一种复合梯度耐磨合金层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合梯度耐磨合金层及其制备方法，所述Mo/WC复合结构的梯度陶瓷耐磨合金层包括三个区域，分别为无孔洞杂质、呈致密堆砌结构的Mo‑W沉积层，成分、结构均由表及里呈梯度分布的Mo/WC陶瓷层及颗粒均匀、组织致密的离子注入C强化层。所述制备方法包括：第一步，离子注入C；第二步，通过双层辉光等离子合金化技术制备W‑Mo合金层。本发明专利技术相较于其他提高粉末冶金齿轮耐磨性能的方法，克服了单一技术存在的问题，实现了技术优势最大化，有利于显著提高粉末冶金齿轮的耐磨性能，有利于延长齿轮的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种复合梯度耐磨合金层及其制备方法
本专利技术属于耐磨合金层及其制备方法，具体为一种复合梯度耐磨合金层及其制备方法。
技术介绍
对于齿轮而言，粉末冶金可以减少铸造成分偏析和热处理加工工艺时间长、能耗大的问题，使齿轮具有更优异的整体性能和经济性能，可以有效减低齿轮的制造成本。但齿轮在传动时受力情况比较复杂，运动形式也是多种多样，因此齿轮损伤的形式也具有多样化。总体来看，齿轮损伤主要有断齿、破坏性胶合和破坏性点蚀这三种形式。为了延长齿轮使用寿命，使齿轮能够承受多种形式的损伤，这就需要提高粉末冶金齿轮表面的耐磨性能。根据目前研究，提高粉末冶金齿轮耐磨性能的方式主要有两种，一是整体合金化。传统加工工艺通常采用这种方式，但整体合金化工艺成本高，污染较大；二是通过先进的表面改性技术，在铁基齿轮表面形成改性层，改善齿轮的耐磨性能。磨损通常是从材料表面开始，因此通过表面改性来提高齿轮的耐磨性能是一种较为常用的方法。这些表面改性技术主要包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、热喷涂、离子注入、真空离子镀等。使用热喷涂工艺制备的涂层与齿轮呈机械结合，结合强度低，在使用过程中容易出现孔隙、微裂纹、涂层剥落等问题，降低了涂层与齿轮的结合强度；离子注入工艺可将提高耐磨性能的元素的离子在真空系统中注入齿轮中，从而形成耐磨性能得到提高的注入层。但离子注入层厚度不高，且只能进行直线注入，不能全面提高齿轮的耐磨性能；双辉等离子合金化技术制备的表面合金层包括沉积层与扩散层，成分、性能随深度梯度分布，与基体结合牢固，且合金层组织致密，无空隙、裂纹等缺陷，工作效率高。双层辉光等离子表面冶金技术(以下简称“双辉技术”)，是我国学者在离子氮化的基础上独立专利技术的一种新的金属表面合金化技术。工作原理为在一个真空容器中，炉体作为阳极接地，分别设置两个阴极，一个放置工件，一个放置提供合金元素的源极，通入一定气压的氩气。炉内设置两套独立的电源，加载电压后阳极与源极以及阳极与工件极间分别产生辉光，即“双层辉光”。源极上的辉光放电所产生的氩离子轰击靶材，溅射出靶材极元素；而工件极的溅射则会加热工件。将源极电压设定为低于工件电位，同时使源极功率密度高于工件功率密度。这样，源极溅射量将远大于阴极的反溅射量。在高温下，靶材中的合金元素经沉积和扩散在工件表面形成合金层。合金层是通过合金元素向基体材料内部扩散并和基体元素相互作用而形成的。为了满足齿轮高耐磨性能要求，需要使用两种或多种改性方式联合使用。但单一技术存在局限性，其优势难以实现最大化。如离子注入的注入深度不足，注入层薄，对齿轮的耐磨性能提升有限，导致注入层在工况条件下寿命较短；双辉等离子合金化技术可以在齿轮表面制备一定厚度的合金层，其虽可以实现与基体的冶金结合，但单纯的双辉等离子合金化温度较高，可能会造成齿轮变形，对其组织结构产生影响，使齿轮的整体性能下降。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术目的是提供一种保证齿轮整体性能的粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层的制备方法，本专利技术的另一目的是提供一种使用寿命长的齿轮表面复合梯度耐磨合金层。技术方案：本专利技术所述的一种粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层，自上而下依次包括Mo-W沉积层、Mo/WC梯度陶瓷层和C强化层。Mo-W沉积层的厚度为15～20μm，Mo/WC梯度陶瓷层、C强化层的总厚度为3～6μm。Mo/WC梯度层的Mo、W含量由表及里梯度下降，C含量由表及里梯度上升。所述的一种粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层的制备方法，包含以下步骤：(a)在粉末冶金齿轮表面离子注入C强化层；(b)在C强化层表面用双辉等离子合金化法制备W-Mo合金层。其中，离子注入包含以下步骤：(a)对粉末冶金齿轮进行超声处理，将齿轮浸在酒精或丙酮中，进行1～2次超声清洗，每次处理20～30min，除去表面的杂质，然后进行干燥；(b)将粉末冶金齿轮放入离子注入设备腔室中，通入氩气，对经酒精或丙酮清洗后的粉末冶金齿轮进行预溅射清洗20～30min，预溅射电压为500～700V、注入电流为5～8mA、氩等离子体密度为1×109～3×109cm-3；(c)在真空度小于1.5×10-2Pa条件下进行C离子注入处理，注入时间为3～5小时，引出电压为35～40KV，束流密度为0.2～0.4μA/cm2，注入剂量为1.5×1017～6×1017ions/cm2，注入能量为40～60KeV；(d)炉冷后取出齿轮，并在室温下进行保存。