CN113737080A - 一种高强度耐磨齿轮材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强度耐磨齿轮材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于齿轮加工材料技术领域，尤其是一种高强度耐磨齿轮材料及其制备方法，解决了现有技术中对齿轮材料的综合性能要求越来越高，现有的齿轮材料强度及耐磨性等性能有待提高的问题，所述高强度耐磨齿轮材料，包括以下原料：金属粉末、非金属粉末、处理液；所述金属粉末为铁粉、铝粉、钛粉、铜粉、镍粉和锡粉的混合物；所述非金属粉末由硅化合物、铬化合物和钼化合物混合而得；所述处理液为乙酸乙酯、丙三醇和双‑（γ‑三乙氧基硅基丙基）四硫化物的复配液。本发明原料选用科学合理，制备成本低，制备方法简单，制备周期短；所得齿轮材料强度高、韧性高、塑性高、耐磨性高，抗负荷能力强，安全稳定性好，使用寿命长。

Description

一种高强度耐磨齿轮材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及齿轮加工材料技术领域，尤其涉及一种高强度耐磨齿轮材料及其制备方法。
背景技术
齿轮是汽车、机械表等轮缘上有齿轮连续啮合传递运动和动力的重要传动元件，在机械运动中，齿轮的质量直接影响机械运行时发出的噪音和工作安全。齿轮的应用范围广泛，大多数传动机械设备中都有齿轮的存在。齿轮是用于在平行或垂直于原来施加力的方向传递扭矩与运动的机械部件。齿轮依靠齿的啮合传递扭矩和动力，是应用极为广泛的重要机械传动零件，其设计与制造水平直接影响到工业产品的质量。在传动过程中，轮齿尤其齿根处会受到弯曲力矩的作用，啮合部位也会受到较大的摩擦。为保证齿轮的正常工作，要求其具有高弯曲疲劳强度、高接触疲劳强度、高齿面硬度和耐磨性、高心部强度和冲击韧性、良好的加工性能、原材料质量高且价格低廉、来源充足等特性。
粉末冶金是一种用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金烧结是在低于基体金属的熔点下进行，因此，目前绝大多数难熔金属及其化合物都只能用粉末冶金方法制造；粉末冶金压制的不致密性，有利于通过控制产品密度和孔隙率制备多孔材料、含有轴承、减摩材料等；粉末冶金压制产品的尺寸无限接近最终成品尺寸(不需要机械加工或少量加工)。材料利用率高，故能大大节约金属，降低产品成本；粉末冶金产品是同一模具压制生产，工件之间一致性好，适用于大批量零件的生产，特别是齿轮等加工费用高的产品；粉末冶金可以通过成分的配比保证材料的正确性和均匀性，此外烧结一般在真空或还原气氛中进行，不会污染或氧化材料，可以制备高纯度材料。
中国发明专利CN105880568A公开了一种高强耐磨粉末冶金齿轮材料，所述高强耐磨粉末冶金齿轮材料的组成及其重量百分数为：碳化钽陶瓷粉末5-15%、镍粉0.5-3%、钛粉0.5-2%、钼粉0.5-2%、聚乙烯基异丁醚0.1-2%、硬脂酸锌0.1-2%、铁粉余量，各组成的重量百分数之和为100%。该发明中通过铁粉和碳化钽陶瓷粉末形成金属陶瓷复合物，通过添加微量镍粉、钛粉和钼粉促进两相微界面的细化，进而在一定程度上提高了所制造齿轮的耐磨性和强度。但随着对齿轮传动装置使用性能和耐久性的要求越来越高，对齿轮材料的综合性能的提升有了更进一步的要求。基于上述陈述，本发明提出了一种高强度耐磨齿轮材料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中对齿轮材料的综合性能要求越来越高，现有的齿轮材料强度及耐磨性等性能有待提高的问题，而提出的一种高强度耐磨齿轮材料及其制备方法。
一种高强度耐磨齿轮材料，金属粉末80-90份、非金属粉末5-12份、处理液15-25份；
所述金属粉末为质量比52:14:8:5:1:1的铁粉、铝粉、钛粉、铜粉、镍粉和锡粉的混合物；
所述非金属粉末由质量比7:4:1的硅化合物、铬化合物和钼化合物混合而得；
所述处理液为质量比35:3:1的乙酸乙酯、丙三醇和双-（γ-三乙氧基硅基丙基）四硫化物的复配液。
