一種高速齒輪類石墨碳膜超潤滑表面強化方法
【專利摘要】一種高速齒輪類石墨碳膜超潤滑表面強化方法，首先在齒輪表面依次進行噴丸、微噴和流體拋光前處理，使其表面光潔度小于0.2μm；然后采用非平衡磁控濺射復合靶技術，將Y、Ta等元素引入類石墨碳膜制備技術，在齒輪表面制備一種超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜，即濺射清洗基體金屬1的表面，在流體拋光表面層2上依次制備Cr過渡層3、Cr/C梯度層4及具有超低摩擦系數(shù)的類石墨復合工作層5，本發(fā)明解決了高速齒輪固體潤滑膜壽命低的問題，有效降低了高速齒輪的振動噪音，采用本技術的傳動齒輪振動噪音降低10～15%，為降低齒輪振動噪音提供了一種新的技術途徑。
【專利說明】一種高速齒輪類石墨碳膜超潤滑表面強化方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜材料及現(xiàn)代表面工程技術的物理氣相沉積【技術領域】，涉及一種非平衡磁控濺射超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜制備方法，特別涉及基于降低傳動噪音的一種高速齒輪類石墨碳膜超潤滑表面強化方法。
【背景技術】
[0002]齒輪傳動不斷向高速、輕質(zhì)、重載領域發(fā)展，如何降低齒輪傳動的振動噪音是現(xiàn)代工業(yè)技術的重要研究領域。齒輪表面固體潤滑是降低齒輪傳動噪音的重要手段，由于一般固體潤滑膜壽命難以滿足高速齒輪傳動壽命需求，其應用研究受到嚴重制約。
[0003]為了提高齒輪鍍膜壽命，EMurakawa等用非晶WC/C梯度碳膜有效提高了失油潤滑條件下的齒輪壽命，同時，齒輪表面鍍膜前進行了微噴處理以提高膜-基結合強度，A.RIVA等用彌散了納米金屬碳化物的非晶含氫碳膜(ES200和ES300)有效提高了 TM前處理后齒輪的抗咬合性能。以sp2雜化為主的類石墨碳膜是一種優(yōu)異的耐磨、減摩納米復合膜，基體表面流體拋光的類石墨碳膜具有更加優(yōu)異的綜合性能，在齒輪固體潤滑領域有良好的應用前景。但是，目前報道的類石墨碳膜最低平均摩擦系數(shù)普遍在0.065以上，也未見齒輪鏡面流體拋光+固體自潤滑薄膜表面強化以及將固體潤滑膜層技術用于降低齒輪傳動噪音的相關報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高速齒輪類石墨碳膜超潤滑表面強化方法，鍍膜前對齒 輪表面依次進行噴丸、微噴和流體拋光前處理；然后采用非平衡磁控濺射復合靶技術，制備一種超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜，沉積于微噴和流體拋光的齒輪表面，解決了高速、齒輪固體潤滑膜壽命低的問題，有效降低了高速、齒輪的振動噪
曰?
