（机械制造及其自动化专业论文）齿轮表面陶瓷生长工艺的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 齿轮系统是各种机器设备和机械装备中应用最为广泛的动力和传动形式之 一。随着现代工业的发展，对大功率、高速、重载的齿轮需求的目益增加，对齿 轮的性能要求不断提高。因此，研究新工艺、新材料在齿轮上的应用，提高齿轮 的质量和性能，降低生产和使用成本，减少噪音，减少能源和资源消耗具有十分 重要的意义，成为当前齿轮研究的重点之一。 “齿轮表面陶瓷生长工艺的研究”作为国家自然科学基金资助项目“表面陶 瓷齿轮工艺与性能的研究”( 编号：5 0 1 0 5 0 2 2 ) 的组成部分，主要研究齿轮表面陶 瓷的生长，实现陶瓷生长层与本体紧密结合，为高强度、高韧性、耐磨耐热、长 寿命的齿轮提供重要的理论依据和试验数据。本研究主要有以下几个方面的工作： 对3 2 c r 2 m o v 钢离子渗氮进行了研究。通过离子渗氮，提高了3 2 c r 2 m o v 钢表面硬度，并形成了一定深度的硬化层，为后续的多弧离子镀氮化钛( t i n ) 陶瓷 涂层提供了良好的支撑。 离子渗氮与多弧离子镀复合处理的研究，采用正交试验法，运用多弧离子 镀，在3 2 c r 2 m o v 钢渗氮基体上镀覆t i n 陶瓷，研究多弧离子镀各工艺参数对t i n 陶瓷性能的影响，优化出了一种工艺，并通过该工艺获得了性能优良的t i n 陶瓷 涂层。 对3 2 c r 2 m o v 钢、渗氮层及t i n 陶瓷进行了微观结构的分析，研究其结构 对整个材料性能的影响。研究了表面t i n 陶瓷材料的耐腐蚀性能。 对3 2 c r 2 m o v 钢氮化与复合处理试样进行了滚子试验，研究其摩擦磨损性 能，试验表明：材料经过复合处理后较氮化有更好的抗摩擦磨损性能。 制备出了表面陶瓷齿轮，为研究表面陶瓷齿轮的承载能力、磨损、疲劳等 性能提供了条件。 关键词：齿轮，氮化钛，陶瓷涂层，复合表面处理，正交试验，多弧离子镀 重庆人学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t g e a rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp o w e ra n dt r a n s m i s s i o n f o r m sf o rm a c h i n e r ya n dm e c h a n i c a le q u i p m e n t w i 血t h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n i n d u s t r y , ad e m a n do fh i g h - p o w e r , h i g hv e l o c i t ya n dh e a v yl o a dg e a r si si n c r e a s i n g , a n d t h er e q u i r e m e n t so ft h ep e r f o r m a n c eo fg e a r sa r ee m p h a s i z e d a sar e s u l t ，i ti so fg r e a t i m p o r t a n c et os t u d yt h en e wt e c h n o l o g ya n dm a t e r i a l s a p p l i c a t i o no ng e a r s ，i m p r o v e t h eq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fg e a r s ，r e d u c et h ec o s to f m a n u f a c t u r ea n du s e ，d e c r e a s e t h en o i s e ，e n e r g ya n dr e s o u r c ec o m s u m p t i o n i th a sb e e ne m p h a s i z e do ng e a rr e s e a r c h c u r r e n t l y “s t u d yo fc e r a m i cc o a t i n gd e p o s i t i o no nt h es u r f a c eo fg e a r sb yc o m p o s i t e t r e a t m e n t a so n eo ft h em a j o rp a r t so ft h ep r o j e c t ( 5 0 10 5 0 2 2 ) f i n a n c e db yn a t i o n a l n a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n ，ad e t a i l e ds t u d yi se a r n e do u to nt h ed e p o s i t i o no fc e r a m i c c o a t i n go r lg e a rs u r f a c ew i t hh i g ha d h e s i o n a n dp r o v i d ea c a d e m i ca n de x p e r i m e n t a l d a t af o rh i g hi n t e n s i t y , h i g ht o u g h n e s s a n t i w e a r , h i g ht e m p e rr e s i s t a n c eg e a r sw i m l o n g l i f e 。