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齿轮表面改性技术研究现状

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第23卷第2期2009年4月江苏科技大学学报(自然科学版)

JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.23No.2Apr.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(KK206015)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.E2mail:zjzoujs@public.zj.js.cnThestatusquoofgearsurfacemodificationtechnology

ZouJiasheng1,XuFeng1,LuLong2

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,ZhenjiangJiangsu212003,China)(2.CollegeofMechanicalEngineering,HuaihaiInstituteofTechnology,LianyungangJiangsu222005,China)

Abstract:Surfacemodificationtechniquesofcoatedgearscanintensifythesurfaceofgears,prolongitslife,and

developnewmachiningtechniques.Thispapersummarizedthemethodsofsurfacemodificationtechniqueson

coatedgearsandthecoatingmaterial.Thetechnicsofcoatinghadbeendevelopedfromthechemicalvapordepo2

sitiontothephysicalvapordepositionandplasmasourceionimplantation,inwhichduplex2coattechniquewasa

popularmethod.Thematerialofcoatinghadbeendevelopedfromsingletomulti2layerormulti2elementcoating.

Furthermore,theauthorsindicatedthedevelopingdirectionofsurfacemodificationtechniquesoncoatedgears.

Keywords:gears;surfacemodification;coatingmaterial;frictionandwear

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

(ChemicalVaporDeposition,CVD)、物理气相沉积技术(PhysicalVaporDeposition,PVD)、全方位离

子注入技术(PlasmaSourceIonImplantation,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TiC或TiN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

PVD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CVD法无法克服的高温软化问题.在PVD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.Mattox率先提出离子镀(Ion

Plating)技术.2年后,IBM公司研制出射频溅射法.离子镀、溅射镀与蒸镀构成了PVD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CVD和PVD相

比,PSII技术的处理温度更低,可控制在120℃对

20CrMo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　TiN陶瓷涂层离子镀TiN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

TiN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TiN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

Korhonen等人首先提出[8].文献[9-10]研究了在

32Cr2MoV钢齿轮基体上涂敷TiN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TiN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　32Cr2MoV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PVD复合镀TiN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TiN涂层

20世纪90年代,人们通过多层、多组元涂层设计来提高TiN涂层刀具的性能[11].近几年,在二元TiN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-Al-N,Ti

-B-N,TiN/Al2O3等.在TiN涂层中加入Al,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,TiN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(Tix,Cr1-x)N多组元涂层的研究中,研究结果存在争议.有人认为(Tix,Cr1-x)N涂层是以TiN为基,Cr只能以置换固溶体的形式存在于

TiN点阵中,不能作为独立的CrN相存在[12];另外一些研究表明:(Tix,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

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工程机械齿轮的表面改性层及其摩擦磨损性能

工程机械齿轮的表面改性层及其摩擦磨损性能

工程机械齿轮的表面改性层及其摩擦磨损性能

摘要：为了满足工程机械齿轮高硬度、常温和高温耐磨性的要求，采用双层辉光等离子表面改性技术在齿轮钢基体上制备了 W-Mo共渗层，对 W-Mo 共渗层的成分与显微形貌进行了分析，并与齿轮钢基体和固体渗碳层的硬度和耐磨性能进行了对比分析。

关键词：工程机械齿轮；表面改性层；摩擦磨损性能

随着中国制造 2025、工业4.0等概念的提出，工程机械制造领域迎来了巨大的发展机遇，由于工程机械齿轮需要长期在高载荷和高转速的苛刻环境中运行，同时工作温度已经提高至 350 ℃及以上，这对齿轮钢的表面性能提出了越来越高的要求。虽然采用传统热处理的方法可以实现齿轮钢的表面强化，但是提高幅度有限，且在高温作用下会发生软化而降低使用性能等。