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為:
[0006]一種高速齒輪類石墨碳膜超潤滑表面強化方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一:采用常規(guī)噴丸和強化噴丸對齒輪表面進行噴丸處理，改善齒輪表面應力狀態(tài)，去除齒輪毛刺、氧化物和表面加工刀痕，采用粒度在10~60 μ m范圍內(nèi)的陶瓷顆粒對齒輪進行表面噴砂處理，去除氧化物，改善齒輪表面粗糙度后，再采用流體拋光技術，使齒輪表面光潔度小于0.2 μ m，齒輪表面流體拋光量控制在5 μ m以內(nèi)，再采用超聲波除蠟、除油清洗各10~15min對齒輪表面進行處理，然后采用丙酮試劑漂洗干凈后風干或烘干；
[0008]步驟二、將清洗干凈的齒輪均勻固定在兩軸工裝上，齒輪軸向與工裝軸向保持一致，齒輪沿工裝外圓均勻分布，使各齒輪與濺射靶的徑向靶-基距保持一致，啟動抽真空設備，當鍍膜室真空度達到E-3~E-4Pa時，濺射清洗基體金屬I的表面，在流體拋光表面層2上依次制備Cr過渡層3、Cr/C梯度層4及多元復合工作層5，工作氣體為氬氣，真空度控制在E-3~E-4Pa，偏壓:500~700V，工裝旋轉速度:4~4r/min，其中的Cr過渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.3~3%，余量:Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;多元復合工作層5按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.03~0.3%, Cr:5~15%，Ta:50~70%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。
[0009]步驟二中所述的Cr過渡層3的制備:逐漸調(diào)高Cr濺射靶的濺射電流為5.0~
7.0A,調(diào)節(jié)時間為15~20分鐘，過渡層厚度為0.3~0.5 μ m。[0010]步驟二中所述的Cr/C梯度層4的制備:逐漸提高C靶的濺射電流為8.0~10.0A、降低一個Cr靶濺射靶的濺射電流為0A，同時逐步調(diào)節(jié)另一個Cr靶濺射電流至0.2~0.5A，調(diào)節(jié)時間為15~20分鐘，梯度層厚度為0.3~0.5 μ m。
[0011]步驟二中所述的石墨復合工作層5的制備:C靶的濺射電流為8.0~10.0A, Cr靶濺射電流為0.2~0.5A，偏壓:50~70V，保持時間:180~360分鐘，復合工作層厚度為
2.0~4.0 μ m，齒輪表面碳膜總厚度控制在2~5 μ m。
[0012]本發(fā)明的有益效果是涉及一種非平衡磁控濺射超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜制備及其高速齒輪表面強化技術，將稀土及鉭等第三元素引入類石墨碳膜的磁控濺射制備技術，制備了一種超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜，提高了類石墨碳膜摩擦磨損性能和膜-基結合強度。同時，在齒輪鍍膜前對其進行了噴丸、流體拋光前處理以進一步提高齒輪固體潤滑膜的結合強度和可靠性。通過這種方法在流體拋光齒輪上制備了一種綜合性能優(yōu)良的超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜，類石墨碳膜在載荷20N、線速度0.2m/s的平均摩擦系數(shù)達到0.02，最低摩擦系數(shù)0.003，膜-基結合強度提高20%以上，可以有效的提高齒輪的傳動效率和抗膠合能力，采用本技術的傳動齒輪振動噪音降低10~15%，為降低齒輪振動噪音提供了一種新的技術途徑。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明齒輪固體潤滑膜結構示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明非平衡磁控濺射靶分布及齒輪工裝示意圖。