优选的，所述高强度耐磨齿轮材料，包括以下重量份的原料：金属粉末82-88份、非金属粉末6-10份、处理液18-22份。
优选的，所述高强度耐磨齿轮材料，包括以下重量份的原料：金属粉末85份、非金属粉末8份、处理液20份。
优选的，所述硅化合物为质量比3:3:1的碳化硅、氮化硅和硼化硅的混合物。
优选的，所述铬化合物为质量比1:1的碳化铬和氮化铬的混合物。
本发明还提出了一种高强度耐磨齿轮材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将非金属粉末加入到处理液中，搅拌混合均匀后，超声波处理8-15min，最后冷冻干燥得改性非金属粉末；
S2、将金属粉末与改性非金属粉末共同加入到球磨机中，控制球料比为6-8:1，加入直径为5mm的碳化钨研磨球，在氩气惰性气体气氛中，以300-500r/min的速度在球磨机中球磨混料1-2h，得混合料；
S3、将混合料在380-450MPa的压力下压制成型形成坯体，将坯体置于氮气保护气氛中，升温进行烧结处理，控制烧结温度为970-1020℃，烧结时间为30-50min；
S4、烧结完成后降温至340-380℃，保温2-3h后，最后冷却至室温，即得所需的高强度耐磨齿轮材料。
优选的，所述步骤S1中超声波功率为600-700W、超声波频率为50-70kHz。
优选的，所述步骤S3中升温速率为：以8-15℃/s的速率升温至550-580℃，保温15-25min后，继续以4-7℃/s的速率升温至烧结温度。
优选的，所述步骤S4中降温速率为：以0.5-1.8℃/s的降温速率降温至740-770℃，保温40-50min后，继续以5-8℃/s的降温速率降温至340-380℃。
本发明提出的一种高强度耐磨齿轮材料，具有以下有益效果：
1、本发明采用铁粉、铝粉、钛粉、铜粉、镍粉和锡粉混合组成金属粉末，采用硅化合物、铬化合物和钼化合物混合得到非金属粉末，采用金属粉末为主体基料，采用处理液处理非金属粉末后，再与金属粉末混合烧结制得齿轮材料，本发明原料选用科学合理，制备成本低，制备方法简单，制备周期短；所得齿轮材料强度高、韧性高、塑性高、耐磨性高，抗负荷能力强，安全稳定性好，使用寿命长。
2、本发明采用乙酸乙酯、丙三醇和双-（γ-三乙氧基硅基丙基）四硫化物复配制得处理液，利用处理液对非金属粉末进行超声分散处理，处理后的非金属粉末与金属粉末球磨混合，烧结易形成均一化的合金，通过严格控制金属粉末与非金属粉末的用量，在有效改善齿轮材料耐摩性能的同时，保证了其较高的强度。
3、本发明通过控制烧结前后的升温速率和降温速率，对齿轮材料进行多阶段的升降温保温处理，能够有效的消除齿轮材料的内部孔隙，提高其组织均匀性和内部致密性，避免齿轮材料的开裂和变形，进而显著改善齿轮材料的疲劳强度和冲击韧性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例一
其中，金属粉末为质量比52:14:8:5:1:1的铁粉、铝粉、钛粉、铜粉、镍粉和锡粉的混合物；
其中，非金属粉末由质量比7:4:1的硅化合物、铬化合物和钼化合物混合而得，硅化合物为质量比3:3:1的碳化硅、氮化硅和硼化硅的混合物，铬化合物为质量比1:1的碳化铬和氮化铬的混合物，钼化合物为质量比5:3:1的碳化钼、硼化钼和氧化钼铁铋的混合物；
其中，处理液为质量比35:3:1的乙酸乙酯、丙三醇和双-（γ-三乙氧基硅基丙基）四硫化物的复配液。
本发明还提出了一种高强度耐磨齿轮材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将非金属粉末加入到处理液中，搅拌混合均匀后，超声波处理15min，超声波功率为600W、超声波频率为50kHz，最后冷冻干燥得改性非金属粉末；
S2、将金属粉末与改性非金属粉末共同加入到球磨机中，控制球料比为6:1，加入直径为5mm的碳化钨研磨球，在氩气惰性气体气氛中，以300r/min的速度在球磨机中球磨混料2h，得混合料；
