齿轮表面改性技术研究现状

第23卷第2期

2009年4月

江苏科技大学学报(自然科学版)

Journal of J iangsu University of Science and Technol ogy (Natural Science Editi on )

Vol .23No .2Ap r .2009

齿轮表面改性技术研究现状

邹家生1

,许　峰1

,卢　龙

2

(1.江苏科技大学材料科学与工程学院,江苏镇江212003)

(2.淮海工学院机械工程学院,江苏连云港222005)

摘　要:齿轮表面改性技术对于齿面强化,延长齿轮的使用寿命和发展新型齿轮加工技术具有重要的意义.文中综述了齿轮表面改性技术的方法及涂层材料:涂层方法由最初的化学气相沉积法发展到物理气相沉积法和离子注入法.其中,复合表面处理是目前研究最多的一种方法;涂层材料也由单一涂层向多元涂层发展.在此基础上,提出了齿轮表面改性技术的研究发展方向.

关键词:齿轮;表面改性;涂层材料;摩擦磨损

中图分类号:TG174.4 文献标志码:A 文章编号:1673-4807(2009)02-0113-04

收稿日期:2008-07-11

基金项目:江苏省高技术研究资助项目(BG2007032);江苏省淮海工学院科研启动资助项目(KK 206015)作者简介:邹家生(1965—),男,浙江余姚人,博士,教授,研究方向为新材料及其连接技术.E 2mail:zjz oujs@public .zj .js .cn

The st a tus quo of gear surface m od i f i ca ti on technology

Zou J iasheng 1

,Xu Feng 1

,Lu Long

2

(1.School of Materials Science and Engineering,J iangsu University of Science and Technol ogy,Zhenjiang J iangsu 212003,China )

(2.College of Mechanical Engineering,Huaihai I nstitute of Technol ogy,L ianyungang J iangsu 222005,China )

Abstract:Surface modificati on techniques of coated gears can intensify the surface of gears,p r ol ong its life,and devel op ne w machining techniques .This paper summarized the methods of surface modificati on techniques on coated gears and the coating material .The technics of coating had been devel oped fr om the che m ical vapor depo 2siti on t o the physical vapor depositi on and p las ma s ource i on i m p lantati on,in which dup lex 2coat technique was a popular method .The material of coating had been devel oped fr om single t o multi 2layer or multi 2ele ment coating .Further more,the authors indicated the devel op ing directi on of surface modificati on techniques on coated gears .Key words:gears;surface modificati on;coating material;fricti on and wear

齿轮传动具有传动比准确,传递运动工作可

靠,传动平稳效率高,机构紧凑,使用寿命长等优点,在许多行业得到广泛使用.齿轮工作时的运动和受力情况非常复杂,由此产生的损伤形式多样,比较常见且对其性能影响较严重的损伤有3种:断

齿、破坏性胶合和破坏性点蚀[1]

.因此,要求齿轮的整体具有高的弯曲疲劳强度,心部要求高的强度和冲击韧性,齿面要求高硬度、高耐磨性和一定的耐腐蚀性.日本机械学会曾对涉及各行各业的齿轮传动失效实例进行过调查研究,发现因齿轮表面失效而引起的齿轮传动副失效的数量约占所调查对

象总数的74%[2]

.因此,提高齿轮表面强度已成为提高齿轮传动副的可靠性和延长其使用寿命的有效途径.为了达到这一目的,必须对齿轮进行表面

强化处理.除采用常规表面热处理手段外,日益成熟的各种表面强化新技术也获得了广泛应用.目前,齿轮表面强化处理技术主要有渗碳、渗氮、碳氮

共渗、渗金属、激光表面强化、热喷涂等[3]

.但对于具有特殊高性能要求的齿轮,如航空航天用途齿轮,单一的处理方式已不能满足其高疲劳强度、高弯曲强度、高红硬性、低摩擦磨损以及承受高速重载的性能要求,因此,一些新的表面强化技术被应用于齿轮研究领域,以适应发展的要求.