一、试验材料及方式方法

近年来，随着表面改性技术的快速发展以及齿轮服役环境的日益恶化，高能束表面强化、离子注入等表面处理技术不断应用到齿轮上，虽然各自都取得了一定进展，但是又存在明显局限性，如激光淬火所需的设备大、成本高、扫描区之间存在软带，离子注入深度不足，改性层与基体结合力低等。双辉等离子表面冶金技术作为一种新型表面改性技术，在高速钢锯条、胶体磨、化工零件和低碳钢上都有成功应用，因此，本文拟以具有高熔点、高硬度的W、Mo元素为原料，采用双辉等离子表面改性技术在工程机械齿轮上制备W-Mo共渗层，其结果对于齿轮钢表面技术的发展以及齿轮服役性能的提高都具有重要的参考意义。选用商业16Cr3Ni WMo VNb E齿轮钢为试验原料。在进行表面改性处理前，采用线切割方法加工成 15 mm ×15 mm × 5 mm试样，60 ～ 800号砂纸逐级打磨后，采用金刚石研磨膏抛光后，清水冲洗后置于酒精中超声波清洗，然后吹干备用。分别对齿轮钢试样进行双辉W-Mo 共渗和固态渗碳: ①采用NMH-3 型双层辉光等离子表面冶金试验炉在试样表面制备W-Mo共渗改性层，源极材料为100 mm × 5 mm的20% W-80% Mo合金靶材，保护气为纯度高于99.6%的高纯氩气，温度 860 ℃、源极电压为 950 V、阴极电压500 V、气压 38 Pa、极间距18 mm，保温时间为 3 h;

国内齿轮研究现状及问题研究_赵韩

国内齿轮研究现状及问题研究_赵韩

第49卷第19期

2013年10月 机 械 工 程 学 报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.49 No.19

Oct. 2013

DOI：10.3901/JME.2013.19.011

国内齿轮研究现状及问题研究*

赵 韩 吴其林 黄 康 邱明明 刘 鹏

(合肥工业大学汽车技术及装备国家地方联合工程研究中心 合肥 230009) 摘要：简要回顾齿轮传动的历史和齿轮行业的发展。较系统地介绍了近年来齿轮技术新的发展和应用现状。着重阐述齿轮的齿形与结构、新理论在齿轮研究中的应用和计算机软件开发与应用三个方面的研究情况。齿轮的齿形与结构重点涉及齿轮的齿形齿廓、齿轮的性能指标、齿形修正和齿轮传动结构等四个方面；齿轮研究的新理论应用主要介绍了分形理论、弹流理论等目前结合应用较多的方向；计算机开发和应用方面则从计算机辅助设计、分析、检测与制造工艺等角度梳理了国内应用和发展的情况。提出了齿轮研究的发展需解决标准及检测问题、新理论应用研究的成果需要解决推广和知识固化问题、计算机软件的应用需要解决通用化和知识挖掘问题等解决思路。 关键词：齿轮 齿形 齿轮传动结构 理论 软件开发应用 中图分类号：TH132

Status and Problem Research on Gear Study

ZHAO Han WU Qilin HUANG Kang QIU Mingming LIU Peng

(Local and National Engineering Research Center of Automotive Technology and Equipment, Hefei University of Technology, Hefei 230009) Abstract：The history of the gear drive and development of the gear industry is briefy reviewed. The development and application status of gear technology is more systematically introduced in recent years, focuses on three study aspects of gear tooth figure and transmission structure, application of some new theories, and development and application of computer software. Gear tooth profile, performance, tooth correction and transmission structure are researched in the part of gear tooth figure. The current combined application such as fractal theory and elastic fluid theory is mainly introduced. Computer research of gear develops rapidly and application and development of the domestic situation is briefly combed from computer-aided design, analysis, testing and manufacturing processes perspective. Standards and testing issues need to be addressed in the gear research, knowledge to solidify and marketing problems are required to solve in the new theory application, and knowledge mining and generalized problem need to be solved in the computer software applications are proposed and related solutions are given. Key words：Gear Tooth figure Gear transmission structure Theory Development and application of computer software

齿轮表面微织构技术应用研究进展

齿轮表面微织构技术应用研究进展

齿轮表面微织构技术应用研究进展

作者：朱佳柏 杨晓红 杨澈 叶霞

来源：《江苏理工学院学报》2022年第02期

摘要：將一些特定的微结构应用于齿轮表面可以有效延长齿轮的使用寿命。本文介绍了齿面织构化技术，从常规工艺、激光刻蚀、电化学法三个方向例举了齿面微结构的制备方法;分别综述了齿面微结构对齿轮润滑性能、摩擦学性能、动力学性能的影响;分析了齿面微结构对改善齿轮润滑情况、减轻齿面磨粒磨损、优化齿轮工作性能的机理。最后，对齿面微织构的研究进展进行了总结，并从形貌选择、性能检测、加工方法三个方面展望了后续研究方向。