S3、将混合料在380MPa的压力下压制成型形成坯体，将坯体置于氮气保护气氛中，升温进行烧结处理，以8℃/s的速率升温至550℃，保温25min后，继续以4℃/s的速率升温至烧结温度，控制烧结温度为970℃，烧结时间为50min；
S4、烧结完成后以0.5℃/s的降温速率降温至740℃，保温50min后，继续以5℃/s的降温速率降温至340℃，保温3h后，最后冷却至室温，即得所需的高强度耐磨齿轮材料。
实施例二
本发明提出的一种高强度耐磨齿轮材料，包括以下重量份的原料：金属粉末85份、非金属粉末8份、处理液20份；
其中，金属粉末为质量比52:14:8:5:1:1的铁粉、铝粉、钛粉、铜粉、镍粉和锡粉的混合物；
其中，非金属粉末由质量比7:4:1的硅化合物、铬化合物和钼化合物混合而得，硅化合物为质量比3:3:1的碳化硅、氮化硅和硼化硅的混合物，铬化合物为质量比1:1的碳化铬和氮化铬的混合物，钼化合物为质量比5:3:1的碳化钼、硼化钼和氧化钼铁铋的混合物；
其中，处理液为质量比35:3:1的乙酸乙酯、丙三醇和双-（γ-三乙氧基硅基丙基）四硫化物的复配液。
本发明还提出了一种高强度耐磨齿轮材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将非金属粉末加入到处理液中，搅拌混合均匀后，超声波处理12min，超声波功率为650W、超声波频率为60kHz，最后冷冻干燥得改性非金属粉末；
S2、将金属粉末与改性非金属粉末共同加入到球磨机中，控制球料比为7:1，加入直径为5mm的碳化钨研磨球，在氩气惰性气体气氛中，以400r/min的速度在球磨机中球磨混料1.5h，得混合料；
S3、将混合料在420MPa的压力下压制成型形成坯体，将坯体置于氮气保护气氛中，升温进行烧结处理，以12℃/s的速率升温至565℃，保温20min后，继续以5.5℃/s的速率升温至烧结温度，控制烧结温度为1000℃，烧结时间为40min；
S4、烧结完成后以1.2℃/s的降温速率降温至755℃，保温45min后，继续以6.5℃/s的降温速率降温至360℃，保温2.5h后，最后冷却至室温，即得所需的高强度耐磨齿轮材料。
实施例三
本发明提出的一种高强度耐磨齿轮材料，包括以下重量份的原料：金属粉末90份、非金属粉末12份、处理液25份；
其中，金属粉末为质量比52:14:8:5:1:1的铁粉、铝粉、钛粉、铜粉、镍粉和锡粉的混合物；
其中，非金属粉末由质量比7:4:1的硅化合物、铬化合物和钼化合物混合而得，硅化合物为质量比3:3:1的碳化硅、氮化硅和硼化硅的混合物，铬化合物为质量比1:1的碳化铬和氮化铬的混合物，钼化合物为质量比5:3:1的碳化钼、硼化钼和氧化钼铁铋的混合物；
其中，处理液为质量比35:3:1的乙酸乙酯、丙三醇和双-（γ-三乙氧基硅基丙基）四硫化物的复配液。
本发明还提出了一种高强度耐磨齿轮材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将非金属粉末加入到处理液中，搅拌混合均匀后，超声波处理8min，超声波功率为700W、超声波频率为70kHz，最后冷冻干燥得改性非金属粉末；
S2、将金属粉末与改性非金属粉末共同加入到球磨机中，控制球料比为8:1，加入直径为5mm的碳化钨研磨球，在氩气惰性气体气氛中，以500r/min的速度在球磨机中球磨混料1h，得混合料；
S3、将混合料在450MPa的压力下压制成型形成坯体，将坯体置于氮气保护气氛中，升温进行烧结处理，以15℃/s的速率升温至580℃，保温15min后，继续以7℃/s的速率升温至烧结温度，控制烧结温度为1020℃，烧结时间为30min；
S4、烧结完成后以1.8℃/s的降温速率降温至770℃，保温40min后，继续以8℃/s的降温速率降温至380℃，保温2h后，最后冷却至室温，即得所需的高强度耐磨齿轮材料。
对比例一
本发明提出的一种高强度耐磨齿轮材料，包括以下重量份的原料：金属粉末80份、非金属粉末5份；
其中，金属粉末为质量比52:14:8:5:1:1的铁粉、铝粉、钛粉、铜粉、镍粉和锡粉的混合物；