[0015]圖3本發(fā)明類石墨碳膜磨損率效果對比圖。
[0016]圖4為本發(fā)明類石墨碳膜的摩擦系數(shù)效果對比圖。
[0017]圖5為本發(fā)明類石墨碳膜的膜-基結合強度效果對比圖。
[0018]圖6為本發(fā)明類石墨碳膜的電化學腐蝕性能效果對比圖。
[0019]圖7為本發(fā)明某鍍膜齒輪水泵I徑向減振降噪效果對比圖。
[0020]圖8為本發(fā)明某鍍膜齒輪水泵I軸向減振降噪效果對比圖。
[0021]圖9為本發(fā)明某鍍膜齒輪水泵2徑向減振降噪效果對比圖。
[0022]圖10為本發(fā)明某鍍膜齒輪水泵2軸向減振降噪效果對比圖。
[0023]圖11為本發(fā)明某鍍膜齒輪水泵2試驗后的齒輪磨損形貌。
[0024]圖中，1.齒輪基體金屬,2.齒廓表面流體拋光層,3.金屬過渡層,4.金屬/碳梯度層，5.類石墨復合工作層，6.齒輪，7.齒輪鍍膜專用工裝。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0026]一種高速齒輪類石墨碳膜超潤滑表面強化方法，包括以下步驟:[0027]步驟一:采用常規(guī)噴丸和強化噴丸對齒輪表面進行噴丸處理，改善齒輪表面應力狀態(tài)，去除齒輪毛刺、氧化物和表面加工刀痕，采用粒度在10~60 μ m范圍內(nèi)的陶瓷顆粒對齒輪進行表面噴砂處理，去除氧化物，改善齒輪表面粗糙度后，再采用流體拋光技術，要使齒輪表面光潔度小于0.2 μ m，齒輪表面流體拋光量控制在5 μ m以內(nèi)，再采用超聲波除蠟、除油清洗各10~15min對齒輪表面進行處理，然后采用丙酮試劑漂洗干凈后風干或烘干；
[0028]具體為:步驟1:在非平衡磁控濺射鍍膜設備的濺射靶上沿磁控管加工一定數(shù)量和規(guī)格通孔，并制備一定數(shù)量相應規(guī)格的Y、Ta、C、Cr高純鑲塊；
[0029]步驟2:在步驟I得到的碳靶上鑲嵌一定數(shù)量的Y、Ta鑲塊，在步驟I得到的鉻靶上鑲嵌一定數(shù)量的Y鑲塊，其余的孔鑲嵌與靶材相同材質(zhì)的C或Cr鑲塊；
[0030]步驟3:齒輪噴丸前處理，采用常規(guī)噴丸和強化噴丸對齒輪表面進行噴丸處理，改善齒輪表面應力狀態(tài)，去除齒輪毛刺、氧化物和表面加工刀痕；
[0031]步驟4:齒輪微噴前處理，用粒度在10~60 μ m范圍內(nèi)的相關陶瓷顆粒對齒輪進行表面噴砂處理，去除氧化物，改善齒輪表面粗糙度；
[0032]步驟5:齒輪流體拋光前處理，根據(jù)齒輪的材料、精度、形位尺寸，可采用機械流體拋光、振動流體拋光、電解流體拋光或噴射流體拋光等的一種方法，對齒輪表面進行流體拋光處理，使其表面光潔度小于0.2 μ m，齒輪表面流體拋光量控制在5 μ m以內(nèi)，保證齒輪公差無明顯影響；
[0033]步驟6:鍍膜前，對齒輪進行超聲波除蠟、除油清洗各10~15min，用丙酮試劑漂洗干凈后，風干或烘干；
[0034]步驟三、將清洗干凈的齒輪均勻固定在兩軸工裝上，齒輪軸向與工裝軸向保持一致，齒輪沿工裝外圓均勻分布，使各齒輪與濺射靶的徑向靶-基距保持一致，啟動抽真空設備，當鍍膜室真空度達到E-3~E-4Pa時，濺射清洗基體金屬I的表面，在流體拋光表面層2上依次制備Cr過渡層3、Cr/C梯度層4及多元復合工作層5，工作氣體為氬氣，真空度控制在E-3~E-4Pa，偏壓:500~700V，工裝旋轉速度:4~4r/min，其中的Cr過渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.3~3%，余量:Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;多元復合工作層5按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.03~0.3%, Cr:5~15%，Ta:50~70%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。