关键词：齿轮传动;微织构制备;机械性能;微观机理

中图分类号：TH132文献标识码：A文章编号：2095-7394（2022）02-0025-10

齿轮一般在机器中起到传递运动、力和扭矩的作用。某些大型器械上的齿轮不仅精度要求高、造价昂贵，而且往往是该器械的核心部件，这一类齿轮一旦损坏，不仅会造成巨大的经济损失，还会给操作人员带来巨大的安全隐患。随着我国工业的不断发展，对齿轮的性能要求越来越高，尤其是在高质量的高速重载齿轮方面。目前，更高精度的齿轮传动技术已成为制约我国顶尖机械国产化的瓶颈之一[1]。在齿轮传动过程中，齿轮摩擦界面的环境十分复杂，强大的应力、较高的温度以及乏油润滑等情况都易引发齿轮的失效。如果这些情况不被及时控制，齿轮的摩擦磨损会进一步加剧，产生更大的振动与噪音，进而危害机械的正常运转[2-5]。 如何改善齿轮工作界面的性能已成为近年来的研究热点，目前的方法有：（1）齿轮表面改性技术。如表面淬火[6]、喷丸强化[7]、渗碳渗氮[8]等。（2）表面涂覆技术。例如，通过激光熔覆法在齿轮表面涂覆一层纳米TiC梯度功能涂层，可以提高齿轮的耐磨性等[9]。（3）使用更好的润滑剂[10]。例如，在润滑剂中添加纳米TiO2和SiO2粒子能够在齿面形成一定厚度的表面吸附膜，提高了齿轮的耐磨性。（4）优化齿轮的加工工艺。比如，选取更好的齿轮材料[11]、使用更佳的加工方法[12]、采用更适合的齿轮修形方案[13]等。（5）表面织构化技术。人们把仿生学应用到摩擦学中，针对复杂工况下的齿面摩擦磨损等问题，参考大自然中的减摩减阻现象，提出了在齿轮表面添加微结构这一思路。该技术目前多应用于齿轮[14]、刀具[15]、活塞环-缸套[16]、密封装置[17]、滑动轴承[18]等领域，有效改善了工作表面的摩擦学性能。

空间齿轮传动副用材料离子注入改性工艺研究

空间齿轮传动副用材料离子注入改性工艺研究

２０１１年１２月　第３６卷第１２期　润滑与密封　

ＬＵＢＲＩＣＡ　Ⅱ０Ｎ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｄｅｃ．２０１ｌ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．１２　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１　１．１２．００９　

空间齿轮传动副用材料离子注入改性工艺研究　

蒋钊周晖桑瑞鹏霍丽霞　

（兰州空间技术物理研究所表面工程技术重点实验室甘肃兰州７３００００）　

摘要：对空间机械的齿轮传动副用材料进行Ｔｉ＋Ｎ离子注入表面改性研究，考察不同注入能量和剂量条件下的改　性材料的硬度和真空摩擦磨损性能，获得表面改性效果优异的离子注人工艺参数。结果表明，在注入能量为Ｔｉ　／４５　ｋｅＹ＋Ｎ　／６５　ｋｅＶ，注入剂量为７　Ｘ１０”ｃｍ　的工艺参数条件下，改性材料的真空摩擦学性能相对最好，表面改性效果　

最佳。　关键词：离子注人；空间齿轮传动副；真空摩擦学；摩擦磨损　中图分类号：ＴＨ１１７．１文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１１）１２—０３５—６　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｔｈ　Ｉｏｎ　Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　

ｔｈｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　Ｓｐａｃｅ　Ｇｅａｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｐａｉｒｓ　

Ｊｉａｎｇ　Ｚｈａｏ　Ｚｈｏｕ　Ｈｕｉ　Ｓａｎｇ　Ｒｕｉｐｅｎｇ　Ｈｕｏ　Ｌｉｘｉａ　

（Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｓｐａｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｇａｎｓｕ　７３００００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｓｐａｃｅ　ｇｅａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐａｉｒｓ　ｗｉｔｈ　Ｔｉ＋Ｎ　ｉｏｎｓ