m a j o rw o r k si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s s t u d y0 np l a s m an i t r i d n go n3 2 c r 2 m o vs t e e l b yp l a s m an i t r i d i n g t h eh a r d n e s s o ft h es u r f a c eo f3 2 c r 2 m o vi si m p r o v e d ，a n dah a r d e n e dl a y e ri sf o u n d ，w h i c hp r o v i d e ag o o ds u p p o r tt ot i nc o a t i n gd e p o s i t e db ym u l t i a r ci o np l a t i n g r e s e a r c ho fp l a s m an i t r i n d i n ga n di o n p l a t i n gc o m p o s i t et r e a t m e n t ，b y o r t h o g o n a lt e s t ，d e p o s i tt i nc o a t i n go nt h es l l r f a e eo f3 2 c r 2 m o vs t e e la f t e rp l a s m a n i t r i d i n g ，t h ep a r a m e t e r so fm u l i t - a r ci o np l a t i n ga r ec o n c e t na n dt h ep r o c e s si s o p t i m i z e d w ec a na c q u i r et i nc o a t i n g sw i t hh i 啦p e r f o r m a n c eb yt h i sm e a n s t h em i c r o s t r u c t u r eo f3 2 c r a m o vs t e e l ，u i t r i d e dl a y e ra n dt i nc o a t i n ga r e a n a l y s i s e d t h ea n t i c o r r o s i o no f t i nc o a t i n g i sa l s oi n v e s t i g a t e d t oe x p l o r et h ef r i c t i o n a lw e a l - p e r f o r m a n c eo ft i nc o a t i n gar o l l e rt e s tw i t h 3 2 c r a m o vp l a s m an i t r i d i n ga n dc o m p o s i t et r e a t m e n ta r ei m p l e m e n t a t e d t h er e s u l t s i n d i c a t e3 2 c r 2 m o vs t e e lh a sb e t t e rw e a rr e s i s t a n c e s o m es u r f a c ec e r a m i cc o a t e dg e a r sa r em a d e , w h i c hi sag o o ds t a r tf o rt h e f o l l o w i n gr e s e a r c ho ng e a r s k e y w o r d s ：g e a r , t i n ，c e r a r a i cc o a t i n g ，c o m p o s i t es u r f a c et r e a t m e n t , o r t h o g o n a l t e s lm u l t i a r ci o np l a t i n g 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源及意义 本课题所做的研究是国家自然科学基金资助项目“表面陶瓷齿轮工艺与性能 的研究”( 编号：5 0 1 0 5 0 2 2 ) 的一部分。课题的主要研究目的是运用复合表面处理 技术实现齿轮表面陶瓷的生长。通过采用多弧离子镀技术，并通过在陶瓷与基体 之间增加离子渗氮层，在齿轮表面镀覆氮化钛陶瓷涂层。