其中，非金属粉末由质量比7:4:1的硅化合物、铬化合物和钼化合物混合而得，硅化合物为质量比3:3:1的碳化硅、氮化硅和硼化硅的混合物，铬化合物为质量比1:1的碳化铬和氮化铬的混合物，钼化合物为质量比5:3:1的碳化钼、硼化钼和氧化钼铁铋的混合物。
本发明还提出了一种高强度耐磨齿轮材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将金属粉末与非金属粉末共同加入到球磨机中，控制球料比为6:1，加入直径为5mm的碳化钨研磨球，在氩气惰性气体气氛中，以300r/min的速度在球磨机中球磨混料2h，得混合料；
S2、将混合料在380MPa的压力下压制成型形成坯体，将坯体置于氮气保护气氛中，升温进行烧结处理，以8℃/s的速率升温至550℃，保温25min后，继续以4℃/s的速率升温至烧结温度，控制烧结温度为970℃，烧结时间为50min；
S3、烧结完成后以0.5℃/s的降温速率降温至740℃，保温50min后，继续以5℃/s的降温速率降温至340℃，保温3h后，最后冷却至室温，即得所需的高强度耐磨齿轮材料。
对比例二
本发明提出的一种高强度耐磨齿轮材料，包括以下重量份的原料：金属粉末80份、非金属粉末5份、处理液15份；
其中，金属粉末为质量比52:14:8:5:1:1的铁粉、铝粉、钛粉、铜粉、镍粉和锡粉的混合物；
其中，非金属粉末由质量比7:4:1的硅化合物、铬化合物和钼化合物混合而得，硅化合物为质量比3:3:1的碳化硅、氮化硅和硼化硅的混合物，铬化合物为质量比1:1的碳化铬和氮化铬的混合物，钼化合物为质量比5:3:1的碳化钼、硼化钼和氧化钼铁铋的混合物；
其中，处理液为质量比35:3:1的乙酸乙酯、丙三醇和双-（γ-三乙氧基硅基丙基）四硫化物的复配液。
本发明还提出了一种高强度耐磨齿轮材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将非金属粉末加入到处理液中，搅拌混合均匀后，超声波处理15min，超声波功率为600W、超声波频率为50kHz，最后冷冻干燥得改性非金属粉末；
S2、将金属粉末与改性非金属粉末共同加入到球磨机中，控制球料比为6:1，加入直径为5mm的碳化钨研磨球，在氩气惰性气体气氛中，以300r/min的速度在球磨机中球磨混料2h，得混合料；
S3、将混合料在380MPa的压力下压制成型形成坯体，将坯体置于氮气保护气氛中，升温进行烧结处理，以8℃/s的速率升温至烧结温度，控制烧结温度为970℃，烧结时间为50min；
S4、烧结完成后以0.5℃/s的降温速率降温至740℃，保温50min后，继续以5℃/s的降温速率降温至340℃，保温3h后，最后冷却至室温，即得所需的高强度耐磨齿轮材料。
对比例三
本发明提出的一种高强度耐磨齿轮材料，包括以下重量份的原料：金属粉末80份、非金属粉末5份、处理液15份；
其中，金属粉末为质量比52:14:8:5:1:1的铁粉、铝粉、钛粉、铜粉、镍粉和锡粉的混合物；
其中，非金属粉末由质量比7:4:1的硅化合物、铬化合物和钼化合物混合而得，硅化合物为质量比3:3:1的碳化硅、氮化硅和硼化硅的混合物，铬化合物为质量比1:1的碳化铬和氮化铬的混合物，钼化合物为质量比5:3:1的碳化钼、硼化钼和氧化钼铁铋的混合物；
其中，处理液为质量比35:3:1的乙酸乙酯、丙三醇和双-（γ-三乙氧基硅基丙基）四硫化物的复配液。
本发明还提出了一种高强度耐磨齿轮材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将非金属粉末加入到处理液中，搅拌混合均匀后，超声波处理15min，超声波功率为600W、超声波频率为50kHz，最后冷冻干燥得改性非金属粉末；
S2、将金属粉末与改性非金属粉末共同加入到球磨机中，控制球料比为6:1，加入直径为5mm的碳化钨研磨球，在氩气惰性气体气氛中，以300r/min的速度在球磨机中球磨混料2h，得混合料；
S3、将混合料在380MPa的压力下压制成型形成坯体，将坯体置于氮气保护气氛中，升温进行烧结处理，以8℃/s的速率升温至550℃，保温25min后，继续以4℃/s的速率升温至烧结温度，控制烧结温度为970℃，烧结时间为50min；
