一种基于增材制造的自润滑齿轮及其制备方法转让专利
申请号 : CN202011402752.2
文献号 : CN112483626B
文献日 : 2022-03-08
发明人 : 邢佑强 , 骆诚 , 刘磊 , 吴泽
申请人 : 东南大学
摘要 :
本发明提供一种增材制造的自润滑齿轮及其制备方法，具有良好的韧性，工作表面具有高硬度和耐磨性，在宽温域工作范围内具有良好的自润滑功效。本发明实施例的增材制造的自润滑齿轮，包括齿轮基体和CBN基自润滑涂层，CBN基自润滑涂层设置在齿轮基体的表面；CBN基自润滑涂层由CBN基混合粉通过增材制造技术形成，CBN基混合粉包括石墨烯、ZnO、W2N、VN、Ag、BNNTs和CNFs。工作温度较低时，石墨烯能够起到润滑作用；高温时，W2N、ZnO、VN和Ag会发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnWO4、Ag2WO4、V2O5化合物，使得该齿轮在高温下具有良好的自润滑功效，从而减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。
权利要求 :
1.一种基于增材制造的自润滑齿轮，其特征在于，包括齿轮基体(1)和CBN基自润滑涂层(2)，所述CBN基自润滑涂层(2)设置在所述齿轮基体(1)的表面，所述CBN基自润滑涂层(2)由CBN基混合粉通过增材制造技术制备，所述CBN基混合粉包括石墨烯、ZnO、W2N、VN、Ag、BNNTs、CNFs、CBN、Ni60A和TiC；高温时，CBN基自润滑涂层中的W2N、ZnO、VN和Ag会发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnWO4、Ag2WO4、V2O5化合物，使得所述齿轮在高温下具有良好的自润滑功效。
2.根据权利要求1所述的基于增材制造的自润滑齿轮，其特征在于，所述CBN基混合粉中，石墨烯的质量百分比为5‑8％，ZnO的质量百分比为3‑6％,W2N的质量百分比为3‑6％，VN的质量百分比为3‑6％，Ag的质量百分比为3‑6％，BNNTs的质量百分比为2‑5％，CNFs的质量百分比为2‑5％，CBN的质量百分比为30‑40％，Ni60A的质量百分比为20‑30％，TiC的质量百分比为10‑15％，各成分重量百分比之和为100％。
3.根据权利要求1所述的基于增材制造的自润滑齿轮，其特征在于，所述齿轮基体(1)由低碳钢制成。
4.根据权利要求1所述的基于增材制造的自润滑齿轮，其特征在于，所述增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。
5.一种制备权利要求1‑4任意一项所述的基于增材制造的自润滑齿轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤11、前处理：将齿轮基体(1)依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10‑20min，进行去油污处理；
步骤12、配置CBN基混合粉：CBN基混合粉按照质量百分比，包括：Ni60A 20‑30％、CBN30‑40％、TiC 5‑8％、石墨烯3‑6％、ZnO 3‑6％、W2N 3‑6％、VN 3‑6％、Ag 3‑6％、BNNTs
2‑5％和CNFs 2‑5％；
步骤13、熔覆CBN基自润滑涂层：将配置好的CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器的送粉速率为5‑50g/s；采用增材制造技术将CBN基混合粉熔覆在齿轮基体(1)表面，形成CBN基自润滑涂层的厚度为2‑10mm；
步骤14、后处理：将步骤13得到的CBN基自润滑涂层的表面进行磨削精整，使得CBN基自润滑涂层的总厚度为0.5‑9mm，得到基于增材制造的自润滑齿轮。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。
说明书 :
一种基于增材制造的自润滑齿轮及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及齿轮制造技术领域，具体来说，涉及一种基于增材制造的自润滑齿轮及其制备方法。
背景技术
[0002] 齿轮传动是工业中使用极其普遍的传动机构，然而，齿轮传动过程中，齿面间存在较大摩擦磨损，直接导致齿轮寿命降低。因此，通过改善齿轮的润滑性能以降低齿面间摩擦
磨损，成为延长齿轮寿命的有效途径。齿轮传动过程中摩擦及润滑已成为齿轮行业亟待解
决的难题。为此，近几年开发出一系列自润滑齿轮。同时，表面处理能够提高齿轮表面硬度