[0035] 參照圖1，齒輪表面依次由基體金屬1、流體拋光層2、Cr過渡層3、Cr/C梯度層4及多元復合工作層5組成，其中的Cr過渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.3~3%，余量:Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;其中的多元復合工作層5按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.03~0.3%，Cr:5~15%，Ta:50~70%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。
[0036]步驟三具體為:步驟1:齒輪鍍膜采用兩軸工裝，參照圖2，將清洗干凈的工件均勻固定在專用的鍍膜工裝上，齒輪軸向與鍍膜工裝軸向保持一致，為了提高齒輪齒廓碳膜的均勻性，齒輪沿工裝外圓均勻分布，使各齒輪與濺射靶的徑向靶-基距保持一致；在非平衡磁控濺射鍍膜設備的濺射靶上沿磁控管加工一定數(shù)量和規(guī)格通孔，并在濺射靶上鑲嵌一定數(shù)量的Y、Ta等高純鑲塊，其余的孔鑲嵌與靶材相同材質(zhì)的鑲塊；
[0037]步驟2:準備工作完成后應迅速將齒輪及工裝送入真空鍍膜室，防止齒輪表面氧化及二次污染，啟動設備抽真空，保持齒輪表面的清潔狀態(tài)；
[0038]步驟3:鍍膜室真空度達到E-3~E_4Pa時，濺射清洗基體金屬I的表面流體拋光表面層2，工作氣體:氬氣，真空度控制在E-3~E-4Pa，偏壓:500~700V，工裝旋轉速度:4~4r/min，通過等離子濺射清洗得到潔凈的基體金屬流體拋光表面層2 ； [0039]步驟4:逐漸調(diào)高Cr濺射靶的濺射電流為5.0~7.0A,調(diào)節(jié)時間為15~20分鐘，在步驟3得到的潔凈的金屬表面上制備0.3~0.5 μ m的Cr過渡層3 ；
[0040]步驟5:逐漸提高C靶的濺射電流為8.0~10.0A、降低一個Cr靶濺射靶的濺射電流為0A，同時逐步調(diào)節(jié)另一個Cr靶濺射電流至0.2~0.5A，調(diào)節(jié)時間為15~20分鐘，在步驟10得到的Cr過渡層3上制備得到0.3~0.5 μ m的Cr/C梯度層4 ；
[0041]步驟6:控制濺射電流參數(shù)，C靶的濺射電流為8.0~10.0A, Cr靶濺射電流為
0.2~0.5A，偏壓:50~70V，保持時間:180~360分鐘，在步驟11得到的Cr/C梯度層4上制備得到2.0~4.0 μ m的含有Ta、Cr、C、Y的類石墨復合工作層5。齒輪表面碳膜總厚度控制在2~5 μ m，以保證齒輪的精度。
[0042]本發(fā)明是一種非平衡磁控濺射超低摩擦系數(shù)類石墨碳膜制備及其高速齒輪超潤滑表面強化技術，鍍膜前，首先對齒輪表面依次進行噴丸、微噴和流體拋光前處理；然后，采用非平衡磁控濺射復合靶技術，在齒輪表面沉積一種非平衡磁控濺射超低摩擦系數(shù)的類石墨碳膜。
[0043]Cr過渡層3和多元復合工作層5決定了類石墨碳膜的主要性能，Cr在碳膜中的含量通過調(diào)節(jié)Cr靶的濺射電流參數(shù)控制，Y、Ta含量通過調(diào)節(jié)Y、Ta鑲塊的數(shù)量控制，Cr/C梯度層4其組成和結構決定于磁控濺射工藝參數(shù)。
[0044]超低摩擦系數(shù)的類石墨碳膜的磨損率對比效果見圖3，摩擦系數(shù)對比效果見圖4，膜-基結合強度對比效果見圖5，電化學腐蝕性能對比效果見圖6，可見采用靶材鑲嵌法改性后的多元類石墨碳膜的減摩、耐磨性能、膜-基結合強度和抗電化學腐蝕能力有顯著提高，有利于提高齒輪固體潤滑碳膜的壽命和可靠性。
[0045]某鍍膜齒輪水泵I的軸向和徑向振動減振降噪效果對比分別見圖7~8，模數(shù)m=5，齒數(shù)Z=8，齒寬B=20mm，傳動比i=l:1，轉速6000rpm ;可見鍍膜齒輪嚙合最大振動噪音有明顯衰減，最大振動噪音衰減10%~15%，軸向振動衰減效果優(yōu)于徑向振動。