运用正交试验进行工艺 的优化，探索在金属齿轮表面生长一层高性能的氮化钛表面陶瓷涂层的优化工艺， 同时研究表面氮化钛陶瓷涂层的宏微观结构、界面应力测试及分析、陶瓷性能分 析，为高强度、高韧性、耐磨耐热、长寿命的齿轮提供重要的理论依据和试验数 据。 齿轮是传递动力、改变运动速率和运动方向的一种应用广泛的基本部件。即使 在2 1 世纪，齿轮在成套机械装备的传动系统中仍具有极其重要的作用。 现代工业的发展，对大功率、高速度、高可靠性的齿轮的需求日益增加。而 在一些特殊的领域对齿轮又有其苛刻的要求，如在航天、航空和潜海等领域，要 求齿轮具有大的传动比、高效率、低噪音、重量轻和尺寸小等特点。同时，随着 人们对环境保护和生活质量提出更高的要求，对节约资源和合理利用原材料以及 对产品的综合性能也越来越高。因此，研究新工艺、新材料在齿轮上的应用，对 于提高齿轮的质量和性能，降低生产和使用成本，减少能源和资源消耗、保护环 境具有十分重要的意义，成为当前齿轮研究的重点之一f l 】。 陶瓷作为新兴的耐磨材料还只有2 0 多年的历史。1 9 8 3 年的国际材料磨损会议 上提出了许多关于陶瓷材料磨损的研究报告，其中不少涉及到实际应用，此后陶 瓷耐磨材料研究得到迅速发展。由于陶瓷材料具有特殊优良的性能，包括高耐磨 和耐腐蚀能力、良好的高温稳定性及在相当宽的温度范围内具有较高的硬度，它 在高温和腐蚀介质中工作的摩擦副，其摩擦学性能远比其他金属材料优异，因而 在各种高效动力机械中有着广泛应用前景【2 ，3 。 以改善机械摩擦副的摩擦学性能为主要目的的新型物理气相沉积技术( p v d ) 己成为物理气相沉积技术的新发展趋势【4 l 。由于机械工业中的摩擦副零件主要是 中、低合金钢、碳钢等低温回火温度材料，通过新型p v d 技术可实现沉积过程的 低温化、复合化和多层化，有利于开发工艺技术在此类材料上的应用，同时此技 术的应用可以改善摩擦副的运动可靠性和寿命。此外，原来需要用高合金材料的 场合，由于采用该技术进行表面减摩、耐磨处理，可用低成本的材料代替，而达 到同等甚至更高的使用效果，最终实现了节能、节材及提高效率的目的，并产生 重庆大学硕士学位论文1 绪论 较大的社会经济效益。 传统的机械设计偏重于从结构上，从零件的刚度、强度及抗疲劳性能上进行 设计，较少重视零件表面性能的设计。传统的机械制造重在零件成型加工和零件 整体性能的处理，较少考虑表面处理。传统的选材原则重视零件整体材质的选择， 较少将基材的选用与表面材质的选用统筹考虑，表面工程的发展正在改变着这种 状况，为机械设计、制造、选材提供了新的思路。 表面工程是对零件表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性、沉积薄膜及其 复合处理与成型，来改变固体金属或非金属表面性能的系统工程。表面工程的发 展及广泛应用被认为是制造领域技术创新点之一，对提高机械零件的可靠性与使 用寿命，改善机械设备及仪器仪表的性能、质量，增强产品的竞争能力，促进国 外引进设备零部件及仪器设备的国产化以及在节能、节材等诸方面发挥着巨大的 作用，并取得了显著的经济效益和社会效益。 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造的 目标是使得产品在从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期 中，对环境的负影响最小，资源利用率最高。绿色制造从产品设计阶段就开始考 虑防止污染问题，以绿色的工艺、设备和严格的科学管理为手段，使废弃物最少 化，并尽可能地使废弃物资源化和无害化，从而使企业经济效益和社会效益达到 最优。发展表面工程对贯彻可持续发展战略，节约资源，保护环境有重要意义， 体现了绿色制造的内涵，有力地推动我国先进制造技术的发展。 采用表面工程的方法来解决齿轮的问题，通过在齿轮表面镀覆一层高性能的 陶瓷涂层，借以提高齿轮的质量和性能，基于齿轮的基体设计来控制齿轮表面性 能，充分发挥齿轮基体材料的潜能，适应了齿轮发展的要求，具有重要的研究价 值和实用意义”o 赳。 1 2 表面陶瓷齿轮的研究现状 工程陶瓷材料是极具有开发应用前景的材料，工程陶瓷材料具有高的强度和 硬度。尤其具有优照的耐热性，低的热传导性和热膨胀性和以及很高的耐磨性和 抗氧化能力。大量的研究表明陶瓷材料本身具有耐热，对金属磨损小。因此，用 陶瓷材料代替金属材料作耐磨零件可提高摩擦副的寿命，能满足一些对材料高温 和高耐磨，多功能要求的苛刻要求。当前，工程陶瓷材料已应用于制造发动机的 耐热件、机械传动中的耐磨件、化工设备中的耐腐蚀件及密封件，日益显示陶瓷 材料广泛的应用前景【 9 1 。各发达国家如德、日、美、英等国家非常重视工程陶瓷 材料的开发与应用。竟相投入大量的资金和人力，在工程陶瓷的加工理论和技术、 产品的开发与应用都取得了很大的发展u 。 2 重庆大学硕卜学位论文 1 绪论 作为种表而处理的新材料，陶瓷材料1 泛地用于活塞环、轴承，汽缸套等。 陶瓷的应用可显著提高产品的性能。如研制出的超硬膜活塞环j ，通过在活塞环 上镀覆一层厚度约o 3 8m 的氮化钛陶瓷，显著地提高了活塞环的寿命和精度。 有人 1 2 在轴承滑动表面镀覆氮化钛陶瓷，降低了轴承的摩擦系数，改善了轴承的 耐磨损性能，实现了轴承的水润滑。