和耐磨性，进而提高齿轮寿命；然而传统方法制备效率较低，齿轮寿命有待进一步提高。
磨损，成为延长齿轮寿命的有效途径。齿轮传动过程中摩擦及润滑已成为齿轮行业亟待解
决的难题。为此，近几年开发出一系列自润滑齿轮。同时，表面处理能够提高齿轮表面硬度
和耐磨性，进而提高齿轮寿命；然而传统方法制备效率较低，齿轮寿命有待进一步提高。
[0003] 中国专利申请号CN201810145366.6公开了一种多材料复合自润滑齿轮，通过3D打印技术在齿轮基体表面制备出自润滑涂层，从而实现齿轮本身的自润滑功能。中国专利申
请号CN201710194846.7公开了一种基于增材制造技术的直齿面齿轮快速精铸工艺，通过
FDM快速成型增材制造技术和熔模精铸工艺实现直齿面齿轮的快速制造。中国专利申请号
201710086850.1公开了一种蜂窝状多边形自润滑齿轮，基于仿生学在齿轮表面加工出蜂窝
状沟槽和条形沟槽，通过在仿生沟槽中填充固体润滑剂，实现齿轮啮合的自润滑功效。
请号CN201710194846.7公开了一种基于增材制造技术的直齿面齿轮快速精铸工艺，通过
FDM快速成型增材制造技术和熔模精铸工艺实现直齿面齿轮的快速制造。中国专利申请号
201710086850.1公开了一种蜂窝状多边形自润滑齿轮，基于仿生学在齿轮表面加工出蜂窝
状沟槽和条形沟槽，通过在仿生沟槽中填充固体润滑剂，实现齿轮啮合的自润滑功效。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于增材制造的自润滑齿轮及其制备方法，齿轮表面设有CBN基自润滑涂层，齿轮整体具有良好的韧性，工作表面具有高的硬度、韧
性和耐磨性；该齿轮可实现工作过程中的持续自润滑，有效减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。
性和耐磨性；该齿轮可实现工作过程中的持续自润滑，有效减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种基于增材制造的自润滑齿轮，包括齿轮基体和CBN基自润滑涂层，所述CBN基自润滑涂层设置在所述齿轮基体的表面，所述CBN
基自润滑涂层由CBN基混合粉通过增材制造技术制备，所述CBN基混合粉包括石墨烯、ZnO、
W2N、VN、Ag、BNNTs、CNFs、CBN、Ni60A和TiC。
基自润滑涂层由CBN基混合粉通过增材制造技术制备，所述CBN基混合粉包括石墨烯、ZnO、
W2N、VN、Ag、BNNTs、CNFs、CBN、Ni60A和TiC。
[0006] 作为本发明实施例的进一步改进，所述CBN基混合粉中，石墨烯的质量百分比为5‑8％，ZnO的质量百分比为3‑6％,W2N的质量百分比为3‑6％，VN的质量百分比为3‑6％，Ag的
质量百分比为3‑6％，BNNTs的质量百分比为2‑5％，CNFs的质量百分比为2‑5％，CBN的质量
百分比为30‑40％，Ni60A的质量百分比为20‑30％，TiC的质量百分比为10‑15％，各成分重
量百分比之和为100％。
质量百分比为3‑6％，BNNTs的质量百分比为2‑5％，CNFs的质量百分比为2‑5％，CBN的质量
百分比为30‑40％，Ni60A的质量百分比为20‑30％，TiC的质量百分比为10‑15％，各成分重
量百分比之和为100％。
[0007] 作为本发明实施例的进一步改进，所述齿轮基体由低碳钢制成。
[0008] 作为本发明实施例的进一步改进，所述增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。
[0009] 另一方面，本发明提供一种制备上述基于增材制造的自润滑齿轮的制备方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤11、前处理：将齿轮基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10‑20min，进行去油污处理；
[0011] 步骤12、配置CBN基混合粉：CBN基混合粉按照质量百分比，包括：Ni60A 20‑30％、CBN30‑40％、TiC 5‑8％、石墨烯3‑6％、ZnO 3‑6％、W2N 3‑6％、VN 3‑6％、Ag 3‑6％、BNNTs
2‑5％和CNFs 2‑5％；
2‑5％和CNFs 2‑5％；
[0012] 步骤13、熔覆CBN基自润滑涂层：将配置好的CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器的送粉速率为5‑50g/s；采用增材制造技术将CBN基混合粉熔覆在齿轮基体表面，形成CBN
基自润滑涂层的厚度为2‑10mm；
基自润滑涂层的厚度为2‑10mm；
