为100μm；激光加工参数为：功率50W，光斑直径15μm，频率20kHz，加工速度50mm/s。得到微织构自适应润滑齿轮。
实施例3
将由40CrNi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Si3N4基陶瓷混合粉，Si3N4基陶瓷混合粉中各成分重量百分比为：30％Ni60A、25％Si3N4、12％WC、8％石墨烯、4％ZnO、3％Mo、5％V、6％Ag、2％BNNTs和5％CNFs。将配置好的Si3N4基陶瓷混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为30g/s；采用激光熔覆技术将混合粉料熔覆在齿轮基体表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；激光熔覆工艺参数如下：功率20kW，光斑直径为3mm，扫描速度为50mm/s，搭桥率为30％；送粉气和保护气均采用Ar气，Ar气流量40L/min，得到Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的厚度为7mm。将Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面进行磨削精整，使得Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的总厚度为5mm。采用纳米激光在Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面加工出微织构，微织构宽度为20μm，深度为5μm；激光加工参数为：功率50W，光斑直径15μm，频率20kHz，加工速度50mm/s。得到微织构自适应润滑齿轮。
实施例4
将由40CrNi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Si3N4基陶瓷混合粉，Si3N4基陶瓷混合粉中各成分重量百分比为：35％Ni60A、20％Si3N4、10％WC、5％石墨烯、6％ZnO、6％Mo、6％V、5％Ag、5％BNNTs和2％CNFs。将配置好的Si3N4基陶瓷混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为30g/s；采用激光熔覆技术将混合粉料熔覆在齿轮基体表面，熔覆过程采用同步送粉方式进行；激光熔覆工艺参数如下：功率20kW，光斑直径为3mm，扫描速度为50mm/s，搭桥率为30％；送粉气和保护气均采用Ar气，Ar气流量40L/min，得到Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的厚度为7mm。将Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面进行磨削精整，使得Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的总厚度为5mm。采用纳米激光在Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层的表面加工出微织构，微织构宽度为200μm，深度为200μm；激光加工参数为：功率50W，光斑直径15μm，频率20kHz，加工速度50mm/s。得到微织构自适应润滑齿轮。
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 (5)

1.一种微织构自适应润滑齿轮，其特征在于，包括齿轮基体(1)和Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层(2)，所述Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层(2)设置在所述齿轮基体(1)的表面，所述Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层(2)的表面设有微织构(3)；所述Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层(2)由Si3N4基陶瓷混合粉通过激光熔覆技术熔覆形成；所述Si3N4基陶瓷混合粉由石墨烯、ZnO、Mo、V、Ag、BNNTs、CNFs、Si3N4、Ni60A和WC组成；
所述Si3N4基陶瓷混合粉中，石墨烯的质量百分比为5-8％，ZnO的质量百分比为3-6％，Mo的质量百分比为3-6％，V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％，Si3N4的质量百分比为20-30％，Ni60A的质量百分比为30-40％，WC的质量百分比为10-15％，各成分重量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的微织构自适应润滑齿轮，其特征在于，所述齿轮基体(1)由中碳钢制成。
3.一种制备权利要求1-2任意一项所述的微织构自适应润滑齿轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10、采用激光熔覆技术将含有石墨烯、ZnO、Mo、V、Ag、BNNTs、CNFs、Si3N4、Ni60A和WC的Si3N4基陶瓷混合粉熔覆在齿轮基体(1)的表面，形成Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层(2)，熔覆过程采用同步送粉方式进行；
步骤20、采用激光加工技术在Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层(2)的表面制备微织构(3)；
步骤30、得到微织构自适应润滑齿轮。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤10具体包括：
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Si3N4基陶瓷混合粉：Si3N4基陶瓷混合粉按照质量百分比，包括：Ni60A 30-40％、Si3N4 20-30％、WC 10-15％、石墨烯5-8％、ZnO 3-6％、Mo 3-6％、V 3-6％、Ag 3-6％、BNNTs 2-5％和CNFs 2-5％；
步骤13、熔覆Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层(2)：将配置好的Si3N4基陶瓷混合粉装入送粉器中，调整送粉器的送粉速率为5-30g/s；采用激光熔覆技术将Si3N4基陶瓷混合粉熔覆在齿轮基体(1)表面，形成Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层(2)的厚度为3-10mm；
其中，熔覆过程采用同步送粉方式进行；激光熔覆工艺参数：功率5-20kW，光斑直径为2-5mm，扫描速度为2-50mm/s，搭桥率为20-50％；送粉气和保护气均采用Ar气，Ar气流量30-50L/min；
步骤14、后处理：将步骤13得到的Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层(2)的表面进行磨削精整，使得Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层(2)的总厚度为1-8mm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤20，具体包括：
采用纳米激光在步骤10中得到的Si3N4基陶瓷自适应润滑涂层(2)的表面加工出微织构(3)，微织构(3)的宽度为20-200μm，深度为5-200μm；
其中，激光加工参数：功率5-50W，光斑直径10-15μm，频率10-20kHz，加工速度2-200mm/s。
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