[发明专利]一种Ti(C、N)/Cr(C、N)复合梯度耐磨合金层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Ti(C、N)/Cr(C、N)复合梯度耐磨合金层及其制备方法，该合金层自上而下依次包括Ti‑Cr沉积层、Ti(C、N)/Cr(C、N)梯度陶瓷层和C、N强化层。制备方法包括以下步骤：(1)在粉末冶金齿轮表面离子注入C、N强化层；(2)在C、N强化层表面用双辉等离子合金化法制备Ti‑Cr合金层。C、N原子易与合金元素发生相互作用，产生氮化物、碳化物。在等离子合金化过程中，溅射出的Ti、Cr与离子注入的C、N发生反应，形成了具有Ti(C、N)/Cr(C、N)复合结构的梯度陶瓷耐磨合金层。本发明极大提高粉末冶金齿轮的耐磨性能，大幅延长了齿轮的使用寿命。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，特别涉及一种粉末冶金齿轮表面Ti(C、N)/Cr(C、N)复合结构的梯度陶瓷耐磨合金层及其制备工艺。

背景技术

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，利用合金对于铁基齿轮的强化作用。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提高齿轮耐磨性能，在铁基齿轮表面形成改性层，改善齿轮的摩擦磨损性能。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合金层与扩散层，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发明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。

2007年出版的《煤矿机械》第28卷第7期中“奥氏体不锈钢C、N离子注入表面改性的研究”一文中公开了采用离子注入在奥氏体不锈钢表面注入C、N提高硬度和耐磨性能的方法；2010年出版的《真空科学与技术学报》第30卷第3期中“离子注入空间齿轮传动副用30CrMnSi材料真空摩擦学性能研究”一文中公开了采用离子注入在齿轮上注入Ti、C、N元素，提高齿轮耐磨性能的方法。但离子注入技术的缺点是注入层深度不足，厚度小，这也限制了其在齿轮表面强化技术上的应用；2008年出版的《材料科学与工程学报》第26卷第3期中“双辉C、N、Ti渗入顺序对渗层组织及性能的影响”一文中公开了利用双辉技术在20钢表面进行C、N、Ti三元共渗的方法；2012年出版的《金属热处理》第37卷第1期中“Ti6Al4V合金表面Ti(C，N)改性层的摩擦性能”一文中公开了利用双辉在Ti6Al4V表面进行C、N共渗来提高耐磨性能的方法。