[0046]某鍍膜齒輪水泵2的軸向和徑向振動減振降噪效果對比分別見圖9~10，模數(shù)m=5，齒數(shù)Z=8，齒寬B=40mm，傳動比i=l:1，轉速lOOOrpm，流量100L/min，可見鍍膜齒輪嚙合振動噪音明顯衰減，平均齒輪嚙合振動衰減10%左右，最大振動噪音衰減10%~15%，軸向振動衰減效果優(yōu)于徑向振動。
[0047]某鍍膜齒輪水泵2的齒輪固體潤滑碳膜的摩擦形貌見圖11，試驗結束后齒輪表面膜沒有異常剝落現(xiàn)象，即未見膜層剝落或分層現(xiàn)象，磨損也非常輕微，因此采用改性后的類石墨碳膜，對齒輪固體潤滑表面強化以降低齒輪嚙合振動噪音是可行的。
【權利要求】
1.一種高速齒輪類石墨碳膜超潤滑表面強化方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:采用常規(guī)噴丸和強化噴丸對齒輪表面進行噴丸處理，改善齒輪表面應力狀態(tài)，去除齒輪毛刺、氧化物和表面加工刀痕，采用粒度在10~60 μ m范圍內(nèi)的陶瓷顆粒對齒輪進行表面噴砂處理，去除氧化物，改善齒輪表面粗糙度后，再采用流體拋光技術，要使齒輪表面光潔度小于0.2 μ m，齒輪表面流體拋光量控制在5 μ m以內(nèi)，再采用超聲波除蠟、除油清洗各10~15min對齒輪表面進行處理，然后采用丙酮試劑漂洗干凈后風干或烘干； 步驟二、將清洗干凈的齒輪均勻固定在兩軸工裝上，齒輪軸向與工裝軸向保持一致，齒輪沿工裝外圓均勻分布，使各齒輪與濺射靶的徑向靶-基距保持一致，啟動抽真空設備，當鍍膜室真空度達到E-3~E-4Pa時，濺射清洗基體金屬I的表面，在流體拋光表面層2上依次制備Cr過渡層3、Cr/C梯度層4及多元復合工作層5，工作氣體為氬氣，真空度控制在E-3~E-4Pa，偏壓:500~700V，工裝旋轉速度:4~4r/min，其中的Cr過渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.3~3%，余量:Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;多元復合工作層5按照質(zhì)量百分比其組成為，Y:0.03~0.3%, Cr:5~15%，Ta:50~70%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高速齒輪類石墨碳膜超潤滑表面強化方法，其特征在于，步驟二中所述的Cr過渡層3的制備:逐漸調(diào)高Cr濺射靶的濺射電流為5.0~7.0A,調(diào)節(jié)時間為15~20分鐘，過渡層厚度為0.3~0.5 μ m。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高速齒輪類石墨碳膜超潤滑表面強化方法，其特征在于，步驟二中所述的Cr/C梯度層4的制備:逐漸提高C靶的濺射電流為8.0~10.0A、降低一個Cr靶濺射靶的濺射電流為0A，同時逐步調(diào)節(jié)另一個Cr靶濺射電流至0.2~0.5A，調(diào)節(jié)時間為15~20分鐘，梯度層厚度為0.3~0.5 μ m。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高速齒輪類石墨碳膜超潤滑表面強化方法，其特征在于，步驟二中所述的類石墨復合工作層5的制備:C靶的濺射電流為8.0~10.0A，Cr靶濺射電流為0.2~0.5A，偏壓:50~70V，保持時間:180~360分鐘，復合工作層厚度為2.0~4.0ym,齒輪表面碳膜總厚度控制在2~5 μ m。
【文檔編號】C23F17/00GK103469217SQ201310438925
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權日:2013年9月24日
【發(fā)明者】王佐平, 陳喜鋒, 宇文江濤 申請人:中國船舶重工集團公司第十二研究所