一种核-壳结构纳米颗粒在齿轮钢表面涂层中的应用及其冷喷涂方法技术

一种核

【技术实现步骤摘要】
一种核
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壳结构纳米颗粒在齿轮钢表面涂层中的应用及其冷喷涂方法


[0001]本专利技术属于齿轮钢表面耐磨涂层领域，具体涉及一种核
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壳结构纳米颗粒在齿轮钢表面涂层中的应用及其冷喷涂方法。

技术介绍

[0002]随着现代汽车、新能源汽车、高铁、航空航天器材以及舰艇等技术的快速发展，不可或缺的传动结构不仅对齿轮的设计提出更高的要求，更是对在齿轮方面，开发新材料和新型加工工艺提出挑战。随着新能源电动汽车的发展，变速器工况由传统发动机6500r/min升至18000r/min，转矩提高30％，齿轮疲劳寿命提高40％。我国现在已经是齿轮生产大国，但高端齿轮还需要进口，生产的齿轮性能还是与国外存在一定的差距，如结构重、寿命短、可靠性差，仍是我们面临的三大问题。如何解决这一技术发展瓶颈，是我们亟待研究的问题。为了缩短时间、节约成本、绿色环保等要求，随着科学技术的发展，齿轮钢表面性能优化工艺及新材料研发，不断涌现。
[0003]层状结构的WS2作为一种优秀的自润滑耐磨材料进入人们的视野，普通层状结构(2H)的过渡族金属硫化物WS2晶体是S
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W
‑
S原子形成的六方体结构，在每一层里S
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W原子是以很强的共价键结合，层与层之间是以很弱的范德瓦尔斯键结合，层与层之间易于滑动。作为固体润滑剂，2H
‑
WS2在真空环境中具有摩擦系数小、承载力大、耐磨性好，而且还具有与基材的结合力强、蒸发率低、耐辐射等优点。
[0004]制备WS2润滑涂层的常用方法主要有喷涂、黏结、沉积和溅射。利用磁控溅射或复合涂层，应用到高强度齿面强化，已成为研究热点。日产和马自达在变速器齿轮表面采用MoS2镀膜，有关数据显示疲劳寿命提高3倍以上。 MoS2也可以与TiN、TiAlN等硬质涂层进行复合镀层设计，形成既具有高耐磨性有具有低摩擦系数的自润滑复合刀具涂层。
[0005]目前，现有齿轮表面镀膜或涂层与金属基体结合力较弱，且承载力不高，综合性能无法满足在复杂的非平面结构上均匀制备耐磨薄膜的要求，由此可见，开发一种与金属基体结合力好，且承载力高，综合性能优异的耐磨涂层，并实现在复杂齿轮表面的均匀制备显得尤为重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决目前针对现有齿轮钢表面用耐磨涂层与基体结合力弱、承载力低以及无法均匀制备的技术问题，提供了一种核
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壳结构纳米颗粒在齿轮钢表面涂层中的应用及其冷喷涂方法。
[0007]本专利技术的目的之一是提供一种核
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壳结构纳米颗粒在齿轮钢表面涂层中的应用，核
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壳结构纳米颗粒的壳为空心笼状WS2，核为球形W粉，通过冷喷涂在齿轮钢表面形成涂层。
[0008]进一步限定，壳层厚度为8
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20nm。
[0009]进一步限定，球形W粉粒径为50
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100nm。
[0010]本专利技术的目的之二是提供一种上述核
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壳结构纳米颗粒的冷喷涂方法，所述冷喷涂方法按以下步骤进行：
[0011]步骤1：基体表面预处理；
[0012]步骤2：核
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壳结构纳米颗粒干燥处理；
[0013]步骤3：将预处理后的基体固定在转台上，以干燥后的核
‑
壳结构纳米颗粒作为喷涂粉，以N2作为工作气体，在20
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40rpm下进行冷喷涂，得到涂层；
[0014]其中喷涂压力为1.0
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1.3MPa，
[0015]喷涂距离为15
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25mm，
[0016]送粉速率为40
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60g/min。
[0017]进一步限定，步骤1中基体为FAS3420齿轮钢。
[0018]更进一步限定，FAS3420齿轮钢成分及其质量含量为：
[0019]C：0.22％、
[0020]Mn：0.86％、
[0021]Si：0.29％、
[0022]Cr：0.56％、
