一种工程机械终传动齿轮的制备方法技术

本发明专利技术属于工程机械终传动齿轮制造技术领域，具体涉及一种工程机械终传动齿轮的制备方法，通过物理气相沉积技术进行表面渗碳及涂层处理，将碳化物涂层、PVD方法与渗碳技术相结合，在碳化物涂层与工件基体间通过离子溅射的方法制备一个渗碳扩散层，即对工件表面先通过离子溅射的方法进行表面渗碳处理，然后再采用离子镀和磁控溅射复合方法沉积成分梯度变化的NbHfMoC碳化物涂层，能提高提高基体材料的硬度，增强基体沉积涂层与基体的附着性能，减缓沉积涂层与基体材料的物理性能差异，从而改善工程机械终传动齿轮齿轮零件抗磨性能，有效提高齿轮表面处理效率，延长工程机械终传动齿轮的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种工程机械终传动齿轮的制备方法
本专利技术属于工程机械终传动齿轮制造
，具体涉及一种工程机械终传动齿轮的制备方法。
技术介绍
工程机械作为大型施工现场的主要设备，作业工况极其恶劣，工作载荷变化剧烈，导致工程机械传统系统的使用寿命大大降低，因此对传动系统的设计和使用要求非常高。终传动是工程机械动力传递系统的最后一级，它的作用是将由发动机、变矩器、变速箱传递过来的动力进行减速再传递给行走系统，从而驱动工程机械行驶。由于速度的降低，导致终传动系统的减速齿轮受到极大的载荷和反复循环振动和冲击，导致终传动的齿轮齿面过早的出现磨损、点蚀、胶合甚至断齿等现象，对生产和驾驶员人身安全造成极大的安全隐患。为提高工程机械传动系统齿轮承载能力，通常采用降低齿轮单位面积应力和提高轮齿单位面积强度的途径提高齿轮的承载能力和可靠性。但是，通过增大齿轮尺寸来降低齿轮表面应力会增加齿轮的体积和重量；而采用传统的表面热处理方法提高齿面硬度的同时会伴随较大的变形，甚至会因为传统热处理后的硬度不足而导致齿轮在高速、重载条件下出现齿面过早失效。因此，延长终传动齿轮的使用寿命具有重要的意义。碳化物涂层具备高硬度，高强度，化学性质稳定，耐热，耐磨损等优良特性，尤其是多元碳化物具有更加优异的综合使用性能，因此有望通过在零件表面制备碳化物涂层或通过金属表层的碳化处理来提高零件的耐磨性。目前制备碳化物涂层的技术主要有喷涂、渗碳以及气相沉积等方法。其中，喷涂是指借助压力或离心力，将涂层材料喷射到工件的表面，该方法制备涂层虽然具有较高的喷涂效率，但是涂层与工件基体的结合力很差，而且涂层的表面非常粗糙，不适合高载高速的恶劣工况条件；渗碳是指使碳原子渗入到钢类工件表层的过程，从而使工件表面获得很高的表面硬度，提高其耐磨性能。但是由于渗碳温度达到800℃以上，渗碳后工件仍要进行淬火和回火，使得工件表面发生较大变形，无法保证零件的尺寸和形状精度，处理完的零件仍需修磨和再加工，而且渗碳及后续热处理时间通常达到30小时以上，效率低下；气相沉积法，尤其是物理气相沉积(PVD)，制备的涂层表面具有极高的硬度、强度，以及良好的热稳定性和耐磨性，而且该制备工艺温度可控制在400℃以下，不会导致零件基体组织变化，表面尺寸和形状精度也不受影响。因此，物理气相沉积技术(PVD)在表面处理领域极具潜力。但是，直接在齿轮零件表面制备PVD碳化物涂层，会由于基体硬度、弹性模量、热膨胀系数等性能与涂层材料相差较大，无法获得较高结合力的PVD涂层，使得PVD涂层过早脱落和失效。中国专利CN101058870A模具表面采用单一的PVD涂层，涂层与基体的结合力差以及PVD涂层同基体的力学匹配差是限制PVD涂层高硬度及低摩擦系数等优势发挥的重要因素。中国专利CN103727180A直接在碳钢表面制备了耐磨陶瓷涂层和金刚石涂层，由于基体较软的硬度无法支撑涂层以及基体与涂层之间明显的性能差异导致制备的涂层使用性能无法满足诸多实际使用要求，尤其是高速、重载、交变载荷工况条件下涂层很快脱落和磨损。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种工程机械终传动齿轮的制备方法，能提高终传动齿轮材料的表面硬度，增强基体沉积涂层与基体的附着性能，减缓沉积涂层与基体材料的物理性能差异，从而改善齿轮零件耐抗磨等综合性能，有效提高表面处理效率和延长终传动齿轮零件的使用寿命。本专利技术所述的工程机械终传动齿轮的制备方法，齿轮零件基体经过淬火、高温回火、粗精加工后采用离子镀方法进行渗碳处理，然后再通过离子镀和磁控溅射复合方法沉积表面的NbHfMoC梯度涂层，沉积时采用2个C离子镀靶，1个Nb磁控溅射靶，1个Hf磁控溅射靶和1个Mo磁控溅射靶；具体包括以下步骤：(1)齿轮零件加工：齿轮零件基体毛坯→淬火→高温回火→粗加工→半精加工→去应力回火→精加工，通过淬火及高温回火处理能够保证芯部足够的韧性和抗冲击变形能力；(2)齿轮零件表面预处理：采用金属清洗剂去除工件表面油污，漂洗烘干；(3)齿轮零件表面处理：将零件依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各25min，去除表面杂质和其它附着物，干燥充分后迅速放入PVD复合镀膜机，抽真空至5.5×10-3Pa，加热至300℃，保温35min；(4)表面辉光清洗：通Ar气，其压力为1.8-2.4Pa，温