CN114657487B - 一种镍钛合金齿轮的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镍钛合金齿轮的制备方法，该方法包括：一、将镍钛合金棒材粗加工成齿轮坯料；二、将齿轮坯料表面涂覆NiCl2反应液后加热保温；三、将经加热保温后的齿轮坯料的轮齿采用高频局部感应加热，水冷硬化处理后得到硬化齿轮；四、加工得到镍钛合金齿轮。本发明在镍钛合金棒材加工的齿轮坯料进行表面氧化反应和高频局部感应加热，通过表面涂覆溶液加快氧化反应形成表面TiO2氧化层和次表面的富镍层，再经局部加热硬化处理，机加后得到外表面为高硬度的富镍层、内部为高塑性镍钛合金材料的双性能镍钛合金齿轮，具有重量轻、耐蚀耐磨、无磁性，且易加工、表面抗载荷冲击的特性，适用于航空航天、海洋舰船、石油化工等领域。

Description

一种镍钛合金齿轮的制备方法
技术领域
本发明属于齿轮制备技术领域，具体涉及一种镍钛合金齿轮的制备方法。
背景技术
齿轮作为调节转速、传递转矩和角运动的重要机械零部件广泛应用在航空航天、汽车和舰船上。齿轮在复杂且恶劣的工作环境下更易发生因轮齿折断、磨损导致的齿轮失效，故而现代工业中对于齿轮的性能要求正在不断提高。例如，某重大工程中传输具有很强腐蚀性的特种气体时，原使用的40Cr合金钢齿轮因腐蚀和摩擦产生铁磁性粉末，致使内磁转子与隔套产生摩擦，加快磁传动器的升温速率，大幅降低了磁传动器的使用寿命。为了满足上述工况，需要开发一种具有轻质高强、耐蚀耐磨、导电无磁等综合性能的新型齿轮。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种镍钛合金齿轮的制备方法。该方法在镍钛合金棒材加工的齿轮坯料进行表面氧化反应和高频局部感应加热，通过表面涂覆溶液加快氧化反应形成表面TiO2氧化层和次表面的富镍层，再进行局部加热硬化处理，机加后得到外表面为高硬度的富镍层、内部为高塑性镍钛合金材料的双性能镍钛合金齿轮，该双性能镍钛合金齿轮重量轻、耐蚀耐磨、无磁性，且易加工，表面抗载荷冲击，满足了复杂工况的使用需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将镍钛合金棒材粗加工成齿轮坯料；所述镍钛合金棒材中镍的质量含量为56％～57％；
步骤二、将步骤一中的齿轮坯料表面涂覆NiCl2反应液，然后放置于电炉中加热保温；
步骤三、将步骤二中经加热保温后的齿轮坯料的轮齿采用高频局部感应加热，然后进行水冷硬化处理，得到硬化齿轮；
步骤四、将步骤三中得到的硬化齿轮加工至设计尺寸，得到镍钛合金齿轮。
本发明的研究过程中发现，传统的镍钛合金(镍质量含量为54.5％～57％)主要由NiTi母相组成，冷热加工难度低，易于制备齿轮，但齿轮硬度不高，难以承受剧烈的载荷冲击。对此，本发明将镍钛合金棒材粗加工成齿轮坯料后，在其表面涂覆NiCl2反应液并加热保温，由于NiCl2反应液使得齿轮坯料的表面在加热保温过程中形成水蒸气，与镍钛合金在高温下反应形成厚度达几百微米的表面氧化层；同时NiCl2反应液中的镍离子抑制了镍钛合金表面的镍发生氧化反应，从而镍元素含量积累增加，具体的加热保温过程中的反应机理如图1所示：齿轮坯料表面的Ti氧化生成TiO2，而Ni的氧化被抑制，次表面Ni含量增加，形成富镍层，主要成分为TiNi3相。因此，加热保温后在齿轮坯料表面形成主要成分为TiO2的外表面氧化层、以及次表面的富镍层；本发明继续对加热保温后的齿轮坯料的轮齿采用高频局部感应加热和水冷硬化处理，次表面富镍层中的TiNi3相在淬火后转变为高硬度的Ni4Ti3相，齿轮部分得到硬化，再加工去掉表面氧化层并至设计尺寸，得到外表面为高硬度的富镍层、内部为高塑性镍钛合金材料的双性能镍钛合金齿轮，该双性能镍钛合金齿轮重量轻、耐蚀耐磨、无磁性，且易加工，表面抗载荷冲击，满足了复杂工况的使用需求。另外，本发明采用的镍钛合金棒材中镍的质量含量较高，有利于后续氧化过程中形成次表面的富镍层，进而提高镍钛合金齿轮的表面硬度。如图2所示，随着镍的质量含量(大于55％)的增加，镍钛合金齿轮的表面硬度也随着增加，当镍的质量含量大于58％时，镍钛合金齿轮的表面硬度从洛氏硬度HRC39左右逐渐增加到HRC62。
上述的一种镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤一中所述粗加工的加工余量为0.2mm～0.4mm。
上述的一种镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤二中所述NiCl2反应液的质量浓度为5％。
上述的一种镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤二中所述加热保温的温度为600℃～650℃，保温时间为10h～20h。
