一种齿轮钢的亲油性的表面微结构及其设计方法

1.本发明涉及齿轮钢技术领域，特别涉及一种齿轮钢的亲油性的表面微结构及其设计方法。


背景技术：

2.20crmnti是一种渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为0.17％-0.24％的低碳钢。汽车上多用其制造传动齿轮，是中淬透性渗碳钢中cr mn ti钢，其淬透性较高，在保证淬透情况下，特别是具有较高的低温冲击韧性。20crmnti表面渗碳硬化处理用钢。良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。
3.在齿轮啮合传动过程中，受复杂因素交织影响，啮合齿面易呈现出多种失效形式，常常表现为点蚀(又称为孔蚀，是一种集中于金属表面很小的范围并深入到金属内部的腐蚀形态)、微点蚀(又称“灰斑”，是指齿轮工作过程中齿面出现的一种呈发灰状态的特征现象，其实质是齿面出现微小裂纹并伴有少量材料转移，是一个齿面形成微小裂纹并发生冷胶合的综合过程)、热胶合(在高速重载下工作的轮齿，由于润滑不充分，运转温度过高等因素造成过热，使齿轮本体温度过高，齿面间油膜破裂而发生的胶合(焊合))、深层剥落以及齿面断裂等多种失效形式的出现，这些失效方式都和齿轮润滑状态密切相关。
4.现有降低齿轮点蚀或微点蚀失效风险的方法主要有：1、合理选材和热处理：在常用的直齿轮和斜齿轮中大多采用不含镍的合金钢，再对其进行合适的热处理，以提高表面硬度和心部的强度和冲击韧度；2、选择合适的润滑油：采用抗胶合能力强的润滑油(如硫化油)或提高润滑油的黏度，都可以防止胶合。在高速、精密、轻载、温度低的条件下，一般采用硫化的润滑油；在高温、潮湿的环境中工作的齿轮，则经常采用润滑脂。但是，在齿面中通过激光加工出微纳织构表面提升齿面亲油性，从而提高耐磨性，实现齿轮使用寿命延长、降低齿轮失效风险的目的，目前尚未有这方面的研究。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种齿轮钢的亲油性的表面微结构及其设计方法，其目的是为了解决背景技术存在的上述问题。
6.为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种齿轮钢的亲油性的表面微结构及其设计方法，本发明以20crmnti为材料制造表面亲油、减摩的齿轮，用于齿轮箱、减速器、变速箱中，涉及工程机械、航空航天装备、舰船、机床等多领域，齿轮类型包括圆柱齿轮、圆锥齿轮、面齿轮等，在齿面使用lwfm-20型光纤激光器(波长1064nm)加工出微纳结构表面，通过设计理想的齿面微观结构，增加钢结构的表面亲油性，改善齿面润滑性能，从而提高齿轮耐磨性。该方法通过光纤激光器在20crmnti齿轮钢表面加工出微纳织构表面，使材料表面由亲油性转变为超亲油性，齿轮润滑油油滴与材料表面静态接触角约等于0
°
，呈完全铺展状态。且加工后的材料在摩擦磨损试验中，耐磨效果优于未加工表面。有效使材料亲油性、耐磨性增强，在保证齿轮结构强度的前提下，可以达到改善润滑条件、提高耐磨的目的，为
齿轮延长服役寿命、降低齿轮失效提供新的思路。该方法为齿轮润滑、耐磨提供了新途径，且是切实可行的。
7.本发明实施例的一方面，提供了一种齿轮钢的亲油性的表面微结构设计方法，所述设计方法包括如下步骤：
8.s1：将线切割后的齿轮钢用砂纸打磨；
9.s2：置于无水乙醇中超声清洗，去除表面杂质；
10.s3：将齿轮钢置于光纤激光器中，进行激光加工，获得网格化表面织构。
11.进一步的，所述砂纸打磨具体为先用500#、800#、1000#、1500#的砂纸粗磨，再用2000#、2500#、3000#、5000#砂纸精磨抛光。
12.进一步的，所述超声清洗条件为常温下清洗10min。
13.进一步的，所述激光加工条件为扫描速度为400mm/s，激光加工功率为5w，激光波长为1064nm。
14.进一步的，所述光纤激光器为lwfm-20型光纤激光器。
15.进一步的，所述网格化微纳织构间距为20μm，呈与对角线平行的网格形状。
16.进一步的，所述齿轮钢为20crmnti或15mnvb。还可以是，其他的不含镍的合金钢。
17.进一步的，所述齿轮钢经历珠光体组织转化为奥氏体，再转化为马氏体的过程。
18.基于一个发明总的构思，本发明实施例的另一方面提供了上述设计方法获得的齿轮钢的亲油性的表面微结构。
19.进一步的，所述齿轮钢的亲油性的表面微结构与液滴静态接触角小于5
°
。
20.本发明的上述方案有如下的有益效果：
21.(1)本发明通过光纤激光器在齿轮钢表面加工出微纳织构表面，网格化微纳织构间距为20μm，呈与对角线平行的网格形状，齿轮润滑油油滴与材料表面静态接触角约等于0
