CN112628381B - 一种温度自适应润滑齿轮及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度自适应润滑齿轮及其制备方法，包括齿轮基体和复合涂层，所述复合涂层涂覆在所述齿轮基体的表面；所述复合涂层包括第一涂层和第二涂层，所述第一涂层和第二涂层交替叠加；所述第一涂层为TiVZnC层，所述第二涂层为MoTeNbN层；所述复合涂层采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在齿轮基体表面制备。该齿轮在工作温度较低时，MoTeNbN涂层能够起到润滑作用；工作温度较高时，TiVZnC涂层、MoTeNbN涂层及空气中氧气会发生反应，生成具有高温润滑作用的ZnMoO4和V2O5化合物，从而能够起到润滑作用。该齿轮能够适应多种温度场合，在宽温度范围或交变温度条件下，均具有良好的自适应润滑功效，可减小齿面摩擦磨损，提高齿轮寿命。

Description

一种温度自适应润滑齿轮及其制备方法
技术领域
本发明属于齿轮制造技术领域，特别涉及了一种温度自适应润滑齿轮及其制备方法。
背景技术
齿轮是工业中使用极其普遍的机械零部件，其被广泛应用于传动机构进行传递运动和动力。齿轮传动过程中，齿面间存在较大摩擦磨损，因此，齿轮传动需要足够的润滑，以降低齿轮间摩擦磨损，延长齿轮寿命。然而，高温高压接触状态下，润滑油难以进入摩擦接触界面，形成有效的润滑膜。自润滑齿轮无需润滑油及其复杂的润滑系统，能够在工作表面形成润滑膜从而实现齿轮工作过程中的润滑作用。然而，如何提高宽温度范围或交变温度条件下齿轮润滑性能成为齿轮工作过程存在的难题。
中国专利“申请号：CN201810145366.6”报道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：CN201810145191.9”报道了一种跨尺度交错嵌入式自润滑齿轮表面的加工方法，通过在齿轮表面加工出微织构，并嵌入自润滑材料，从而实现齿轮的自润滑功能。中国专利“申请号：CN201711395397.9”报道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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种温度自适应润滑齿轮及其制备方法，该齿轮在宽温域及交变温度范围内具有良好的自适应润滑能力，可实现齿轮工作过程中的润滑，减小齿面磨损，从而提高齿轮寿命。
为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种温度自适应润滑齿轮，包括齿轮基体和复合涂层，所述复合涂层涂覆在所述齿轮基体的表面；所述复合涂层包括第一涂层和第二涂层，所述第一涂层和第二涂层交替叠加，所述第一涂层为TiVZnC层，所述第二涂层为MoTeNbN层。
优选的，所述复合涂层至少含有10层TiVZnC层和10层MoTeNbN层，第一涂层和第二涂层的单层厚度均小于等于100nm。
优选的，所述第一涂层中，Ti元素原子百分比为30-50％，V元素原子百分比为10-20％，Zn元素原子百分比为5-15％，C元素原子百分比为20-40％，所述Ti、V、Zn、C元素原子百分比之和为100％。
优选的，所述第二涂层中，Mo元素原子百分比为30-40％，Te元素原子百分比为30-40％，Nb元素原子百分比为8-12％，N元素原子百分比为10-20％，所述Mo、Te、Nb、N元素原子百分比之和为100％。
优选的，所述齿轮基体材料为碳钢。
另一方面，本发明实施例提供一种制备温度自适应润滑齿轮的制备方法，包括：
采用多弧离子镀和中频磁控溅射共沉积方法，在齿轮基体的表面制备复合涂层，所述复合涂层包括交替叠加的第一涂层和第二涂层。
优选的，一种制备温度自适应润滑齿轮的制备方法具体包括以下步骤：
步骤1、采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备第一涂层：调整工作气压为0.5-2.5Pa，偏压为100-300V，调整Ti靶电流为50-160A，VZnC靶电流为50-100A，沉积第一涂层3-5min；
步骤2、采用MoTe2靶、Nb靶和N2共沉积方法制备第二涂层：调整工作气压为0.5-2.0Pa，偏压为100-120V，调整N2流量为50-80sccm，MoTe2靶电流为80-120A，Nb靶电流为30-50A，沉积第二涂层5-8min；
步骤3、重复步骤1和步骤2，交替沉积TiVZnC和MoTeNbN涂层，直至齿轮基体表面的复合涂层总厚度为预设厚度，得到温度自适应润滑齿轮。
优选的，所述预设厚度为1-10μm。
有益效果：1.本发明的齿轮在宽温域工作范围内具有良好的自适应润滑功效；工作温度较低时，MoTeNbN涂层能够起到润滑作用；工作温度较高时，TiVZnC、MoTeNbN及空气中氧气会发生反应，生成具有高温润滑作用的ZnMoO4和V2O5化合物，从而能够在高温条件下起到良好的润滑作用；2.TiVZnC+MoTeNbN叠层涂层提高了单一涂层的性能，增加了齿轮适用范围。