其中，双辉等离子合金化法包含以下步骤：(a)将由粉末冶金法制备的W-Mo靶材用砂纸逐级打磨后，浸入酒精或丙酮中进行超声清洗20～30min，风干后置于装置炉内；(b)调节极间距，即W-Mo靶材下表面与齿轮上表面的距离至16～20mm，关闭炉罩、放气阀、通气阀；(c)打开机械泵，然后打开抽气阀门，抽真空至10-3Pa以下，关闭抽气阀；(d)开启氩气瓶，打开氩气阀门，然后打开流量计通入氩气，进行洗气处理，当装置气压达到145～160Pa时，打开真空阀并且关闭氩气流量阀门，使气压降至35～40Pa，重复以上洗气步骤3～5次；(e)将气压调至工作气压30～40Pa；(f)开启40～50℃循环水；(g)打开工件极电源，利用空心阴极效应起辉，辉光稳定后，逐步将源极电压调为500～600V，工件极电压调为200～300V，对齿轮进行低温轰击0.5h以上；(h)逐步调节工件极电压与源极电压，直至源极电压为900～950V，工件极电压为450～550V。(i)保温2.5～3.5小时；(i)逐渐缓慢降低源极和工件极电压为0，为避免应力集中，时间在0.5h以上；(k)关闭氩气阀门、真空阀、机械泵、电源开关、循环水开关；(1)冷却2小时以上后取出齿轮。W-Mo靶材中W的质量分数为60～70wt％，Mo的质量分数为30～40wt％。有益效果：本专利技术和现有技术相比，具有如下显著性特点：1、离子注入C后，在齿轮表面形成注入层，细化了表面晶粒，有利于陶瓷层的制备；2、Mo-W沉积层为离子轰击溅射沉积层，组织致密，无孔洞和裂纹，极大地提高了粉末冶金齿轮的耐磨性能，离子注入的C与溅射的W、Mo扩散后发生反应，形成陶瓷层，其成分呈梯度分布，且通过冶金结合实现与齿轮的结合，结合强度高，不易脱落；3、复合结构的耐磨合金层极大提升了粉末冶金齿轮的耐磨性能和服役寿命，Mo-W沉积层在摩擦中发挥了软质薄膜的润滑作用，Mo/WC陶瓷层硬度较高，进一步提升了复合结构合金层的耐磨性能，离子注入C强化层使得陶瓷层与基体间实现无界面过渡连接，同时，其硬度高于基体，有利于提升基体的耐磨性能；4、本专利技术将离子注入与双辉等离子合金化技术结合，在粉末冶金齿轮表面制备一种具有Mo/WC复合结构的梯度陶瓷耐磨合金层，克服了单一技术存在的问题，实现了优势最大化，有利于显著提高粉末冶金齿轮的耐磨性能，有利于延长齿轮的使用寿命。附图说明图1是本专利技术的Mo/WC复合结构的梯度耐磨合金层结构示意图。图2是本专利技术的复合结构梯度耐磨合金层的SEM图。具体实施方式以下所使用的氩气的纯度均为99.99％，C的纯度均为99.99％，W的纯度均为99.99％，Mo的纯度均为99.99％。以下实施例中所用的离子注入设备为北京泰科诺有限公司生产的LZX-7本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层，其特征在于：自上而下依次包括Mo‑W沉积层、Mo/WC梯度陶瓷层和C强化层。

【技术特征摘要】
1.一种粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层，其特征在于：自上而下依次包括Mo-W沉积层、Mo/WC梯度陶瓷层和C强化层。2.根据权利要求1所述的粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层，其特征在于：所述Mo-W沉积层的厚度为15～20μm，Mo/WC梯度陶瓷层、C强化层的总厚度为3～6μm。3.根据权利要求1所述的粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层，其特征在于：所述Mo/WC梯度层的Mo、W含量由表及里梯度下降，C含量由表及里梯度上升。4.一种粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层的制备方法，其特征在于包含以下步骤：(1)在粉末冶金齿轮表面离子注入C强化层；(2)在C强化层表面用双辉等离子合金化法制备W-Mo合金层。5.根据权利要求4所述的一种粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层的制备方法，其特征在于所述离子注入包含以下步骤：(1)对粉末冶金齿轮进行超声处理，将齿轮浸在酒精或丙酮中，进行1～2次超声清洗，每次处理20～30min，然后进行干燥；(2)将粉末冶金齿轮放入离子注入设备腔室中，通入氩气，对经酒精或丙酮清洗后的粉末冶金齿轮进行预溅射清洗20～30min；(3)在真空度小于1.5×10-2Pa条件下进行C离子注入处理，注入时间为3～5小时；(4)炉冷后取出齿轮，并在室温下进行保存。6.根据权利要求5所述的一种粉末冶金齿轮表面复合梯度耐磨合金层的制备方法，其特征在于步骤(2)中的预溅射参数如下：电压为500～700V、注入电流为5～8mA、氩等离子体密度为1×109～3×109cm-3。7.根据权利要求5所述的一种齿轮表面复合梯度耐磨合金层的制备方法，其特征在于步骤(3)中的C离子注入处理的工艺参数如下：引出电...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏东博，张平则，梁宏璇，刘子利，李淑琴，姚正军，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32