[0013] 步骤14、后处理：将步骤13得到的CBN基自润滑涂层的表面进行磨削精整，使得CBN基自润滑涂层的总厚度为0.5‑9mm，得到基于增材制造的自润滑齿轮。
[0014] 作为本发明实施例的进一步改进，所述增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。
[0015] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：1.本发明实施例的齿轮，齿轮基体表面设有CBN基自润滑涂层，齿轮整体具有良好的韧性，工作表面具有高的硬度、
韧性和耐磨性。2.本实施例的齿轮，在宽温域内具有自润滑功效；工作温度较低时，CBN基自
润滑涂层中的石墨烯能够起到润滑效果；高温时，CBN基自润滑涂层中的W2N、ZnO、VN和Ag会
发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnWO4、Ag2WO4、V2O5化合物，使得该齿轮在高温下具有良
好的自润滑功效，从而减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。3.本实施例的齿轮的CBN基自润滑涂
层中，BNNTs和CNFs增加齿轮界面及表面散热能力，且提高涂层韧性、强度和耐磨性能。4.本
发明实施例方法采用增材制造技术制备齿轮基体表面的CBN基自润滑涂层，制备效率高，
CBN基自润滑涂层与齿轮基体之间具有较强的结合强度。
韧性和耐磨性。2.本实施例的齿轮，在宽温域内具有自润滑功效；工作温度较低时，CBN基自
润滑涂层中的石墨烯能够起到润滑效果；高温时，CBN基自润滑涂层中的W2N、ZnO、VN和Ag会
发生原位反应，生成具有润滑效应的ZnWO4、Ag2WO4、V2O5化合物，使得该齿轮在高温下具有良
好的自润滑功效，从而减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。3.本实施例的齿轮的CBN基自润滑涂
层中，BNNTs和CNFs增加齿轮界面及表面散热能力，且提高涂层韧性、强度和耐磨性能。4.本
发明实施例方法采用增材制造技术制备齿轮基体表面的CBN基自润滑涂层，制备效率高，
CBN基自润滑涂层与齿轮基体之间具有较强的结合强度。
附图说明
[0016] 图1为本发明实施例的基于增材制造的自润滑齿轮的结构示意图。
[0017] 图中：齿轮基体1、CBN基自润滑涂层2。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0019] 本发明实施例提供基于增材制造的自润滑齿轮，如图1所示，包括齿轮基体1和CBN基自润滑涂层2，CBN基自润滑涂层2设置在齿轮基体1的表面。CBN基自润滑涂层2由CBN基混
合粉通过增材制造技术形成。CBN基混合粉包括石墨烯、ZnO、W2N、VN、Ag、BNNTs、CNFs、CBN、
Ni60A和TiC。
合粉通过增材制造技术形成。CBN基混合粉包括石墨烯、ZnO、W2N、VN、Ag、BNNTs、CNFs、CBN、
Ni60A和TiC。
[0020] 本发明实施例的齿轮，齿轮基体表面设有CBN基自润滑涂层，齿轮整体具有良好的韧性，工作表面具有高硬度和耐磨性。本实施例的齿轮，在宽温域工作范围内具有良好的自
润滑功效。工作过程中，温度较低时，CBN基自润滑涂层中的石墨烯能够起到润滑作用，温度
较高时，CBN基自润滑涂层中的W2N、ZnO、VN和Ag会发生原位反应，生成具有润滑效应的
ZnWO4、Ag2WO4和V2O5化合物，使得该齿轮能够适应高温下传动，起到良好的自适应润滑功效，
从而减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。
润滑功效。工作过程中，温度较低时，CBN基自润滑涂层中的石墨烯能够起到润滑作用，温度
较高时，CBN基自润滑涂层中的W2N、ZnO、VN和Ag会发生原位反应，生成具有润滑效应的
ZnWO4、Ag2WO4和V2O5化合物，使得该齿轮能够适应高温下传动，起到良好的自适应润滑功效，
从而减小摩擦磨损，提高齿轮寿命。
[0021] 优选的，CBN基混合粉中，石墨烯的质量百分比为5‑8％，ZnO的质量百分比为3‑6％,W2N的质量百分比为3‑6％，VN的质量百分比为3‑6％，Ag的质量百分比为3‑6％，BNNTs
的质量百分比为2‑5％，CNFs的质量百分比为2‑5％，CBN的质量百分比为30‑40％，Ni60A的
质量百分比为20‑30％，TiC的质量百分比为10‑15％，各成分重量百分比之和为100％。
的质量百分比为2‑5％，CNFs的质量百分比为2‑5％，CBN的质量百分比为30‑40％，Ni60A的