°
，呈完全铺展状态。且加工后的材料在摩擦磨损试验中，耐磨效果优于未加工表面。有效使材料亲油性、耐磨性增强，在保证齿轮结构强度的前提下，可以达到改善润滑条件、提高耐磨的目的，为齿轮延长服役寿命、降低齿轮失效提供新的思路。
22.(2)本发明在齿轮钢表面上进行激光加工，增强了材料表面亲油性、耐磨性，能显著改善润滑条件，并且激光加工不会改变齿轮宏观参数，可基于原有工艺流程上进行二次加工，适配性强。在保证齿轮结构强度的前提下，可以达到提高耐磨性、降低失效风险的效果。在使用此加工方法加工齿轮钢后，齿轮润滑油与材料表面静态接触角由47
°±
2.8
°
转变为约等于0
°
，由此材料表面由亲油性转变为超亲油性。在摩擦磨损实验中，激光加工材料表面对比未加工表面磨损深度由2.01001μm降低至1.33286μm，降低至未加工表面的66.31％。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本发明实施例的光纤激光器加工示意图；
25.图2是本发明实施例的油滴静态接触角，其中(a)未加工表面，(b)、(c)、(d)、(e)、
(f)为不同激光加工工艺参数下加工区域表面，其中(e)的激光加工工艺参数：扫描速度为400mm/s、加工功率为5w；
26.图3是本发明实施例的扫描电镜图，其中(a)为未加工区域扫描电镜图(b)、(c)分别为激光加工区域500、1000倍扫描电镜图；
27.图4是本发明实施例齿轮钢的亲油性的表面微结构在摩擦磨损试验中的摩擦系数图；
28.图5是本发明实施例齿轮钢的亲油性的表面微结构表面磨损深度柱状图。
具体实施方式
29.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
30.除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
31.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
32.本发明针对现有的问题，提供了一种齿轮钢的亲油性的表面微结构及其设计方法。
33.如图1所示，一种齿轮钢的亲油性的表面微结构设计方法过程示意图。
34.实施例
35.本发明的实施例提供了一种齿轮钢的亲油性的表面微结构设计方法，采用光纤激光器，在20crmnti齿轮钢表面激光加工出微纳织构表面，使材料表面亲油性、耐磨性增强。
36.具体步骤为：
①
先将线切割后的20crmnti齿轮钢使用砂纸打磨，先使用500#、800#、1000#、1500#的砂纸对材料表面粗磨，再使用2000#、2500#、3000#、5000#砂纸对材料表面精磨抛光，使其表面出现镜面效果，再将打磨抛光后的样品置于无水乙醇中常温超声清洗10min，洗净表面杂质。
②
再将齿轮钢置于光纤激光器中，以激光器标准焦距下以扫描速度为400mm/s、激光加工功率为5w加工出间距为20μm，与对角线平行的网格化表面织构(如图1)。
37.应用例
38.20crmnti齿轮钢在激光加工后，使用移液器定量移取9μm iso vg 220齿轮润滑油，检测油滴在材料表面的静态接触角。再对试样进行摩擦磨损试验，检测耐磨深度和摩擦系数。最后对试样使用扫描电镜和x射线光电子能谱检测。
39.在齿轮钢材料表面加工出微纳尺度的结构，且织构化固体表面增加了液滴与固体的接触面积，改善了液滴的受力结构，同时产生毛细效应形成微流道，增加液体的铺展速度，使油滴铺展效果更好。如图2所示油滴静态接触角，其中(a)未加工表面，(b)、(c)、(d)、(e)、(f)为不同激光加工工艺参数下加工区域表面，其中(e)的激光加工工艺参数：扫描速度为400mm/s、加工功率为5w；未加工表面静态接触角为47
°±
2.8
°
，激光加工区域油滴趋于完全铺展，静态接触角约等于0
°
，材料表面已由亲油性转变为超亲油性。(静态接触角大于30
°
，材料表面呈现亲油性；静态接触角小于5
°
，材料表面呈现超亲油性。)
40.对激光加工区域使用扫描电镜和x射线光电子能谱检测。如图3所示扫描电镜图，其中(a)为未加工区域扫描电镜图(b)、(c)分别为激光加工区域500、1000倍扫描电镜图；未加工区域表面平坦无明显凹凸，激光加工区域加工区域内加工效果较好，激光灼烧的痕迹明显。在大倍数电镜下扫描区域沟壑分明，边界较为整洁，能明显分辨出网格图案，且材料飞溅情况较少，加工效果好。
41.表1未加工表面能谱分析
42.元素质量百分数sigma百分数原子百分数o1.730.145.80ti0.110.050.12cr1.370.071.41mn1.160.091.13fe95.630.1891.55total:100.00 100.00