近二十年来，以氮化钛等为代表的硬质膜陶 瓷在首先在工具上获得了广泛的应用，取得了极大的成功，显著地提高了生产力 和产品的质量，成倍的延长了工具的寿命，提高了加工精度。目前硬质膜陶瓷在 工具、模具、机械零件、装饰件等领域都有应用 7 8 , 1 3 】。 作为机械传动中的重要零部件，齿轮在工j i 止中具有重要的地位，研究陶瓷在 齿轮上的应用具有重要的现实意义。但是，目前陶瓷在齿轮上的应用研究很少见 的，更没有在生产中发现陶瓷在齿轮上应用。 由于在高速重载或接近干摩擦的情况下，齿轮传动存在一些重大的问题。日 本y t e r a u c h i 等 1 4 】研究了用气相沉积法沉积碳化钛或氮化钛陶瓷齿轮的抗摩擦磨 损的能力。齿轮在镀覆之前，进行了渗碳和抛光处理，使齿轮表面硬度达到h v 7 2 0 左右，表面的粗糙度为2 4p l r i ，碳化钛陶瓷涂层通过化学气相沉积法f c v 跳制备， 氮化钛用物理气相沉积法( p v d ) 制备，陶瓷膜层厚度约为2um 。通过在有油和干 摩擦的情况下分别研究其摩擦磨损性能，都发现镀覆陶瓷涂层后齿轮副的抗咬合 性和抗划伤的能力大大增强了。 他们的研究是对表面陶瓷齿轮的尝试，但是没有见到他们和别人后续的研究。 在当时，c v d 技术较成熟，但是c v d 技术有它固有的缺点，那就是c v d 处理温 度一直在8 0 09 c 以上，零件处理需重新淬火呱1 。在当时，p v d 技术刚刚起步， 设备和工艺还不成熟。前处理渗碳也有其缺点，渗碳得到的渗碳层总有一层氧化 脱碳层、渗碳时间长、能量消耗大、污染环境。采用低碳合金钢制造的齿轮经过 常规渗碳或深层渗碳后其变形大，精度难以控制。所有这些，导致表面陶瓷齿轮 在使用过程中存在某些缺陷，如陶瓷与齿轮基体结合力，限制了表面陶瓷齿轮的 应用。经济因素应该也是一个重要的因素。 科学技术的发展，特别是陶瓷沉积设备与沉积工艺的发展为表面陶瓷也轮的 发展提供了新的契机。p v d 技术作为一种新型的表面强化技术已有2 0 多年的历史， 除了应用于切削工具的表面强化外，用以改善机械摩擦副性能的研究目前受到广 泛重视，是重点开发的领域【4 。通过合理选择陶瓷涂层材料的成分，设计涂层的结 构，优化陶瓷制备和加工工艺，克服其应力剥落问题，就可研制和开发出高性能 的陶瓷涂层齿轮。 当前，影响陶瓷在齿轮上的应用主要是陶瓷与基体之间的结合力问题。陶瓷 材料具有高硬度、低摩擦系数，耐腐蚀等优点，但是脆性大，难以获德较厚的涂 重庆人学碳十学位论文 1 绪论 层，需要硬度高、强度高的基体对材料予以支持，才能发挥其高硬度、耐磨耐腐 蚀等特点，所以这类涂层的材料多用于硬质合金及高速钢表面，对一般的合金工 具钢则难以应用。这主要是涂层和基体结合不牢，基体材料与涂层材料性质悬殊 太大，对陶瓷涂层支持不足，在使用中容易发生陶瓷涂层的脱落，非但不能发挥 陶瓷涂层的作用，有时甚至加大基体的磨损。 为了改善陶瓷与基体之间结合力，目前主要是采用复合表面处理u “。复合表 面处理是采用两种单独的表面次表面对基体材料表面进行改性，以产生不能通 过任何一种单纯的工艺所能达到的复合机械性能。目前在这方面的研究已经十分 成熟。 t j 与t i n 复合涂层通过引入t i 过渡层，降低了t i n 陶瓷与基体的残余内应力， 倥涂层与基体能更好地结合，增强了 t i n 陶瓷涂层与基体的结合力，同时还能提 高t i n 陶瓷粘着强度和抗腐蚀性能“。 化学镀n i p 与t in 的复合涂层【1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 通过预涂n i p 作为过渡层，然后 再沉积t i n 陶瓷涂层，研究表明，这种复合涂层表面硬度提高，涂层与基体的结 合力增强，抗摩擦磨损性能明显增强。 氮化和t i n 陶瓷复合涂层是在镀覆t i n 陶瓷之前对基体进行氮化处理，氮化 可以采用传统的气体氮化、一般的离子氮化、离子注入和等离子氮化等，其中以 等离子氮化的研究最多。等离子氮化和物理气相沉积t i n 复合涂层是8 0 年代由 k o r h o n e n 2 1 1 等人首先提出的。研究表明【2 2 , 2 3 ，等离子氮化和t i n 陶瓷复合涂层具有 高的结合力，同时抗摩擦磨损能力有显著的增强。与没有经过氮化的基体相比， 等离子氮化后铜更适合沉积陶瓷涂层。 采用纳米尺度的复合涂层，可以有效减小涂层中的应力，消除端面裂纹和微 小缺陷 2 ”，扩大复合涂层应用范围。 1 3 研究内容与方法 本研究作为国家自然科学基金资助项目“表面陶瓷齿轮工艺与性能的研究” ( 编号：5 0 1 0 5 0 2 2 ) 的重要组成部分，根据当前对齿轮表面的要求特提出以下几 个方面的研究内容与研究重点。 对3 2 c r 2 m o v 钢离予渗氮过程进行研究，分析离子渗氮对3 2 c r 2 m o v 钢钢 性能的影口向。 选取有代表性的高强度陶瓷材料氮化钛，采用离子渗氮与多弧离子镀复合 处理的方法，运用正交试验法，优化一种在3 2 c r z m o v 钢上的沉积工艺。生成的 氮化钛陶瓷涂层应具有很好的物理、化学、机械性能，沉积工艺具有很好的可重 复忱和稳定性。 t 重庆人学硕十学位论文 1 绪论 对所获得的氮化钛陶瓷涂层进行结构分析和性能实验，分析其硬度、强度、 耐麝性、耐腐蚀性、抗磨损、抗氧化、疲劳强度等物理、化学和机械性能，归纳 总结出工艺对各种性能的影响。 