质量百分比为20‑30％，TiC的质量百分比为10‑15％，各成分重量百分比之和为100％。
[0022] 本实施例的齿轮的CBN基自润滑涂层中，BNNTs和CNFs增加齿轮界面及表面散热能力，且提高涂层韧性、强度和耐磨性能。
[0023] 优选的，齿轮基体1由低碳钢制成。
[0024] 优选的，增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。
[0025] 本发明实施例还提供一种基于增材制造的自润滑齿轮的制备方法，包括以下步骤：
[0026] 前处理：将齿轮基体1依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10‑20min，进行去油污处理；
[0027] 步骤12、配置CBN基混合粉：CBN基混合粉按照质量百分比，包括：Ni60A 20‑30％、CBN30‑40％、TiC 5‑8％、石墨烯3‑6％、ZnO 3‑6％、W2N 3‑6％、VN 3‑6％、Ag 3‑6％、BNNTs
2‑5％和CNFs 2‑5％；
2‑5％和CNFs 2‑5％；
[0028] 步骤13、熔覆CBN基自润滑涂层：将配置好的CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器的送粉速率为5‑50g/s；采用增材制造技术将CBN基混合粉熔覆在齿轮基体1表面，形成
CBN基自润滑涂层的厚度为2‑10mm；
CBN基自润滑涂层的厚度为2‑10mm；
[0029] 步骤14、后处理：将步骤13得到的CBN基自润滑涂层的表面进行磨削精整，使得CBN基自润滑涂层的总厚度为0.5‑9mm，得到基于增材制造的自润滑齿轮。
[0030] 优选的，增材制造技术为激光增材制造技术或电子束增材制造技术。
[0031] 本发明实施例方法，采用增材制造技术制备齿轮基体表面的CBN基自润滑涂层，制备效率高，CBN基自润滑涂层与齿轮基体之间具有较强的结合强度。本发明实施例方法制备
得到的齿轮具有良好的韧性，工作表面具有高硬度和耐磨性，在宽温域工作范围内具有良
好的自润滑功效。
得到的齿轮具有良好的韧性，工作表面具有高硬度和耐磨性，在宽温域工作范围内具有良
好的自润滑功效。
[0032] 实施例1
[0033] 将由20Cr制成的齿轮基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10min，进行去油污处理。配置CBN基混合粉，CBN基混合粉中各成分重量百分比为：20％Ni60A、40％CBN、
10％TiC、8％石墨烯、4％ZnO、4％W2N、4％VN、4％Ag、3％BNNTs和3％CNFs。将配置好的CBN基
混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为5g/s；采用激光增材制造技术将混合粉料熔
覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为2mm。将CBN基自润滑涂层的表面进行磨削
精整，使得涂层总厚度为1mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。
10％TiC、8％石墨烯、4％ZnO、4％W2N、4％VN、4％Ag、3％BNNTs和3％CNFs。将配置好的CBN基
混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为5g/s；采用激光增材制造技术将混合粉料熔
覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为2mm。将CBN基自润滑涂层的表面进行磨削
精整，使得涂层总厚度为1mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。
[0034] 实施例2
[0035] 将由20CrMnNi制成的齿轮基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20min，进行去油污处理；配置CBN基混合粉，CBN基混合粉中各成分重量百分比为：30％Ni60A、30％
CBN、12％TiC、6％石墨烯、3％ZnO、3％W2N、3％VN、3％Ag、5％BNNTs和5％CNFs。将配置好的
CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为50g/s；采用电子束增材制造技术将混
合粉料熔覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为10mm。将CBN基自润滑涂层的表
