一种用于高盐环境的内啮合齿轮及其制备方法
阅读说明：本技术 一种用于高盐环境的内啮合齿轮及其制备方法 (Internal gear for high-salt environment and preparation method thereof ) 是由 周超 王守仁 王高琦 孙秀怀 张建鹏 李重阳 刘文龙 薛成龙 李金坤 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于高盐环境的内啮合齿轮及其制备方法,其包括芯材、覆设在芯材表面的内、中、外涂层。芯材采用40Cr材料制作。按照重量百分比计：内涂层含有39.5％至40.5％的Ni60和59.5％至60.5％的WC。中间涂层含有70.5％至72.5％的Ni60、26.5％至27.5％的WC和1％至2％的CeO-(2)。外涂层含有87.5％至89.5％的Ni60、9.5％至10.5％的Mo和1％至2％的CeO-(2)。本发明针对温度高、盐浓度大运行环境下,内啮合齿轮耐磨性能差、使用寿命短的问题,通过在齿轮的轮齿表面增材获得含有不同梯度涂层的齿轮结构,使齿轮具有不同的梯度性能,实现提高齿轮的耐磨耐腐蚀性能的目的,提高了齿轮的使用寿命,保证了齿轮泵安全、高效的运行。(The invention relates to an inner meshing gear used in high salt environment and a preparation method thereof. The core material is made of 40Cr material. According to the weight percentage: the inner coating contains 39.5% to 40.5% Ni60 and 59.5% to 60.5% WC. The intermediate coating contains 70.5 to 72.5% of Ni60, 26.5 to 27.5% of WC and 1 to 2% of CeO 2 . The outer coating contains 87.5-89.5% of Ni60, 9.5-10.5% of Mo and 1-2% of CeO 2 . Aiming at the problems of poor wear resistance and short service life of an internal gear under the operating environment with high temperature and high salt concentration, the invention obtains different ladders by adding materials on the surface of the gear teeth of the gearThe gear structure of degree coating makes the gear have different gradient performance, realizes improving the wear-resisting corrosion resisting property's of gear purpose, has improved the life of gear, has guaranteed safe, the efficient operation of gear pump.)
技术领域
本发明涉及3D打印增材制造技术领域，具体涉及一种利用3D打印增材技术制造能够用于高盐环境的内啮合齿轮及其制备方法。
背景技术
海洋资源的开发利用备受关注，而海工装备中的关键摩擦副不仅承受着摩擦副之间由于相互接触造成的磨损，还承受海水的腐蚀，而且海水的腐蚀和摩擦副之间的磨损之间存在交互作用，这便会加速关键摩擦副的损伤，最终导致其失效。
经过淡化后的海水由于温度高、盐浓度大，当采用内啮合齿轮泵运输时，相互啮合的齿轮副之间不仅会承受由于摩擦造成的磨损，还会因为高盐浓度的海水造成严重的腐蚀，腐蚀与磨损之间的交互作用更是极大地加速了齿轮的磨损失效速度。
针对上述在海水工况下的此类问题，以往绝大多数的解决措施是采用不同技术在摩擦副表面制备耐磨、耐腐蚀涂层。但是，仅仅在摩擦副表面制备一层耐磨、耐腐蚀涂层虽然可以改善这个问题，但是单层涂层的寿命较短，而且在制备单层涂层过程中也会存在一些缺陷，比如裂纹、气孔等，这些缺陷容易导致海水渗透过涂层进而会加速涂层失效，甚至剥落。
发明内容
针对温度高、盐浓度大运行环境下，内啮合齿轮耐磨性能差、使用寿命短的问题，本发明提供了一种用于高盐环境的内啮合齿轮及其制备方法。通过在齿轮的轮齿表面增材获得含有不同梯度涂层的齿轮结构，使齿轮具有不同的梯度性能，实现提高齿轮的耐磨耐腐蚀性能的目的，提高了齿轮的使用寿命，保证了齿轮泵安全、高效的运行。利用3D打印技术直接将齿轮打印出来，还具有制造成本低，制作过程灵活的优点。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种用于高盐环境的内啮合齿轮，包括芯材、覆设在芯材表面的内涂层、中间涂层和外涂层。
