基于低温表面改性技术提高齿轮传动副性能的研究

摘要

齿轮传动是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。随着现代科学技术的发展，人们对齿轮副提出了满足极端苛刻的工作条件及环境友好的要求。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，减少污染，减少能源和资源消耗等具有十分重要的意义，成为当前齿轮研究的重点之一。 本课题是重庆大学211工程资助项目“基于PVD技术提高传动副零件表面性能的研究”的一部分，也是重庆大学机械传动国家重点实验室开放基金项目、重庆大学与延边大学合作研究项目的主要研究内容。本文主要研究利用多弧离子镀技术和磁过滤弧源沉积技术在齿轮表面沉积薄膜，以提高齿轮的表面性能。在由20CrMo制造的渗碳直齿圆柱齿轮表面分别制备TiN陶瓷膜以及C:N超硬膜，并在齿轮传动实验台上进行了实验研究。结果表明：齿轮表面上覆C:N薄膜后，在1 800 rpm,12 N.m的工况下,连续运行50 h，对齿轮表面在体式显微镜下进行观察, 薄膜无明显破损，而未覆膜的淬火齿轮表面已经失效。因此，齿轮表面覆膜对提高齿轮的表面性能是十分有效的，也是切实可行的。同时，本文的研究也探讨了PVD技术在齿轮传动中应用时出现的问题。如应用常用的多弧离子镀技术在齿轮表面涂覆TiN膜，因温度太高导致渗碳淬火齿轮表面硬度因回火而降低，根本无法正常使用。本文采用直流磁过滤弧源沉积的方法对齿轮表面进行覆膜，实现C:N涂层与金属基体紧密结合，并进行了齿轮台架实验研究，为高强度、长寿命的环保齿轮传动进行了有益的探索和尝试。 本研究主要有以下几个方面的工作： ① 对20CrMo齿轮和同样材质的试块进行整体渗碳淬火处理。通过渗碳淬火处理，提高了20CrMo齿轮表面硬度，并形成了一定深度的硬化层，为后续的多弧离子镀氮化钛(TiN)陶瓷涂层和直流磁过滤弧源沉积镀C:N涂层提供良好的支撑。 ② 分别采用多弧离子镀和直流磁过滤弧源沉积两种成膜方法在齿轮和试块表面覆氮化钛(TiN)陶瓷涂层和C:N超硬涂层。 ③ 用XJP–6A型金相显微镜观察齿轮覆膜前后的组织结构，并拍摄了金相结构照片，分析其微观结构。 ④ 用硬度仪分别测量出没有镀膜以及镀氮化钛(TiN)陶瓷涂层和C:N涂层的齿轮的硬度变化。 ⑤ 用扫描电镜测膜厚，并对膜的结合力进行了测试。 ⑥ 利用球盘实验机对沉积在试片表面上的薄膜进行摩擦磨损实验研究。 ⑦ 搭建了齿轮传动实验台，并分别对渗碳淬火齿轮、沉积氮化钛(TiN)陶瓷齿轮和C:N涂层齿轮在齿轮传动实验台上进行了实验研究。用体式显微镜对实验前后齿轮表面进行观察，并测试其实验前后齿轮重量变化情况和公法线长度变化情况。 试验结果表明：齿轮经过直流磁过滤弧源沉积处理后较没有处理和用多弧离子镀方法镀氮化钛(TiN)涂层具有更好的减摩抗磨性能。