面进行磨削精整，使得涂层总厚度为9mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。
CBN、12％TiC、6％石墨烯、3％ZnO、3％W2N、3％VN、3％Ag、5％BNNTs和5％CNFs。将配置好的
CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为50g/s；采用电子束增材制造技术将混
合粉料熔覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为10mm。将CBN基自润滑涂层的表
面进行磨削精整，使得涂层总厚度为9mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。
[0036] 实施例3
[0037] 将由20Cr制成的齿轮基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各10min，进行去油污处理。配置CBN基混合粉，CBN基混合粉中各成分重量百分比为：21％Ni60A、30％CBN、
12％TiC、5％石墨烯、6％ZnO、6％W2N、6％VN、6％Ag、4％BNNTs和4％CNFs。将配置好的CBN基
混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为5g/s；采用激光增材制造技术将混合粉料熔
覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为3mm。将CBN基自润滑涂层的表面进行磨削
精整，使得涂层总厚度为0.5mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。
12％TiC、5％石墨烯、6％ZnO、6％W2N、6％VN、6％Ag、4％BNNTs和4％CNFs。将配置好的CBN基
混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为5g/s；采用激光增材制造技术将混合粉料熔
覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为3mm。将CBN基自润滑涂层的表面进行磨削
精整，使得涂层总厚度为0.5mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。
[0038] 实施例4
[0039] 将由20CrMnNi制成的齿轮基体依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各15min，进行去油污处理；配置CBN基混合粉，CBN基混合粉中各成分重量百分比为：20％Ni60A、35％
CBN、15％TiC、6％石墨烯、5％ZnO、5％W2N、5％VN、5％Ag、2％BNNTs和2％CNFs。将配置好的
CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为30g/s；采用电子束增材制造技术将混
合粉料熔覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为7mm。将CBN基自润滑涂层的表面
进行磨削精整，使得涂层总厚度为5mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。
CBN、15％TiC、6％石墨烯、5％ZnO、5％W2N、5％VN、5％Ag、2％BNNTs和2％CNFs。将配置好的
CBN基混合粉装入送粉器中，调整送粉器送粉速率为30g/s；采用电子束增材制造技术将混
合粉料熔覆在齿轮基体表面，得到CBN基自润滑涂层厚度为7mm。将CBN基自润滑涂层的表面
进行磨削精整，使得涂层总厚度为5mm。得到基于增材制造的自润滑齿轮。
[0040] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进
一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和
改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要
求书及其等效物界定。
一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和
改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要
求书及其等效物界定。