具体实施方式
中，芯材由棒料制作成圆柱状，增设在芯材表面的内涂层形成齿轮状外形，而后在齿轮状外形轮廓表面再依次增设中间涂层和内涂层。
所述芯材采用40Cr材料制作。按照重量百分比计，作如下设定。
所述内涂层含有39.5％至40.5％的Ni60和59.5％至60.5％的WC。
所述中间涂层含有70.5％至72.5％的Ni60、26.5％至27.5％的WC和1％至2％的CeO2。
所述外涂层含有87.5％至89.5％的Ni60、9.5％至10.5％的Mo和1％至2％的CeO2。
进一步，所述内涂层的层厚在40mm至60mm之间，优选为45mm至55mm区间。
进一步，所述中间涂层的厚度在20mm至40mm之间，优选为25mm至35mm区间。
进一步，所述外涂层的厚度在10mm至30mm之间，优选为15mm至25mm区间。
一般而言，实际设置的内涂层的厚度大于中间涂层的厚度，中间涂层的厚度大于外涂层的厚度。比如，将内涂层的厚度设置为50mm左右，将中间涂层的厚度设置为30mm左右，将内涂层的厚度设置为20mm左右。
一种用于高盐环境的内啮合齿轮的制备方法，该齿轮的芯材采用40Cr材料制作，在芯材的表面自内至外依次设有内涂层、中间涂层和外涂层。
所述各涂层由按照重量配比的Ni60粉末、WC粉末、CeO2粉末、Mo粉末中的两种或三种复合而成。考虑到在制造过程中各粉末之间会因电负性造成极少部分颗粒产生团聚现象，影响粉末流动，进而造成一定的损失，所以确定各粉末成分时，按重量百分比计具体配比如下。
用Ni60粉末与WC粉末混合成制作所述内涂层的复合粉末，其中，Ni60粉末的重量占比在39.5％至40.5％，所述WC粉末的重量占比在59.5％至60.5％。
用Ni60粉末、WC粉末与CeO2粉末混合成制作所述中间涂层的复合粉末，其中，Ni60粉末的重量占比在70.5％至72.5％，所述WC粉末的重量占比在26.5％至27.5％，所述CeO2粉末的重量占比在1％至2％。
用Ni60粉末、Mo粉末与CeO2粉末混合成制作所述外涂层的复合粉末，其中，Ni60粉末的重量占比在87.5％至89.5％，Mo粉末的重量占比在9.5％至10.5％，所述CeO2粉末的重量占比在1％至2％。
先对芯材表面进行预处理，除去表面的油污、氧化层及杂质。
在芯材表面采用3D打印手段增材覆设内涂层，待内涂层定型后将其表面打磨平整。
在内涂层表面采用3D打印手段增材覆设中间涂层，待中间涂层定型后将其表面打磨平整。
在中间涂层表面采用3D打印手段增材覆设外涂层，待外涂层定型后将其表面打磨平整。
进一步，将配比制成内涂层的复合粉末进行球磨处理，使得复合粉末混合均匀、颗粒进一步细化。然后再将复合粉末倒入无水乙醇中进行清洗。最后将复合粉末放入干燥箱内进行干燥处理，干燥处理完毕后等待增材时使用。
进一步，将配比制成中间涂层的复合粉末进行球磨处理，使得复合粉末混合均匀、颗粒进一步细化。然后再将复合粉末倒入无水乙醇中进行清洗。最后将复合粉末放入干燥箱内进行干燥处理，干燥处理完毕后等待增材时使用。
进一步，将配比制成外涂层的复合粉末进行球磨处理，使得复合粉末混合均匀、颗粒进一步细化。然后再将复合粉末倒入无水乙醇中进行清洗。最后将复合粉末放入干燥箱内进行干燥处理，干燥处理完毕后等待增材时使用。
本发明的有益效果是：本专利所涉及的齿轮，其针对温度高、盐浓度大运行环境下，内啮合齿轮耐磨性能差、使用寿命短的问题，通过在齿轮的轮齿表面增材获得含有不同梯度涂层的齿轮结构，使齿轮具有不同的梯度性能，实现提高齿轮的耐磨耐腐蚀性能的目的，提高了齿轮的使用寿命，保证了齿轮泵安全、高效的运行。利用3D打印技术直接将齿轮打印出来，还具有制造成本低，制作过程灵活的优点。
附图说明
图1为本发明所涉及内啮合齿轮的结构示意图(剖面)。
图中：1芯材，2内涂层，3中间涂层，4外涂层。
具体实施方式
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示的一种用于高盐环境的内啮合齿轮，包括芯材1、覆设在芯材1表面的内涂层2、中间涂层3和外涂层4。如图所示的实施例，所示芯材1由棒料制作成圆柱状，增设在芯材1表面的内涂层2形成齿轮状外形，而后，在齿轮状外形轮廓表面再依次增设中间涂层3和内涂层4。
所述芯材采用40Cr材料制作，盘面中心处形成有孔和键槽。
所述各涂层由按照重量配比的Ni60粉末、WC粉末、CeO2粉末、Mo粉末中的两种或三种复合而成。考虑到在制造过程中各粉末之间会因电负性造成极少部分颗粒产生团聚现象，影响粉末流动，进而造成一定的损失，所以确定各个涂层的组成成分和配比如下。
所述内涂层含有39.5％至40.5％的Ni60和59.5％至60.5％的WC。