43.表2激光加工后表面能谱分析
[0044][0045][0046]
如表1、2所示，在激光加工前后，ti、cr、mn等元素变化较小，而o和fe元素变化较大，由此可分析出在激光加工过程中，由于激光加工是一个使材料快速融化并快速冷却的过程，当激光灼烧融化材料表面，材料表面温度升高使材料原有的珠光体组织转化为奥氏体，随后在自身热传递而快速冷却的过程中，奥氏体组织转化为马氏体，因为材料马氏体增多，所以材料表面硬度增强，有利于提高耐磨性。
[0047]
为模拟齿轮啮合的接触情况，摩擦磨损试验使用umt tribolab摩擦磨损试验机，选择线性往复运动的以iso vg 220齿轮润滑油润滑的润滑接触摩擦磨损试验，施加载荷为40n，摩擦行程为5mm，摩擦频率为1.5hz，摩擦时间为30min，并将未加工表面设置为对照组，记录摩擦系数、磨损深度，分析磨损机制。其中3号样品为未加工表面，1、2号样品为激光加工区域表面。其中1号样品激光加工工艺参数为：激光扫描速度为300mm/s、激光加工功率为10w；2号样品激光加工工艺参数为：激光扫描速度为400mm/s、激光加工功率为5w。如图4所示，在摩擦试验刚开始时，摩擦系数先骤升再迅速下降，降至某一高度附近上下起伏。在摩擦刚开始时，由于静摩擦力的作用，摩擦系数骤升。而后润滑油被带入试样表面沟壑生成油膜，在动压效应作用下，静摩擦转为滑动摩擦，摩擦力和摩擦系数迅速下降。摩擦磨损试验时，材料表面凸起被磨损，转变为磨粒磨损。随后表面材料被磨损掉，形成了新的磨损表面，此时磨损进入稳定磨损，摩擦系数在某一数值上下波动。
[0048]
虽然在摩擦试验开始时，1、2号样品摩擦系数高于3号样品，但在滑动摩擦进入稳定磨损阶段时，3号样品摩擦系数高于1、2号样品摩擦系数。如图5所示，2号样品磨损深度低于3号样品，且磨损行程都为5mm，误差也在可接受范围内。所以2号样品的耐磨性优于3号样
品。
[0049]
综合以上实验结果，使用光纤激光器在20crmnti齿轮钢基于表面织构技术的微结构性设计提升了材料的亲油性和耐磨性。
[0050]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种齿轮钢的亲油性的表面微结构设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：s1：将线切割后的齿轮钢用砂纸打磨；s2：置于无水乙醇中超声清洗，去除表面杂质；s3：将齿轮钢置于光纤激光器中，进行激光加工，获得网格化表面织构。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述砂纸打磨具体为先用500#、800#、1000#、1500#的砂纸粗磨，再用2000#、2500#、3000#、5000#砂纸精磨抛光。3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述超声清洗条件为常温下清洗10min。4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述激光加工条件为扫描速度为400mm/s，激光加工功率为5w，激光波长为1064nm。5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述光纤激光器为lwfm-20型光纤激光器。6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述网格化微纳织构间距为20μm，呈与对角线平行的网格形状。7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述齿轮钢为20crmnti或15mnvb。8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述齿轮钢经历珠光体组织转化为奥氏体，再转化为马氏体的过程。9.一种如权利要求1～8任一项所述的设计方法获得的齿轮钢的亲油性的表面微结构。10.根据权利要求9所述的齿轮钢的亲油性的表面微结构，其特征在于，所述齿轮钢的亲油性的表面微结构与液滴静态接触角小于5
°
。

技术总结
本发明提供了一种齿轮钢的亲油性的表面微结构及其设计方法，本发明以20CrMnTi为材料制造表面亲油、减摩的齿轮，用于齿轮箱、减速器、变速箱中，涉及工程机械、航空航天装备、舰船、机床等多领域。加工出的材料表面由亲油性转变为超亲油性，齿轮润滑油油滴与材料表面静态接触角约等于0


技术研发人员：张宇 贾先达 董欣然 李潇 王志永
受保护的技术使用者：中南林业科技大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/13