1　齿轮表面改性方法

齿轮表面强化技术利用陶瓷、合金涂层或超硬膜本身的高硬度、高粘着强度、低摩擦系数、良好耐腐蚀性等特点,采用电阻加热、离子束、激光束等能

114

　江苏科技大学学报(自然科学版)第23卷

源作为蒸发源或溅射源,在齿轮表面涂敷一层或多层涂层,以提高齿轮表面硬度,降低摩擦系数,增加耐磨性,延长齿轮使用寿命.利用涂层的这些特性,有望用水基代替油基润滑,不仅节约了成本,还对环境保护和可持续发展有着十分重要的意义.常用的涂层齿轮表面强化技术有:化学气相沉积技术(Che m ical Vapor Depositi on,CVD)、物理气相沉积技术(Physical Vapor Depositi on,P VD)、全方位离子注入技术(Plas ma Source I on I m p lantati on,PSII)等[4].

1.1　化学气相沉积法

文献[5]对涂层在齿轮上的应用做了开创性的探索研究工作,用CVD法沉积Ti C或Ti N陶瓷膜,通过在有润滑油和干摩擦的条件下,分别研究其摩擦磨损性能,发现镀覆陶瓷涂层后,齿轮副的抗咬合性和抗划伤能力都得到大幅强化.受条件所限,当时使用的CVD技术缺点也十分明显,即处理温度过高,通常保持在900～1100℃范围,超过了绝大多数齿轮材料的热处理温度,导致金相组织发生改变,整体硬度下降,需在表面改性处理后对齿轮重新淬火,增加了成本,尺寸精度也难以控制;且在高温下,基体材料晶粒长大,渗碳层形成氧化脱碳层,导致零件耐摩抗磨性能下降;还存在着渗碳时间长,能量消耗大,污染环境等问题[6].上述原因限制了CVD法制备表面涂层齿轮的应用,对其研究也基本停止.

1.2　物理气相沉积法

P VD技术作为一种新型的表面改性技术已有多年的实践,其工艺处理温度可控制在500℃以下,解决了C VD法无法克服的高温软化问题.在P VD 技术中,真空蒸镀技术出现较早,但由于膜与基体的结合力不强,多用于装饰和半导体元件.1963年,美国Sandia公司的D.M.Matt ox率先提出离子镀(I on Plating)技术.2年后,I B M公司研制出射频溅射法.离子镀、溅射镀与蒸镀构成了P VD的3大系列.

目前,真空离子镀技术获得极大的发展,已广泛应用在刀具、模具、活塞环等部件的处理上.与真空蒸镀和溅射镀等技术相比,离子镀具有结合性能好、绕射性能好、便于使膜材粒子散射在整个工件表面上、可镀材质广、沉积速率快等优点,离子镀还具有结合强度高、可多元成膜、可精确控制温度和涂层厚等优点.近年来,这一技术已应用到齿轮的表面强化处理.通过真空离子镀技术制备的涂层齿轮可大辐降低摩擦系数,提高耐摩擦抗磨损能力,该技术是目前齿轮表面强化技术领域研究的热点和重点.1.3　离子注入法

PSII就是将几万至几十万电子伏特的高能离子注入到齿轮表面,使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化,具有注入离子能量高、注入层与基体结合牢固、处理温度低等优点.与C VD和P VD相比,PSII技术的处理温度更低,可控制在120℃对20Cr M o钢齿轮进行表面强化处理,提高表面硬度和耐摩抗磨性[7].该技术处理温度低,齿轮不变形,基体的组织也未发生变化.其缺点是注入层深度不足,厚度仅达0.35～1.5μm,这也限制了其在齿轮表面强化技术上的应用.

2　涂层材料的发展

2.1　T i N陶瓷涂层

离子镀Ti N陶瓷涂层是目前应用最广泛的一种表面改性涂层,具有高硬度、高粘着强度、低摩擦系数、良好的抗腐蚀性等特点,已广泛应用在各个领域,特别是在刀具、模具行业.