所述中间涂层含有70.5％至72.5％的Ni60、26.5％至27.5％的WC和1％至2％的CeO2。
所述外涂层含有87.5％至89.5％的Ni60、9.5％至10.5％的Mo和1％至2％的CeO2。
常规设计，所述内涂层的层厚在40mm至60mm之间，优选为45mm至55mm区间。所述中间涂层的厚度在20mm至40mm之间，优选为25mm至35mm区间。所述外涂层的厚度在10mm至30mm之间，优选为15mm至25mm区间。
要求实际设置的内涂层的厚度大于中间涂层的厚度，中间涂层的厚度大于外涂层的厚度。比如，将内涂层的厚度设置为50mm左右，将中间涂层的厚度设置为30mm左右，将内涂层的厚度设置为20mm左右。
制备上述提及到的齿轮的方法如下：
1、对配比组成各个涂层的复合粉末的处理。
用Ni60粉末与WC粉末按配比混合成制作内涂层的复合粉末后，首先对该复合粉末进行球磨处理，使得复合粉末混合均匀、颗粒进一步细化。接着再将复合粉末倒入无水乙醇中进行清洗。最后将复合粉末放入干燥箱内进行干燥处理，干燥处理完毕后等待增材内涂层时使用，内涂层增设在芯材表面且外形轮廓形成为齿轮状外形。
用Ni60粉末、WC粉末与CeO2粉末按配比混合成制作所述中间涂层的复合粉末后，首先对该复合粉末进行球磨处理，使得复合粉末混合均匀、颗粒进一步细化。然后再将复合粉末倒入无水乙醇中进行清洗。最后将复合粉末放入干燥箱内进行干燥处理，干燥处理完毕后等待增设中间涂层时使用。
用Ni60粉末、Mo粉末与CeO2粉末按配比混合成制作所述外涂层的复合粉末后，首先对该复合粉末进行球磨处理，使得复合粉末混合均匀、颗粒进一步细化。而后再将复合粉末倒入无水乙醇中进行清洗。最后将复合粉末放入干燥箱内进行干燥处理，干燥处理完毕后等待增设外涂层时使用。
2、加工过程。
(1)对芯材表面进行预处理，除去表面的油污、氧化层及杂质。
(2)在芯材表面用3D打印手段增材覆设内涂层，内涂层的外形增设为齿轮状。待内涂层定型后将其表面打磨平整，达到满足增设中间涂层的要求。
(3)在内涂层表面用3D打印手段增材覆设中间涂层，该中间涂层附在呈齿轮外形的内涂层表面上，待中间涂层定型后将其表面打磨平整，达到满足增设外涂层的要求。
(4)在中间涂层表面用3D打印手段增材覆设外涂层，该中间涂层附在呈齿轮外形的中间涂层表面上，待外涂层定型后将其表面打磨平整，满足内啮合齿轮的表面质量要求。
在本专利中，如果是由内涂层构成的齿轮外形轮廓，则所指的内涂层厚度为非齿形部分的厚度，可以理解为形成的齿轮外形其齿槽底至芯材表面的径向厚度。
芯材用40Cr棒料，选择的棒料外径尺寸根据实际所需齿轮尺寸确定。在棒料表面采用3D打印技术增材制造内涂层，内涂层厚度约50mm(不算轮齿)，而后将内涂表面打磨平整，为下制备下中间层涂层做准备。在内涂层表面增材制造中间涂层，中间涂层厚度为30mm，而后将中间涂层表面打磨平整，为下制备外层涂层做准备。在中间涂层表面增材制造内涂层，内涂层厚度为20mm，而后将内涂层表面打磨平整，最终制造出所需零件。
各涂层的配比组分呈梯度变化，厚度也是按照梯度设置的。
本发明方案中形成的的耐磨、耐腐蚀梯度涂层，其主要优点是非常耐磨、耐腐蚀、韧性好且结合力强、不易脱落、使用寿命长。
Ni基自熔性合金粉末对多种基材有较好的适应性，易获得氧化物含量低、表面光滑、稀释率低、气孔率小、易与基体形成冶金结合的致密涂层，具有良好的润湿性、耐蚀性、抗氧化性。同时，价格适中、性价比较高。
内涂层中WC含量较高，使得内涂层不仅硬度高，而且韧性也达到最佳，满足齿轮稳定工作时的工作要求。
中间涂层中WC含量降低，WC能很好地被Ni金属熔体润湿，可与Ni基合金粉末组成复合粉末，增强金属材料表面的耐磨性。另外，CeO2的添加可有效改善熔覆层的显微组织，使得WC硬质相颗粒形状得到改善并在图层中均匀分布，进而使涂层兼有金属的强韧性、良好的工艺性以及陶瓷材料高硬度、耐磨、耐蚀、抗氧化性能等特点。Mo材料耐高温、耐腐蚀、耐磨损。
在外涂层中添加Mo，不仅可以保证涂层的耐磨性、耐腐蚀性，在海水工况下降低了磨损率，此外，CeO2的添加可有效改善熔覆层的显微组织，细化晶粒，提高涂层硬度和韧性。
本发明通过控制各涂层组分的梯度变化，避免了从基体到涂层之间组织、性能的突变，改善了涂层界面间的结合状况，可进一步提高涂层的承载能力及抗磨、抗腐蚀性能，也满足了内啮合齿轮在特殊工况下的服役要求。
上述实施方式仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本发明还有许多方面可以在不违背总体思想的前提下进行改进，对于熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，可对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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