上述的一种镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤三中所述高频局部感应加热的温度为950℃～980℃，保温时间为5s～10s。本发明利用高频局部感应加热的加热速度快特性，实现了对齿轮坯料的轮齿中富镍层的有效加热，通过控制加热的温度保证了富镍层中发生相变，有利于硬化，并结合控制保温时间，避免了对除了轮齿外部位的影响，同时避免晶粒长大导致镍钛合金齿轮性能降低。本发明在高频局部感应加热后进行水冷的快速硬化处理，保证了硬质相的形成，进一步改善了硬化效果。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过在镍钛合金棒材加工的齿轮坯料进行表面氧化反应和高频局部感应加热，得到外表面为高硬度的富镍层、内部为高塑性镍钛合金材料的双性能镍钛合金齿轮，该双性能镍钛合金齿轮重量轻、耐蚀耐磨、无磁性，且易加工，表面抗载荷冲击，满足了复杂工况的使用需求。
2、本发明制备的镍钛合金齿轮表面富镍层硬度高，其余部分保持了较高的塑性，该结构既保证了镍钛合金齿轮的齿面具有足够的硬度和耐磨性，又使得齿心具有足够的韧性，有效防止了镍钛合金齿轮的各种失效。
3、本发明采用的镍钛合金棒材为常规镍钛合金材料，容易获得且易于加工，扩大了本发明应用范围。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的齿轮坯料表面涂覆NiCl2反应液后加热保温的反应机理图。
图2为本发明的镍钛合金齿轮中镍的质量含量与表面硬度的关系图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将镍钛合金棒材粗加工成齿轮坯料；所述镍钛合金棒材中镍的质量含量为56％，粗加工的加工余量为0.4mm；
步骤二、将步骤一中的齿轮坯料表面涂覆质量浓度为5％的NiCl2反应液，然后放置于电炉中在600℃加热保温20h；
步骤三、将步骤二中经加热保温后的齿轮坯料的轮齿采用高频局部感应加热至980℃保温5s，然后进行水冷硬化处理，得到硬化齿轮；
步骤四、将步骤三中得到的硬化齿轮加工至设计尺寸，得到镍钛合金齿轮。
经检测，本实施例制备的镍钛合金齿轮的表面硬度高，而且耐磨耐蚀，无磁性，能够满足航空航天、海洋舰船、石油化工等领域的使用要求。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将镍钛合金棒材粗加工成齿轮坯料；所述镍钛合金棒材中镍的质量含量为56.5％，粗加工的加工余量为0.3mm；
步骤二、将步骤一中的齿轮坯料表面涂覆质量浓度为5％的NiCl2反应液，然后放置于电炉中在630℃加热保温15h；
步骤三、将步骤二中经加热保温后的齿轮坯料的轮齿采用高频局部感应加热至960℃保温7s，然后进行水冷硬化处理，得到硬化齿轮；
步骤四、将步骤三中得到的硬化齿轮加工至设计尺寸，得到镍钛合金齿轮。
经检测，本实施例制备的镍钛合金齿轮的表面硬度高，而且耐磨耐蚀，无磁性，能够满足航空航天、海洋舰船、石油化工等领域的使用要求。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将镍钛合金棒材粗加工成齿轮坯料；所述镍钛合金棒材中镍的质量含量为57％，粗加工的加工余量为0.2mm；
步骤二、将步骤一中的齿轮坯料表面涂覆质量浓度为5％的NiCl2反应液，然后放置于电炉中在650℃加热保温10h；
步骤三、将步骤二中经加热保温后的齿轮坯料的轮齿采用高频局部感应加热至950℃保温10s，然后进行水冷硬化处理，得到硬化齿轮；
步骤四、将步骤三中得到的硬化齿轮加工至设计尺寸，得到镍钛合金齿轮。
经检测，本实施例制备的镍钛合金齿轮的表面硬度高，而且耐磨耐蚀，无磁性，能够满足航空航天、海洋舰船、石油化工等领域的使用要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将镍钛合金棒材粗加工成齿轮坯料；所述镍钛合金棒材中镍的质量含量为56%~57%；
步骤二、将步骤一中的齿轮坯料表面涂覆NiCl2反应液，然后放置于电炉中加热保温；所述加热保温的温度为600℃~650℃，保温时间为10h~20h；
步骤三、将步骤二中经加热保温后的齿轮坯料的轮齿采用高频局部感应加热，然后进行水冷硬化处理，得到硬化齿轮；所述高频局部感应加热的温度为950℃~980℃，保温时间为5s~10s；
步骤四、将步骤三中得到的硬化齿轮加工至设计尺寸，得到镍钛合金齿轮。
2.根据权利要求1所述的一种镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤一中所述粗加工的加工余量为0.2mm~0.4mm。
3.根据权利要求1所述的一种镍钛合金齿轮的制备方法，其特征在于，步骤二中所述NiCl2反应液的质量浓度为5%。
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