不同表面处理工艺的40Cr与涂层复合处理的组织与性能

摘要

齿轮作为在机械装备中重要基础部件之一，得到了广泛的应用。由于工作中受到弯曲应力、接触应力、冲击力等多种力的综合作用，齿轮极易产生失效而影响齿轮传动的稳定性、可靠性和寿命。根据统计，齿轮失效导致的各种机械故障占到60％以上，齿轮的应用环境复杂、载荷复杂，导致齿轮的失效形式也是多种多样。随着机械工业高速发展，齿轮技术向高速、重载、高可靠性方向发展，这就对齿轮性能提出更高的要求，开展齿轮材料和齿轮表面改性的研究成为重要的研究方向。　　课题主要对典型的中碳合金调质钢40Cr进行研究，在对40Cr基体渗氮的基础上进行物理气相沉积TiN、TiAlN涂层以及与强流脉冲电子束相结合的复合工艺，研究离子氮化40Cr表面沉积TiN、TiAlN涂层、电子束照射后表面沉积TiN、TiAlN涂层和电子束照射后表面沉积TiN、TiAlN涂层再电子束照射的组织与性能特征。　　经过研究可以得到以下结果：　　(1)离子氮化后物理气相沉积TiAlN与TiN涂层均匀致密、厚度均匀，与基体结合良好，TiN涂层主要组成是TiN与Ti2N，TiAlN涂层则主要由Fe4N、(Ti,Al)N和TiN等相组成。TiAlN和TiN的表面硬度分别达到3000HV0.2和2700HV0.2，比氮化表面高3倍多，TiAlN与TiN涂层结合力分别为17N和15N。　　(2)离子氮化40Cr表面沉积TiN、TiAlN涂层工艺，TiAlN的磨损量最低，在载荷15N时为离子氮化磨损量的32%，TiN的磨损量为离子氮化磨损量的58%；在相同的加载条件下，TiAlN涂层磨痕宽度均匀，TiN磨痕边缘涂层变形与剥落更加明显,涂层磨损严重。　　（3）40Cr经电子束在27kV不同次数照射后，表面产生典型的“熔坑”形貌，随着次数的增加熔坑数量呈先减少再增大的趋势，经过电子束照射和未经电子束照射XRD检测物相结果表明，电子束照射后出现新的物相γ-Fe，电子束照射后镀膜的物相主要是由TiAlN、TiN、AlN组成。　　（4）电子束照射后表面沉积TiN、TiAlN涂层，在27kV、45次时磨损体积最大为39.475×10-3mm3，在27kV、25次最小为24.11×10-3mm3。在27kV、25次电子束照射下的残余应力为495.5MPa,27kV、25次照射后涂覆TiAlN的残余应力值为27.4 MPa。电子束照射后的阳极极化曲线表明自腐蚀电流密度最小的是2号样也就是27kV、5次，说明2号样的耐蚀性能是最好的。电子束照射后镀膜的阳极极化曲线结果表明在27kV、35次参数下Icorr4=0.652μA/cm2说明试样耐蚀性能是最好。　　（5）电子束照射后表面沉积 TiN、TiAlN涂层再电子束照射工艺40Cr表面涂覆TiN经过15kV、5次电子束照射后的截面组织膜层与未照射状态相比厚度减薄，膜层连续，经过18kV5次照射后的截面涂层不连续。　　（6）40Cr表面涂覆TiN和TiAlN涂层后经过电子束照射后摩擦磨损的磨损体积，40Cr表面涂覆TiN涂层在18kV、5次时磨损体积最小为10.961×10-3mm3。40Cr表面涂覆TiAlN涂层在21kV、5次时最小为10.256×10-3mm3。

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1 绪论

1.1 课题来源及意义

1.2 强流脉冲电子束表面改性技术

1.3 物理气相沉积

1.4 TiN、TiAlN涂层

1.5 离子渗氮处理

1.6 论文的主要研究内容

2 实验材料、方法及设备

2.1 实验材料

2.2 离子渗氮处理

2.3 实验前材料预处理

2.4 实验设备

3 离子氮化40Cr涂覆TiN和TiAlN组织及性能研究

3.1 引言

3.2 表面形貌及粗糙度

3.3 组织与结构分析

3.4 离子氮化和离子氮化后涂层的截面硬度分析

3.5 离子氮化后涂层的结合力检测

3.6 纳米划痕

3.7 残余应力

3.8 摩擦磨损

3.9 阳极极化曲线

3.10 本章小结

4 电子束与TiAlN涂层复合处理组织及性能研究

4.1 引言

4.2 表面形貌及粗糙度

4.3 组织与结构分析

4.4 电子束照射后截面硬度

4.5 电子束照射不同次数后镀膜的结合力

4.6 纳米划痕结合力

4.7 纳米压痕

4.8 残余应力

4.9 摩擦磨损检测

4.10 阳极极化曲线

4.11 本章小结

5 40Cr表面电子束合金化组织与性能研究

5.1 引言

5.2 表面形貌及粗糙度

5.3 组织与结构分析

5.4 40Cr表面涂覆TiN和TiAlN后电子束照射的结合力分析

5.5 摩擦磨损检测

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录:个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果