进行涂层与基体结合力的研究，结合力是关系到t i n 陶瓷涂层应用的一个 重要凶素。涂层与基体之间的结合力的强度既取决于界面的物理和化学相互作用， 同时也取决于界面区的微观结构，因此要进行界面设计与分析，探索涂层与基体 之间过渡层对其整体性能的影响。 在摩擦磨损实验机上对沉积了t i n 陶瓷涂层的试样和无沉积层试样进行摩 擦磨损等实验，分析工艺、涂层结构与整体性能的关系，分析沉积了t i n 硬质涂 层后材料性能的改善。 对表而复合处理试样进行耐腐蚀性能的研究。 运用优化工艺实现t i n 陶瓷在齿轮表面的沉积，制备出表面陶瓷齿轮。 重庆大学硕士学位论文 2 背景资料 2 背景资料 2 1 齿轮的研究与处理 据分析，我国齿轮存在的主要问题是精度低、生产效率低、使用寿命短，其中 使用寿命短的问题尤其突出。造成这些问题的主要原因是因为我国大部分齿轮仍以 软齿面齿轮为主，为了解决这些问题，目前我国齿轮的研究集中在承载能力、制造、 材料及热处理和润滑这几个方面【l j 。 齿轮在传动啮合时承受周期性的冲击力、弯曲应力、接触应力、和强烈的摩擦 力等多种综合作用力，因此其损伤形式多样，一般可分为五大类，其中比较严重的 损伤有三种【2 5 】：损坏性点蚀、断齿、损坏性胶合。为了提高齿轮的寿命，我们要求 齿轮需要具有高的抗弯曲疲劳强度、齿轮芯部要有高的强度和耐冲击性，齿面要有 高的硬度、高耐磨性和一定的抗腐蚀性能。目前在国际上对齿轮强度的研究主要集 中在齿形的改进和齿轮的表面处理等方面。 齿形的改进是从设计上以微分几何为基础，研究齿轮的几何学、运动学，形成 完整的、系统的齿轮啮合理论，进行齿形的优化与设计和新齿形的研究与开发。如 分开式双渐开线齿轮、点线啮合齿轮、圆弧齿线圆柱齿轮掣2 6 0 7 ，2 8 】。 齿轮表面处理是通过采用扩散、浸渗、涂覆、溅射、硬化等方法，改变表面层 的成份和组织或在其表面沉积镀层，使齿轮具有内部韧、表面硬、耐磨、耐热、耐 蚀、抗疲劳、抗咬合性和润滑等性能，从而显著地提高齿轮的寿命。目前齿轮表面 强化处理方法很多，除采用常规热处理手段外，日益成熟的各种表面强化的新技术 也获得了广泛的应用。在齿轮上的应用主要有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属、激 光表面强化、热喷涂等。气体渗碳一直是齿轮的主要表面强化技术之一，它使用广 泛，其质量优劣直接关系到齿轮产品性能的发挥。渗碳工艺是齿轮生产中的一道关 键工序，长久以来，对渗碳工艺的研究就一直是热处理界的一大热点。以渗氮技术 代替渗碳淬火尤其是采用深层离子可控渗氮，使齿轮在综合强度提高的同时，加工 精度无明显下降，是一种既经济又方便的强化技术1 6 2 9 j 。3 ”。 2 1 1 齿轮的受力状况及技术要求 齿轮是机器中传动功率和运动的重要零件，在各工业部门如机床、汽车、航空 等行业都广泛使用齿轮传动。齿轮传动具有传动比准确、传动平稳、传递运动工作 可靠，传动效率高，结构紧凑，使用寿命长等优点。 齿轮工作条件很复杂，在不同的工作条件下使用齿轮造成的失效特征是不同的。 根据齿轮工作的特点，在传递功率和运动过程中，轮齿在力的作用下，在齿根产生 弯凿应力，齿面产生接触应力，齿面间相对滑动摩擦而产生磨损。有时齿间存在闻 6 重庆人学硕士学位论文2 背景资料 隙，在啮合过程中还会产生冲击。齿轮主要失效特征是由于弯益力矩作用而造成齿 的变形和折断；由于接触应力而造成表面疲劳剥落和由于摩擦作用而造成的磨损， 即下面三种形式3 2 3 3 】： 1 ) 啮合齿面间的摩擦力及齿面磨损， 咬合磨损； 2 ) 啮合齿面的接触应力及接触疲劳， 剥落； 破坏形式为氧化磨损，冷咬合磨损和热 破坏形式有表面麻点，浅层剥落及涂层 3 ) 齿轮的弯曲应力及弯曲疲劳，破坏形式为弯曲疲劳破坏。 通过齿轮破坏形式的分析研究，可以得出，齿轮要求具有优良的耐磨性、抗接 触疲劳和抗弯曲疲劳性能。也就是说，齿轮表面硬度高、强度高、心部韧性好，硬 化层分布合理。 2 1 2 齿轮的失效 齿轮服役后，由于变形、齿面损伤和整体损坏等致使齿轮失去正常功能而失效。 齿轮失效原因复杂、失效形式多样。齿轮失效与齿轮所承受载荷的大小及性质有密 切关系【3 4 。 齿轮传动的失效形式主要有轮齿折断和齿面损伤两类。齿面损伤又有齿面接触 疲劳磨损( 点蚀) 、胶合、磨粒磨损和塑性流动等。 1 ) 轮齿折断【3 5 】 折断一般发生在齿根部位。折断有两种：一种是由多次重复的弯曲应力和应力 集中造成的疲劳折断；另一种是因短时过载或冲击载荷而产生的过载折断。两种折 断均起始于齿轮受拉应力一侧。 增大齿根过渡皓线半径、降低表面粗糙度、减轻加工损伤( 如磨削烧伤、滚切拉 伤) 、采用表面强化处理等，都有利于提高轮齿的抗疲劳折断能力。 2 ) 齿面接触疲劳磨损( 点蚀) p 郎1 点蚀是润滑良好的闭式传动的常见失效形式。由于齿面接触应力式交变的，应 力经多次反复后，在节线附近靠近齿根部分的表面上，会产生若干小裂纹，封闭在 裂纹中的润滑油，在压力作用下，产生禊挤作用而使裂纹扩大，最后导致表面小片 状剥落而形成麻点。点蚀将影响齿轮传动的平稳性并产生振动和噪声，甚至使齿轮 不能正常工作。 新齿轮在短期工作后出现的点蚀痕迹，继续工作不再发展反而消失的成为收敛 性点蚀。