附图说明
图1为本发明的温度自适应润滑齿轮结构示意图。
其中：1齿轮基体，2第一涂层，3第二涂层。
具体实施方式
以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。
如图1所示，本发明采用的实施例如下：
实例1：一种温度自适应润滑齿轮，齿轮基体材料为40Cr钢，基体材料表面具有TiVZnC+MoTeNbN交替分布的宽温域自润滑叠层涂层。该叠层涂层含有10层TiVZnC层和10层MoTeNbN层，且TiVZnC与MoTeNbN单个层的厚度为100nm。
本发明的一种温度自适应润滑齿轮，TiVZnC涂层中Ti元素原子百分比为30％，V元素原子百分比为20％，Zn元素原子百分比为15％，C元素原子百分比为35％，所述Ti、V、Zn、C元素原子百分比之和为100％；MoTeNbN涂层中Mo元素原子百分比为30％，Te元素原子百分比为40％，Nb元素原子百分比为10％，N元素原子百分比为20％，所述Mo、Te、Nb、N元素原子百分比之和为100％。
本发明的一种温度自适应润滑齿轮的制备方法，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法，在齿轮基体表面制备TiVZnC与MoTeNbN交替分布的宽温域自润滑涂层；TiVZnC涂层采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备，工作气压为0.5Pa，偏压为150V，Ti靶电流为50A，VZnC靶电流为60A，沉积TiVZnC涂层5min；MoTeNbN涂层采用MoTe2靶、Nb靶和N2共沉积方法制备，工作气压为0.5Pa，偏压为100V，N2流量为50sccm，MoTe2靶电流为90A，Nb靶电流为30A，沉积MoTeNbN涂层8min；交替沉积TiVZnC和MoTeNbN涂层，使涂层总厚度为2μm。
实例2：一种温度自适应润滑齿轮，齿轮基体材料为45钢，基体材料表面具有TiVZnC+MoTeNbN交替分布的宽温域自润滑叠层涂层。该叠层涂层含有50层TiVZnC层和50层MoTeNbN层，且TiVZnC与MoTeNbN单个层的厚度为50nm。
本发明的一种温度自适应润滑齿轮，TiVZnC涂层中Ti元素原子百分比为50％，V元素原子百分比为10％，Zn元素原子百分比为10％，C元素原子百分比为30％，所述Ti、V、Zn、C元素原子百分比之和为100％；MoTeNbN涂层中Mo元素原子百分比为40％，Te元素原子百分比为40％，Nb元素原子百分比为8％，N元素原子百分比为12％，所述Mo、Te、Nb、N元素原子百分比之和为100％。
本发明的一种温度自适应润滑齿轮的制备方法，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法，在齿轮基体表面制备TiVZnC与MoTeNbN交替分布的宽温域自润滑涂层；TiVZnC涂层采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备，工作气压为2.0Pa，偏压为300V，Ti靶电流为150A，VZnC靶电流为80A，沉积TiBCrC涂层3min；MoTeNbN涂层采用MoTe2靶、Nb靶和N2共沉积方法制备，工作气压为2.0Pa，偏压为120V，N2流量为70sccm，MoTe2靶电流为100A，Nb靶电流为50A，沉积MoTeNbN涂层6min；交替沉积TiVZnC和MoTeNbN涂层，使涂层总厚度为5μm。
实例3：一种温度自适应润滑齿轮，齿轮基体材料为45钢，基体材料表面具有TiVZnC+MoTeNbN交替分布的宽温域自润滑叠层涂层。该叠层涂层含有20层TiVZnC层和20层MoTeNbN层，且TiVZnC与MoTeNbN单个层的厚度为80nm。
本发明的一种温度自适应润滑齿轮，TiVZnC涂层中Ti元素原子百分比为35％，V元素原子百分比为20％，Zn元素原子百分比为5％，C元素原子百分比为40％，所述Ti、V、Zn、C元素原子百分比之和为100％；MoTeNbN涂层中Mo元素原子百分比为39％，Te元素原子百分比为39％，Nb元素原子百分比为12％，N元素原子百分比为10％，所述Mo、Te、Nb、N元素原子百分比之和为100％。
本发明的一种温度自适应润滑齿轮的制备方法，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法，在齿轮基体表面制备TiVZnC与MoTeNbN交替分布的宽温域自润滑涂层；TiVZnC涂层采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备，工作气压为2.5Pa，偏压为100V，Ti靶电流为160A，VZnC靶电流为50A，沉积TiBCrC涂层4min；MoTeNbN涂层采用MoTe2靶、Nb靶和N2共沉积方法制备，工作气压为1.0Pa，偏压为110V，N2流量为80sccm，MoTe2靶电流为80A，Nb靶电流为40A，沉积MoTeNbN涂层5min；交替沉积TiVZnC和MoTeNbN涂层，使涂层总厚度为1μm。