影响陶瓷涂层在齿轮上应用的主要原因是陶瓷涂层与基体之间的结合力问题.由于齿轮的工作条件和影响因素远比刀具、模具复杂,致使单一的Ti N涂层在齿轮表面处理上的应用受到很大制约.陶瓷涂层具有高硬度、低摩擦系数、耐腐蚀等优点,但脆性大,且难以获得较厚的涂层,故需要硬度高、强度高的基体支撑涂层,才能发挥其特点.所以,陶瓷涂层多用于硬质合金及高速钢表面.而齿轮材料相对于陶瓷材料较软,基体材料与涂层材料性质悬殊,导致涂层和基体结合不牢,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,甚至脱落的陶瓷涂层颗粒形成磨粒磨损,增加磨损量.

目前的解决方法就是采用复合表面处理,改善陶瓷与基体之间结合力.复合表面处理指物理气相沉积涂层与其它表面处理工艺或涂层相结合,采用两种单独的表面/次表面对基体材料表面进行改性,以获得通过单一表面处理工艺所不能达到的复合机械性能.

离子氮化和物理气相沉积Ti N复合涂层是目前研究最多的一种.它最早在20世纪80年代由K orhonen等人首先提出[8].文献[9-10]研究了在32Cr2Mo V钢齿轮基体上涂敷Ti N复合涂层,经过正交法实验优化32Cr2MoV钢的复合表面处理工艺.研究表明:等离子氮化基体和Ti N陶瓷复合涂层具有强的结合力,抗摩擦磨损能力得到显著增加.与没有经过离子氮化处理的基体相比,等离子氮化后,

第2期邹家生,等:齿轮表面改性技术研究现状115

　32Cr2Mo V钢更适合沉积陶瓷涂层.此外,笔者对40Cr

钢齿轮材料进行离子氮化和P VD复合镀Ti N涂层研

究,结果表明,复合镀膜处理后表面光滑平整,陶瓷涂

层与基体的结合力良好,减摩抗磨效果明显.

2.2　多层、多组元T i N涂层

20世纪90年代,人们通过多层、多组元涂层

设计来提高Ti N涂层刀具的性能[11].近几年,在二

元Ti N涂层基础上研制出的一些多组元涂层或多

层涂层,如Ti-C-N,Ti-C-N-B,Ti-A l-N,Ti

-B-N,Ti N/A l2O3等.在Ti N涂层中加入A l,Si等

元素可以提高其高温抗氧化性及硬度,加入B元

素等可提高其硬度及附着强度,Ti N沉积在Ti衬

底上具有较高的附着力和较高的耐腐蚀性等.

由于多组元成分的复杂性,对此研究也存在很

多争议.在对(Ti

x ,Cr1-

x

)N多组元涂层的研究中,

研究结果存在争议.有人认为(Ti

x ,Cr1-

x

)N涂层是

以Ti N为基,Cr只能以置换固溶体的形式存在于Ti N点阵中,不能作为独立的Cr N相存在[12];另外

一些研究表明:(Ti

x ,Cr1-

x

)N涂层中Cr原子直接

置换Ti原子数量有限,其余的Cr则以单质态存在

或与N形成化合物[13].相关实验结果表明:涂层中添加Cr能减小表面颗粒尺寸,提高硬度,当Cr的质量百分含量达到31%时,涂层硬度达到最高值,此时涂层的内应力也最大.

由于齿轮表面改性技术与刀具、模具相比,研究起步比较晚,但性能要求有共性,可以利用后发优势,充分利用刀模具表面改性新技术,将这一多组元、多层涂层技术应用到齿轮表面改性中,成为齿轮表面改性的发展方向.