收敛性点蚀只发生在软齿面上，原因是轮齿初期工作时表面接触不够好， 在个别凸起处有很大的接触应力，但当点蚀形成后，凸起逐渐变平，接触面积扩大， 7 磊庆大学硕士学位论文2 背景资料 待接触应力降至小于极限值时，点蚀既停止发展。 随着工作时间的延长而继续扩展的点蚀称为扩展性点蚀。常在软齿面轮齿经跑 合后，接触应力高于接触疲劳极限值时发生。严重的扩展性点蚀能使齿轮在很短的 时间内报废。硬齿面轮齿不发生收敛性点蚀。原因是齿面出现小凹坑后，由于材料 的脆性，凹坑边缘不易被辗平，而是继续碎裂成为大凹坑，直至齿面完全破坏为止。 提高齿面接触疲劳强盗，防止或减轻点蚀的主要措施有：提高齿面硬度和降 低表面粗糙度值；在许可范围内采用大的变位系数和，以增大综合曲率半径： 采用粘度较高的润滑油；减小动载荷。 3 ) 齿面胶合1 胶合是比较严重的粘着磨损。高速重载传动因滑动速度高而产生的瞬时高温会 使油膜破裂，造成齿面闯的粘焊现象，粘焊处被撕裂后，轮齿表面沿滑动方向形成 沟痕。低速重载传动不易形成油膜，摩擦热虽大，但也不可能因重载而出现冷粘焊。 防止或减轻齿面胶合的主要措施有：采用角度变位齿轮传动以降低啮合开始 终了时的滑动系数：减小模数和齿高以降低滑动系数；采用极压润滑油； 选用抗胶合性能好的齿轮副材料；材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差； 6 ) 提高齿面硬度和降低表面粗糙度值等。 4 ) 齿面磨粒磨损1 3 9 】 当表面粗糙的硬齿于较软的轮齿相啮合时，由于相对滑动，软齿表面容易被划 伤而产生齿面磨粒磨损。外界硬屑落入啮合轮齿问也将产生磨粒磨损。磨损后，正 确齿形遭到破坏，齿厚减薄，最后导致轮齿因强度不足而折断。 对于闭式传动，减轻或防止磨粒磨损的主要措旌有：提高齿面硬度；降 低表面粗糙度值；降低滑动系数；注意润滑油的清洁和定期更换等。对于开 式传动，应特别注意环境清洁，减轻磨粒侵入。 5 ) 齿面塑性流动【4 叫 齿面较软的轮齿，重载时可能在摩擦力的作用下产生齿面塑性流动，从而破坏 正确齿形。由于在主动轮齿面的节线两侧，齿项和齿根的摩擦力方向相背，因此在 节线附近形成凹槽：从动轮则相反，由于摩擦力方向相对，因此在节线附近形成凸 脊。这种损坏常在低速重载、频繁起动和过载传动中见过。适当提高齿面硬度，采 用粘度较大的润滑油，可以减轻和防止齿面塑性流动。 根据齿轮的失效形式得出齿轮的计算准则如下1 3 4 ：闭式传动的齿轮，主要失效 形式是接触疲劳强度、弯曲疲劳强度和胶合。目前，一般只进行接触疲劳强度和弯 重庆大学硕士学位论文 2 背景资料 曲疲劳强度的计算。当有短时过载时，还应进行静强度计算。对于高速大功率的齿 轮传动，还应进行抗胶合的计算。开式齿轮传动，主要失效形式是弯曲疲劳折断和 磨粒磨损，磨损尚无完善的计算方法，故目前只进行弯曲疲劳强度的计算，用适当 加大模数的方法以考虑磨粒磨损的影响。有短时过载时，仍应进行静强度计算。 2 1 3 表面处理在齿轮上的应用 钢制齿轮常用的热处理主要方法有： 1 ) 整体淬火【4 1 整体淬火后再低温回火。常用材料为中碳钢，如4 5 、4 0 c r 等。表面硬度可以达 到4 5 h r c 5 5 h r c 。这种热处理工艺简单，但轮齿变形大，芯部韧度较低。质量不 易保证，不适于承受冲击载荷。热处理后必须进行磨齿、研齿等精加工。 2 ) 表面淬火 4 2 1 表面淬火后再低温回火。常用材料为中碳钢或中碳合金钢。表面硬度可达 4 8 h r c 5 4 h r c 。由于芯部韧度高，能用于承受中等冲击载荷。中、小齿轮可采用 中频或高频感应加热，大尺寸齿轮可采用火焰加热。火焰加热比较简单，但齿面难 于获得均匀的硬度，质量不易保证。因只在薄层表面加热，轮齿变形不大，可不进 行最后磨齿，但若硬化层较深，则变形较大，也应进行最后的精加工。 3 ) 渗碳淬火【4 3 】 冲击载荷较大的齿轮，宜于采用渗碳淬火。常用的材料有：低碳钢或低碳合金 钢，如1 5 、1 0 、1 5 c r 、2 0 c r m n t i 等。低碳钢渗碳淬火后，因其芯部强度降低，且 与渗碳层不易很好的结合，载荷较大时有剥落的可能，轮齿的弯曲强度也较低，重 要的场合宜采用低碳合金钢，其齿面硬度可达5 8 h r c - - - 6 3 h r c 。齿轮经渗碳淬火后， 轮齿变形较大，应进行磨齿。 4 ) 氮化 4 4 , 4 5 】 氮化是强化齿轮表层工艺之一，它是在低于钢的相变温度下进行的，因而齿轮 的变形量小，一般不需在磨齿，齿面硬度高，变形小，适用于内齿轮和难于磨削的 齿轮。常用的材料有：4 2 c r m o 、3 8 c r m o a l 等。由于硬化层很薄，在冲击载荷下容 易破碎，磨损较严重时也会因硬化层被磨掉而报废，故宜用于载荷平稳、润滑良好 的传动。氮化温度低、畸变小以及加工工序少而使成本降低的优点，极大地吸引着 齿轮制造者。 9 重庆大学硕士学位论文 2 背景资料 5 ) 碳氮共渗p 司 碳氮共渗工艺时间短，且有氮化的优点，可以代替渗碳淬火，其材料和渗碳淬 火的相同。 2 2 氮化处理 氮化处理始于1 9 2 3 年，其后随工业化的发展而迅速发展，目前流行的方法有 气体渗氮、液体浴渗氮和离子渗氮等，这些方法都获得广泛应用，并仍是技术开发 的活跃领域 4 刀。 