度290℃，打开偏压电源电压750V，占空比0.2，表面辉光放电清洗25min；(5)表面离子清洗：偏压调至630V，占空比0.3，Ar气压1.7Pa，温度280℃，开启离子源，离子清洗15min，开启电弧C靶电源，C靶电流120A，离子轰击3～4min；(6)离子镀渗碳：C靶离子镀电源调为105A，Ar气压1.2～1.3Pa，基体偏压调至340V，温度260℃，进行离子渗碳25-30min；(7)沉积NbHfMoC梯度涂层：Ar气压调为0.9～1.0Pa，偏压降为180V，沉积温度200℃，C靶电流调至40A，打开磁控溅射Nb靶电流75A，磁控溅射Hf靶电流60A，磁控溅射Mo靶电流60A，沉积NbHfMoC复合层1～1.5min；其它参数不变，增加C靶电流，C靶电流每次增加2A，沉积NbHfMoC复合层1～1.5min，直至C靶电流增至90A，再沉积NbHfMoC复合层1～1.5min；(8)后处理：关闭各靶电源、离子源及气体源，涂层结束。工程机械终传动齿轮零件基体材料为20CrMnTi,20CrMnMo,20CrNi2MoNb，22CrNi2MoNb，22CrNi2MoNbH，S48C-V等中低碳钢及其合金钢中的一种。所制得的工程机械终传动齿轮零件具有以下结构：在零件基体表面向外依次具有表面渗碳扩散层、NbHfMoC碳化物梯度涂层。本专利技术通过物理气相沉积技术进行表面渗碳及涂层处理，将碳化物涂层、PVD方法与渗碳技术相结合，在碳化物涂层与工件基体间通过离子溅射的方法制备一个渗碳扩散层，即对工件表面先通过离子溅射的方法进行表面渗碳处理，然后再采用离子镀和磁控溅射复合方法沉积成分梯度变化的NbHfMoC碳化物涂层。本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果。本专利技术通过表面离子渗碳处理，使碳原子渗入到零件基体内部，并随着深度的增加，碳原子的浓度逐渐减小，有利于形成高硬度和强度的碳化物梯度扩散层，从而为后续NbHfMoC碳化物涂层的制备提供强有力的支撑基体以及良好的结合性能；而通过离子镀和磁控溅射复合方法制备的成分渐变的NbHfMoC碳化物梯度涂层，可以减缓涂层与基体材料之间的性能差异，改善结构和性能上的匹配性能，增大涂层与基体的结合力和涂层的耐冲击性能。同时，该NbHfMoC碳化物梯度涂层中，C元素可降低涂层表面的摩擦系数，降低工程机械终传动齿轮工作过程中的噪音和摩擦磨损，加入Nb元素提高了涂层的硬度、强度和抗压、耐磨、耐蚀性能，Hf元素提高了涂层的抗磨损性，Mo元素提高了涂层的硬度和强度，降低了涂层的摩擦系数。成分渐变的NbHfMoC梯度碳化物涂层能够阻止涂层裂纹的扩展，可改善终传动齿轮的物理机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工程机械终传动齿轮的制备方法，其特征在于：终传动齿轮零件基体经过淬火、高温回火、粗精加工后采用离子镀方法进行渗碳处理，然后再通过离子镀和磁控溅射复合方法沉积表面的NbHfMoC梯度涂层，沉积时采用2个C离子镀靶，1个Nb磁控溅射靶，1个Hf磁控溅射靶和1个Mo磁控溅射靶；/n具体包括以下步骤：/n(1)齿轮零件加工：齿轮零件基体毛坯→淬火→高温回火→粗加工→半精加工→去应力回火→精加工；/n(2)齿轮零件表面预处理：采用金属清洗剂去除工件表面油污，漂洗烘干；/n(3)齿轮零件表面处理：将零件依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各25min，去除表面杂质和其它附着物，干燥充分后迅速放入PVD复合镀膜机，抽真空至5.5×10

【技术特征摘要】
1.一种工程机械终传动齿轮的制备方法，其特征在于：终传动齿轮零件基体经过淬火、高温回火、粗精加工后采用离子镀方法进行渗碳处理，然后再通过离子镀和磁控溅射复合方法沉积表面的NbHfMoC梯度涂层，沉积时采用2个C离子镀靶，1个Nb磁控溅射靶，1个Hf磁控溅射靶和1个Mo磁控溅射靶；
具体包括以下步骤：
(1)齿轮零件加工：齿轮零件基体毛坯→淬火→高温回火→粗加工→半精加工→去应力回火→精加工；
(2)齿轮零件表面预处理：采用金属清洗剂去除工件表面油污，漂洗烘干；
(3)齿轮零件表面处理：将零件依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各25min，去除表面杂质和其它附着物，干燥充分后迅速放入PVD复合镀膜机，抽真空至5.5×10-3Pa，加热至300℃，保温35min；
(4)表面辉光清洗：通Ar气，其压力为1.8-2.4Pa，温度290℃，打开偏压电源电压750V，占空比0.2，表面辉光放电清洗25min；
(5)表面离子清洗：偏压调至630V，占空比0.3，Ar气压1.7Pa，温度280℃，开启离子源，离子清洗15min，开启电弧C靶电源，C靶电流120A，离子轰击3～4min；
(6)离子镀渗碳：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王首军，宋文龙，夏自祥，张清阁，
申请(专利权)人：济宁学院，
类型：发明
国别省市：山东;37