2.3　其它涂层

除了Ti N涂层外,WC/C,B

4

C膜等其它陶瓷涂层材料在齿轮表面上应用也得到关注.文献[14]利用P VD技术在FEZ-A和FEZ-C齿轮表面沉

积WC/C与B

4

C薄膜,实验表明:P VD镀层显著减少摩擦,不易出现热胶接或胶合,提高2～3个系数的载荷能力.文献[15]尝试利用P VD涂层的优良减摩抗磨性能,取消润滑油,进行干摩擦实验研究,取得了良好的实验效果.

目前,超硬膜也日益受到世人瞩目,它是指硬度大于40GPa、具有优异的抗摩擦磨损性能、高热导率、低摩擦系数和热膨胀系数的固体薄膜,主要是非晶金刚石膜和C-N膜.非晶金刚石膜(Amor2 phous D ia mond Fil m)具有非晶特性,没有长程有序结构,含有大量C-C四面体键,所以也常被称为四面体非晶碳膜(Tetrahedral Amor phous Carbon Fil m,ta-C)[16].类金刚石涂层作为一种非晶碳膜,具有诸多类似于金刚石的优良特性.如热导率

高、热膨胀系数小、化学稳定性好、高硬度和弹性模量、良好耐磨性及低摩擦系数等.研究表明在齿轮表面涂覆类金刚石膜后,其使用寿命延长了6倍,抗疲劳性能有显著提高.

国内有学者对C-N薄膜在20Cr M o钢齿轮上应用做了相关研究,并与P VD法镀Ti N涂层进行比较研究.齿轮的摩擦磨损实验表明:在相同条件下,采用多弧离子镀方法在渗碳淬火齿轮表面镀Ti N涂层时,处理温度高于20Cr M o钢的回火温度,导致齿轮回火,基体硬度降低,抗磨性能急剧降低;而采用磁过滤弧源沉积的方法在齿轮表面沉积的C-N涂层由于其温度低,不会产生回火现象,基体的金相组织和表面硬度基本未改变,显著提高了齿轮的减摩抗磨性[7].

合金耐磨涂层也被尝试应用在齿轮上,例如在45#钢齿轮齿面电沉积N i-P-Co合金层,使合金层获得超细晶粒组织,可以显著提高其接触疲劳强度,延长接触疲劳寿命达1.144～1.533倍.当N i-P-Co合金层在400～500℃温度下热处理,合金沉积层结构产生变化,合金层中P原子偏聚富集,与N i生成N i

3

P,合金沉积层为N i和N i3P的混合物,合金层显微硬度提高[17].还有学者研究在Cu-Cr-P新型合金铸铁齿轮齿面涂镀Cu金属层和N i-W合金涂层,提高其接触疲劳强度.在HT250铸铁齿轮齿面上涂镀N i-W和N i-Co合金涂层,与未涂镀的相比,可以提高铸铁齿轮的耐磨损性能达4～6倍[18219].

3　结论

齿轮表面改性技术对于齿面强化,延长齿轮的使用寿命和发展新型齿轮加工技术具有重要的意义,已经逐渐成为国内外研究高性能齿轮的热点.但目前的研究仍处在探索阶段,要使齿轮表面改性技术进一步完善并实用化,尚有许多工作需要开展.研究的热点主要集中在以下方面:

1)开展齿轮表面涂敷多层复合Ti N陶瓷涂层的工艺研究,以进一步减小涂层内应力,增大涂层厚度,增强涂层附着力,实现涂层齿轮的工业化应用.

2)研究新型的多层、多元高硬度、高韧性涂层在齿轮表面的沉积工艺及其对齿轮性能的影响.如

将新型Ti-B-N,(Ti

x

,Cr1-

x

)N等多元复合涂层引入齿轮表面改性工程.

3)研究涂层加工过程中的热影响以及不同的

116

　江苏科技大学学报(自然科学版)第23卷

涂层厚度对齿轮尺寸精度、传动性能的影响.

4)研究中低合金钢、铸钢等不同材质齿轮的表面改性技术,拓展此项技术的应用范围.

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(责任编辑:顾　琳)