2 2 1 氯化分类 1 ) 气体渗氮【4 7 ，8 】 气体渗氮是渗氮中最古老而又流行的一种化学热处理。它一直用于飞机和船舶 发动机中汽缸，高级机床主轴等的表面硬化。用氨( n h ，) 作为供氮介质渗氮时，是将 氨气通入加热至渗氮温度的密封渗氮罐中，使其分解出活性氮原子并被钢件表面吸 收、扩散形成一定厚度的渗氮层。氨气( n h 3 ) 在3 8 0 。c 以上与铁接触后分解出活性氮 原子( 即2 n t l 3 = 3 h 2 + 2 【n 】) ，它被钢件表面吸收并溶解在a f e 中形成固溶体。当含 氮量超过溶解度时，即形成氮化物f e n 和f e 2 n 等。 2 ) 液体渗氮 4 9 1 液体渗氮又叫盐浴渗氮处理是在1 9 4 0 年左右提出的渗氮方法，此法以氰化盐 ( i c c n 、n a c 为盐浴的主要成分，后经多次试验改进，其中以软氯化法获得最广泛 的应用。盐浴软氮化是在以钛作为内衬的坩锅中进行的，所用盐浴是氰化盐和氰酸 盐0 ( c n o 、n a c n o ) 的混合物，在处理过程中不断将空气吹入盐浴中，以使氰酸盐 浓度保持恒定。软氮化加热温度比气体渗氮高，通常为5 7 0 一5 8 0 左右。这种方 法的优点是可用于任何钢种，而且热处理时间短，一般为0 5 - 3 h 。最主要的缺点是， 无论原料、蒸气、废盐，都具有剧毒，而且废水中还含有氰根，对操作人员的健康 有害，甚至引起公害。为了减少毒性，其后又发展了一些无毒原料或少毒的液体软 氮化工艺。目前液体软氮化主要采用毒性较少的盐浴，无论何种盐浴都必须对废盐、 废水进行严格的消毒处理。 3 ) 离子渗氮 5 o 离子渗氮是一项可以显著提高钢铁零件表面抗磨，耐疲劳和耐腐蚀性的表面处 理工艺。它是在1 9 3 2 年由德国的b b e r g h a u s 发明的，1 9 6 7 年左右在德国和瑞士开 始被实用化，7 0 年代在我国迅速发展，由于渗透快，表面质量好，离子氮化有逐步 1 0 重庆人学硕士学位论文 2 背景资料 取代传统气体氮化工艺的趋势。 2 2 2 离子渗氮 1 ) 离子渗氮基本原理【1 6 , 5 0 , 5 1 如图2 1 是目前一种常用的渗氮炉，工件放在低真空度的离子氮化炉中，充以 低压含氮气体，以工件为阴极，炉壁为阳极，在阴阳极之间加上数百伏直流电压， 使两极间的稀薄气体被电离产生辉光放电。容器中由于电离产生大量的电子和离子， 正离子向作为阴极的工件运动，电子则飞向阳极。正离子在电场的作用下加速射向 阴极( 工件) 并与阴极位降区内的中性气体粒子一起与阴极( 工件) 表面相撞，其 动能一部分使工件加热升温，一部分则使工件表丽某些铁原子脱离基体飞溅出来， 产生“阴极溅射”。被溅射出来的铁原子与活性很强的氮原子结合形成中性的氮化铁 ( f e n ) 分子，并因凝附作用沉积到工件表面。在渗氮温度下f e n 分子又迅速分解为 含氮较低的f e 2 n 、f e 3 n 和f e 4 n 等各级氮化物并放出氮原子。一部分氮因扩散而进 入工件表面形成氮化层，另一部分则再次返回到等离子区域。这一过程连续不断的 进行，就是氮从等离子区进入工件表面的主要迁移形式。 试系统 图2 1 渗氮炉结构 f i g2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f n i t r i d i n gs t o v e 2 ) 离子氮化的工艺特点 渗层组织易于控制：可以通过对离子渗氮气氛组成、气压、流量、放电参数 和温度、时自j 的调控来获得高硬度的单项e 化合物，或高韧性的单项y ，化合物甚 至无化合物渗层，其脆性小变形小，往往可不经过磨削直接使用。 渗入速度高：比普通气体渗氮快1 2 1 3 。 适用的工艺温度范围宽( 4 0 0 6 5 0 c ) ：可以有效减小被加工制件的热应力 重庆大学硕士学位论文2 背景资料 和内应力释放防止制件变形。 适用于多种材料：离子氮化不仅可用于含c r 、灿、v 、t i 、m o 等低中碳结 构钢、热作模具钢、高合金工具钢，还可以处理铸铁、不锈钢、耐热钢、钛合金等。 工件精度稳定性高：在离子氮化过程中，随着渗层的增厚工件尺寸有所增加， 但是由于阴极溅射的作用尺寸又有所减少，相互抵消后尺寸变化甚微。 3 ) 离子氮化的性能优点 抗冲击力提高：离子氮化可以提高氮化工件的多次冲击抗力，这是由于渗氮 表层的残余应力所致。例如，曲轴、连杆热锻模的锻打次数比氮化前增加了3 0 以 上。 耐磨性提高：离子氮化后工件的耐磨性优于高频淬火，可与渗碳淬火相媲美。 但渗氮的扩散层厚度比渗碳层薄，因此离子渗氮经常作为最后一道工序使用，仅在 必要时进行精磨或研磨。对于汽车覆盖件模具，离子氮化作为最终热处理，氮化后 不再进行模具型面修磨或调整。 表面强度提高：离子氮化后的工件由于金属表面较大压应力的作用，其抗循 环交变应力的能力显著增加，有效地提高了材料的抗疲劳强度。氮化后零件的抗咬 合性与抗粘着能力也有很大提高。经离子氮化后的齿轮铝压铸模具( 3 c r 2 w 8 压铸 次数由原来的几十次增加至连续压铸4 5 0 0 次才出现轻微粘铝现象。氮化层表面硬度 高、氮浓度高，混合相层中e 比例大，可降低摩擦系数和材料的咬合倾向。 