S4、烧结完成后以0.5℃/s的降温速率降温至340℃，保温3h后，最后冷却至室温，即得所需的高强度耐磨齿轮材料。
分别测试实施例一-三以及对比例一-三制备的齿轮材料的性能，得出如下结果：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度耐磨齿轮材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：金属粉末80-90份、非金属粉末5-12份、处理液15-25份；
所述金属粉末为质量比52:14:8:5:1:1的铁粉、铝粉、钛粉、铜粉、镍粉和锡粉的混合物；
所述非金属粉末由质量比7:4:1的硅化合物、铬化合物和钼化合物混合而得；
所述处理液为质量比35:3:1的乙酸乙酯、丙三醇和双-（γ-三乙氧基硅基丙基）四硫化物的复配液。
2.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨齿轮材料，其特征在于，金属粉末82-88份、非金属粉末6-10份、处理液18-22份。
3.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨齿轮材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：金属粉末85份、非金属粉末8份、处理液20份。
4.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨齿轮材料，其特征在于，所述硅化合物为质量比3:3:1的碳化硅、氮化硅和硼化硅的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨齿轮材料，其特征在于，所述铬化合物为质量比1:1的碳化铬和氮化铬的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨齿轮材料，其特征在于，所述钼化合物为质量比5:3:1的碳化钼、硼化钼和氧化钼铁铋的混合物。
7.一种根据权利要求1-任一项所述的高强度耐磨齿轮材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将非金属粉末加入到处理液中，搅拌混合均匀后，超声波处理8-15min，最后冷冻干燥得改性非金属粉末；
S2、将金属粉末与改性非金属粉末共同加入到球磨机中，控制球料比为6-8:1，加入直径为5mm的碳化钨研磨球，在氩气惰性气体气氛中，以300-500r/min的速度在球磨机中球磨混料1-2h，得混合料；
S3、将混合料在380-450MPa的压力下压制成型形成坯体，将坯体置于氮气保护气氛中，升温进行烧结处理，控制烧结温度为970-1020℃，烧结时间为30-50min；
S4、烧结完成后降温至340-380℃，保温2-3h后，最后冷却至室温，即得所需的高强度耐磨齿轮材料。
8.根据权利要求7所述的一种高强度耐磨齿轮材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中超声波功率为600-700W、超声波频率为50-70kHz。
9.根据权利要求7所述的一种高强度耐磨齿轮材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中升温速率为：以8-15℃/s的速率升温至550-580℃，保温15-25min后，继续以4-7℃/s的速率升温至烧结温度。
10.根据权利要求7所述的一种高强度耐磨齿轮材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中降温速率为：以0.5-1.8℃/s的降温速率降温至740-770℃，保温40-50min后，继续以5-8℃/s的降温速率降温至340-380℃。
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