实例4：一种温度自适应润滑齿轮，齿轮基体材料为45钢，基体材料表面具有TiVZnC+MoTeNbN交替分布的宽温域自润滑叠层涂层。该叠层涂层含有60层TiVZnC层和60层MoTeNbN层，且TiVZnC与MoTeNbN单个层的厚度为40nm。
本发明的一种温度自适应润滑齿轮，TiVZnC涂层中Ti元素原子百分比为50％，V元素原子百分比为15％，Zn元素原子百分比为15％，C元素原子百分比为20％，所述Ti、V、Zn、C元素原子百分比之和为100％；MoTeNbN涂层中Mo元素原子百分比为40％，Te元素原子百分比为30％，Nb元素原子百分比为12％，N元素原子百分比为18％，所述Mo、Te、Nb、N元素原子百分比之和为100％。
本发明的一种温度自适应润滑齿轮的制备方法，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法，在齿轮基体表面制备TiVZnC与MoTeNbN交替分布的宽温域自润滑涂层；TiVZnC涂层采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备，工作气压为2.0Pa，偏压为300V，Ti靶电流为150A，VZnC靶电流为100A，沉积TiBCrC涂层3min；MoTeNbN涂层采用MoTe2靶、Nb靶和N2共沉积方法制备，工作气压为2.0Pa，偏压为120V，N2流量为70sccm，MoTe2靶电流为120A，Nb靶电流为50A，沉积MoTeNbN涂层6min；交替沉积TiVZnC和MoTeNbN涂层，使涂层总厚度为10μm。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的优选实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (6)

1.一种温度自适应润滑齿轮，其特征在于，包括齿轮基体(1)和复合涂层，所述复合涂层涂覆在所述齿轮基体(1)的表面；所述复合涂层包括第一涂层(2)和第二涂层(3)，所述第一涂层(2)和第二涂层(3)交替叠加，所述第一涂层(2)为TiVZnC层，所述第二涂层(3)为MoTeNbN层；
所述第一涂层(2)中，Ti元素原子百分比为30-50％，V元素原子百分比为10-20％，Zn元素原子百分比为5-15％，C元素原子百分比为20-40％，所述Ti、V、Zn、C元素原子百分比之和为100％；
所述第二涂层(3)中，Mo元素原子百分比为30-40％，Te元素原子百分比为30-40％，Nb元素原子百分比为8-12％，N元素原子百分比为10-20％，所述Mo、Te、Nb、N元素原子百分比之和为100％；
工作温度较低时，MoTeNbN层能够起到润滑作用；工作温度较高时，TiVZnC、MoTeNbN及空气中氧气会发生反应，生成具有高温润滑作用的ZnMoO4和V2O5化合物，从而能够在高温条件下起到良好的润滑作用。
2.根据权利要求1所述的温度自适应润滑齿轮，其特征在于，所述复合涂层至少含有10层TiVZnC层和10层MoTeNbN层，第一涂层(2)和第二涂层(3)的单层厚度均小于等于100nm。
3.根据权利要求1所述的温度自适应润滑齿轮，其特征在于，所述齿轮基体(1)材料为碳钢。
4.一种制备权利要求1-3任意一项所述的温度自适应润滑齿轮的制备方法，其特征在于，包括：
采用多弧离子镀和中频磁控溅射共沉积方法，在齿轮基体(1)的表面制备复合涂层，所述复合涂层包括交替叠加的第一涂层(2)和第二涂层(3)。
5.根据权利要求4所述的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备第一涂层(2)：调整工作气压为0.5-2.5Pa，偏压为100-300V，调整Ti靶电流为50-160A，VZnC靶电流为50-100A，沉积第一涂层3-5min；
步骤2、采用MoTe2靶、Nb靶和N2共沉积方法制备第二涂层(3)：调整工作气压为0.5-2.0Pa，偏压为100-120V，调整N2流量为50-80sccm，MoTe2靶电流为80-120A，Nb靶电流为30-50A，沉积第二涂层5-8min；
步骤3、重复步骤1和步骤2，交替沉积TiVZnC和MoTeNbN涂层，直至齿轮基体(1)表面的复合涂层总厚度为预设厚度，得到温度自适应润滑齿轮。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述预设厚度为1-10μm。
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