离子氮化可提高工件的抗大气腐蚀的能力 4 ) 离子渗氮的缺点 离子渗氮的缺点主要在于准确测定工件的温度比较麻烦，零件的形状，装夹方 式以及不同的零件同炉渗氮时，各部分的温度难以均匀一致。 2 3 物理气相沉积技术 2 3 1 物理气相沉积技术的一般方法5 ” 物理气相沉积是表面工程技术领域发展中处于前沿的一类技术，也是迄今表面 工程技术领域对环境和人类健康危害较少的较为清洁的一类技术，它广泛用于半导 体，电子，微电子等高薪技术领域。物理气相沉积包括真空蒸发沉积，溅射沉积， 电弧沉积，离子辅助沉积，离子植入以及离子镀。其中离子镀，真空蒸发沉积最为 成熟。物理气相沉积( p v d ) t i n 陶瓷涂层是应用最广泛的一种表面强化技术。由于 t i n 涂层具有高硬度、高粘着强度、低摩擦系数、好的抗腐蚀性的特点，已广泛应用 于工模具、装饰及需耐磨零件中。p v d 利用蒸镀材料或溅射材料来制备薄膜，同时 重庆火学硕士学位论文2 背景资料 采用电阻加热、电子束、离子束或激光束等新型能源作为蒸发源或溅射源。物理气 相沉积的基本方法及特点见表2 1 表2 1 物理气相沉积的基本方法及特点 t 曲l e2 1t h eb a s i cm e t h o d sa n df e a t u r e so f p v d 真空蒸镀溅射镀膜 离子镀 沉积粒子能培o 1 1 e v 1 l o e vo 1 l e v 沉积速度( um r a i n ) 0 1 - 7 00 0 1 - 4 ) 50 1 5 0 低温密度较低、 膜层密度密度大密度大 表面平滑 气孔少， 膜层气孔 低温时多无气孔，但膜层缺陷多 混合溅射时气孔多 膜层附着性般较好好 膜层应力拉麻力压应力 依工艺条件而定 电阻加热、电子束加 被沉积物质依靠阴极溅射由靶材 蒸发式、溅射式、 热、感应加热、激光加 的气化方式获得沉积原子 化学式 热 工件为阴极，蒸发源为 阳极。进入辉光放电空 工件不带电，在真空条 工件为阳极，靶为阴 间的金属原子离化后 件下，金属加热蒸发沉 极，利用氩离子溅射作奔向工件并在工件表 镀膜原理及特点 积到工件表面，沉积粒 用把靶材原子击出而 面沉积成膜。沉积过程 子的能量和蒸发时的 沉积在工件表面。沉积 中离子对工件表面。膜 原子的能量由被溅射 层和界面以及对膜层 温度相对应 原子的能量分布决定 本身都发生轰击作用。 离子能量决定与阴极 上所加的电压。 2 3 2 离子镀 离子镀始于1 9 3 8 年，离子镀是在真空的条件下，利用气体放电使气体和被蒸发 物质部分离化，在气体离子和被蒸发物质离子轰击作用的同时把蒸发物质和其反应 物沉积在基体上。离子镀把辉光放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜技术结合在一 起，它除了兼具有真空蒸镀和真空溅射的优点外，还具有沉积速度快、膜层附着力 将、绕射性好、可镀材料广泛等优点。它可以在金属和塑料、陶瓷等非金属上涂覆 重庆大学硕士学位论文 2 背景资料 单金属、合金、化合物及各种符合材料，使表面获得耐磨、抗蚀、耐热及所需特殊 性能，因而应用十分广泛，发展非常迅速 5 , 7 4 l 。 离子镀的基本过程四个重要的过程，即离子和原子轰击使吸附的杂质从基体表 面脱落而得到清洗；离子穿入并隐匿于基体和镀层；离子诱发基体和镀层的原子发 生溅射；基体原予和镀层原子发生反弹位移，使其相互混合。而且这一系列过程是 由离子镀设备在真空和气体放电的条件下完成的。这样的物理过程作用和物理效应 使离子镀层与基体的附着力极高，镀层更致密，很少甚至无空隙，化学成分适当。 一般来说，离子镀设备由真空室、蒸发源、高压电源、离化装置和安置工件的阴极 等部分组成。 根据膜材不同的气化方式和离化方式，可构成不同的离子镀膜类型。膜材的气 化方式有电阻加热、电子束加热、等离子电子束加热、高频感应加热、阴极弧光放 电加热等。气体分子或原子的离化和激活方式有辉光放电型。电子束型、热电子型、 等离子电子束型和高真空电弧放电型，以及各种形式的离子源等。不同的蒸发源和 激发方式又可以有多种不同的组合。目前，国内外常用的离子镀类型主要有：直流 二极型离子镀郾引、三极型离子镀 5 】、活性反应离子镀 州、空心阴极离子镀阁、多 弧离子镀5 j 5 8 2 。 2 ，3 3 多弧离子镀 多弧离子镀是一种在真空中将冷阴极自持弧光放电用于蒸发源的镀膜技术。由 于它是一种几乎完全的离子镀以及其它的一些特点，尤其适用于在金属表面制各各 种金属化合物膜层或高熔点的金属膜层，因此，自上个世纪8 0 年代初美国多弧公司 率先推出多弧离子镀设备以来，很快形成一股“多弧热”，成为目前最先进的镀膜技 术之- - ”。 多弧离子镀的特点是，阴极电弧源是一个高效率的离子源，金属离化率高达 6 0 0 一9 5 ；阴极电弧源既是蒸发源和离化源，又是加热源和轰击源，实现了一弧多 用。入射到基体上的粒子的能量高o o e v l o o e v ) ，因此膜层致密度高，附着力强； 金属阴极无融池，方位任意，可多源联合，基板转动机构简化：不需要工作气体， 反应镀膜时气氛控制亦是简单的全压力控制，设备结构简单。缺点是阴极弧源产生 液滴流和大颗粒，将导致膜表面粗糙，光泽程度差。 多弧离子镀是采用真空电弧放电的方法在固体的阴极靶材上直接蒸发金属，这 种装置不需要融池。图2 ，2 是多弧离子镀装置的示意图。将被