氮化鈦涂層的齒面制備工藝及其對(duì)齒輪承載能力的影響.pdf

1、齒輪高速、重載、重量輕、小尺寸的發(fā)展趨勢(shì)使得采用傳統(tǒng)表面強(qiáng)化方法增加齒面硬度和增大齒輪模數(shù)來改善齒輪承載能力的方法面臨很大的局限,在特殊條件下,當(dāng)要求比較高時(shí),需要尋找新型的高性能齒輪材料和表面強(qiáng)化方法。本文針對(duì)齒輪承載能力進(jìn)行研究,特別對(duì)齒輪表面沉積涂層的耐磨性、摩擦性能以及機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了深入研究,以確定齒輪表面工程對(duì)其承載能力的影響。在常用的陶瓷涂層中,氮化鈦(TiN)具有硬度極高、摩擦系數(shù)低、耐磨性、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),是目前在工具行

2、業(yè)中應(yīng)用最為普遍、技術(shù)最為成熟的陶瓷涂層。本文來源于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“表面陶瓷齒輪工藝特性與承載能力的研究”(50375164)和“表面陶瓷齒輪工藝與性能的研究”(50105022),選擇TiN陶瓷涂層作為研究對(duì)象,通過理論和試驗(yàn)研究探討在齒輪表面制備TiN陶瓷涂層的工藝及其對(duì)齒輪承載能力的作用,為新型齒輪表面強(qiáng)化工藝的研究提供有益的經(jīng)驗(yàn)。論文的主要工作有:(1)通過接觸有限元分析確定齒輪的應(yīng)力場(chǎng),確定齒輪臺(tái)架試驗(yàn)的載荷。分析齒輪在

3、不同摩擦力下的接觸應(yīng)力特征。(2)根據(jù)齒輪材料及其處理工藝的特殊性,結(jié)合TiN涂層制備工藝的特點(diǎn),提出齒輪表面制備TiN陶瓷涂層的技術(shù)路線。(3)選擇不同的齒輪材料通過優(yōu)化工藝試驗(yàn),在金屬齒輪表面涂鍍TiN涂層,確定適合TiN制備的齒輪材料。(4)結(jié)合摩擦磨損和沖擊試驗(yàn),考察TiN陶瓷涂層的耐磨性、減摩特性以及對(duì)基體韌性的影響。(5)通過摩擦力分析、彎曲性能分析,探討TiN涂層對(duì)輪齒承載能力的影響。(6)通過接觸疲勞試驗(yàn)和齒輪臺(tái)架試驗(yàn),

4、分析齒輪表面涂鍍TiN涂層后的表面承載能力。通過以上理論和試驗(yàn)分析表明,不同成分的鋼離子氮化后沉積TiN,表現(xiàn)出的摩擦性能有一定的差異,32Cr2MoV齒輪的耐磨性最好。承載條件下的齒輪,其表面的摩擦力對(duì)接觸應(yīng)力有一定的影響,TiN涂層對(duì)于齒輪表面承載能力的有利作用主要取決于涂層高的硬度等力學(xué)性能。彎曲實(shí)驗(yàn)研究表明,TiN涂層對(duì)輪齒的剛度有提高作用,但幅度極小,涂層不影響輪齒的彎曲性能。對(duì)比有無TiN涂層的32Cr2MoV的沖擊韌性試驗(yàn)

5、,結(jié)果表明TiN在沉積過程中因?yàn)闇囟容^低沒有影響材料芯部的韌性,但是確實(shí)能夠改變材料表面的硬度和耐磨性能,也能一定程度上提高了材料的韌性。32Cr2MoV涂鍍TiN后提高了齒面的殘余壓應(yīng)力,有助于提高涂層/基體的結(jié)合強(qiáng)度,從而減少接觸載荷的破壞作用。采用線接觸滾子式接觸疲勞試驗(yàn)對(duì)比了離子氮化32Cr2MoV和TiN涂鍍的32Cr2MoV接觸疲勞強(qiáng)度,采用齒輪箱實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)比了TiN對(duì)齒面耐磨性的影響,TiN涂層提高了齒面的接觸疲勞強(qiáng)度,改

6、善了齒面耐磨性和抗劃擦性能。論文的研究工作,進(jìn)一步豐富了齒輪表面強(qiáng)化的方法及理論,為涂層技術(shù)在齒輪表面的應(yīng)用提供了有益的研究成果。論文的創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下方面。(1)研究新型陶瓷涂層及其制備工藝和齒輪材料及熱處理工藝的匹配問題,選擇不同的齒輪材料通過優(yōu)化工藝試驗(yàn),在齒輪表面生長(zhǎng)TiN涂層。在國內(nèi)首次提出離子氮化齒輪表面制備TiN陶瓷涂層的技術(shù)路線。(2)在國內(nèi)首次進(jìn)行系統(tǒng)的離子氮化齒輪涂鍍TiN涂層的摩擦磨損和沖擊試驗(yàn),考察離子氮化齒輪涂