[0023]Mo：0.23％、
[0024]Ni：0.46％、
[0025]S：0.023％、
[0026]P：0.013％、
[0027]Al：0.043％、
[0028]Fe：余量。
[0029]更进一步限定，FAS3420齿轮钢有效硬化层深度为0.65mm，
[0030]更进一步限定，FAS3420齿轮钢表面硬度为695HV1。
[0031]进一步限定，步骤1中预处理过程为：
[0032]先对基体进行喷砂，然后依次置于丙酮、无水乙醇中超声清洗，再进行真空干燥。
[0033]进一步限定，步骤2中干燥的温度为100℃。
[0034]进一步限定，步骤2中干燥的时间为30分钟。
[0035]进一步限定，步骤3中N2预热至450
‑
550℃。
[0036]进一步限定，步骤3中在30rpm下进行冷喷涂。
[0037]进一步限定，步骤3中喷涂压力为1.1
‑
1.2MPa。
[0038]进一步限定，步骤3中喷涂距离为20mm。
[0039]进一步限定，步骤3中送粉速率为50g/min。
[0040]本专利技术的目的之三是提供一种通过上述冷喷涂方法获得的涂层。
[0041]进一步限定，涂层厚度为8
‑
12μm。
[0042]本专利技术的目的之四是提供一种核
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壳结构纳米颗粒的制备方法，该方法按以下步骤进行：
[0043]步骤1：将硫粉、球形W粉加入到CS2溶液中，超声混匀，然后常温干燥；
[0044]步骤2：在氢气氛中，平铺于密闭设备中，500℃下反应2小时，得到核
ꢀ‑
壳结构纳米
颗粒。
[0045]进一步限定，步骤1中硫粉与球形W粉的摩尔比为1：1。
[0046]进一步限定，步骤1中硫粉的质量为CS2溶液质量的45
‑
55％。
[0047]进一步限定，步骤1中硫粉纯度为99.95％
‑
99.99％。
[0048]进一步限定，步骤2中氢气压力为0.3
‑
0.4
×
105Pa。
[0049]本专利技术与现有技术相比具有的优点：
[0050]本专利技术以核
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壳结构W/WS2纳米粉体为原料，采用冷喷涂工艺在较低温度或常温环境下，在齿轮或轴承上表面形成致密的涂层，实现齿轮钢的表面性能优化。具体优点如下：
[0051]1)本专利技术在较低温度或常温下，通过超音速气流将固体粉末喷射至工件表面形成致密涂层，低温条件避免了核
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壳结构W/WS2纳米粉体的相变和晶粒长大，同时也避免了高温氧化以及有害残余热应力等效应的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核
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壳结构纳米颗粒在齿轮钢表面涂层中的应用，其特征在于，通过冷喷涂在齿轮钢表面形成涂层，核
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壳结构纳米颗粒的壳为空心笼状WS2，核为球形W粉。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，壳层厚度为8
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20nm，球形W粉粒径为50
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100nm。3.一种冷喷涂方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：步骤1：基体表面预处理；步骤2：核
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壳结构纳米颗粒干燥处理；步骤3：将预处理后的基体固定在转台上，以干燥后的核
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壳结构纳米颗粒作为喷涂粉，以N2作为工作气体，在20
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40rpm下进行冷喷涂，得到涂层；其中喷涂压力为1.0
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1.3MPa，喷涂距离为15
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25mm，送粉速率为40
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60g/min。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1中基体为FAS3420齿轮钢，其成分及其质量含量为：C：0.22％、Mn：0.86％、Si：0.29％、Cr：0.56％、Mo：0.23％、Ni：0.46％、S：0.023％、P：0...

【专利技术属性】
技术研发人员：常连霞，胡悦，张薇，邵亮，张国政，
申请(专利权)人：中国第一汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：