齿轮镀膜技术概述

1、齿轮镀膜引言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，要求齿轮具有较高的弯曲疲劳强度，心部要求具有较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。据调查研究发现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总数的742。因此，提高齿轮表面强度是提高齿轮传动副可靠性和延长齿轮使用寿命的关键。为了达到提高齿轮表面强度这一目的，目前除传统热处理方法外，还有渗碳、渗氮、碳

2、氮共渗、渗金属、激光表面强化、热喷涂、离子注入、物理气相沉积、化学气相沉积等表面强化技术3，主要是利用陶瓷、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，通过表面强化技术在齿轮表面涂覆一层或多层涂层以提高齿轮表面性能、延长其使用寿命 。PVD沉积技术作为新型表面改性技术已有多年的实践，尤其是真空离子镀技术，在近几年获得了极大的发展，目前已广泛应用在刀具、模具、活塞环、齿轮等部件的处理上。通过真空离子镀技术制备的涂层齿轮可大幅降低摩擦系数，提高耐磨性和一定的耐腐蚀性，已成为齿轮表面强化技术领域研究的重点和热点4。齿轮常用材料主要为锻钢、铸钢、铸铁、有色金属（铜、铝）和

3、塑料。钢材主要有45钢、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB、38CrMoAl，低碳钢中主要使用20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnTo。锻钢由于性能较好，因此在齿轮上应用较广泛，而铸钢通常用于制造齿轮直径400mm、结构复杂的齿轮。铸铁齿轮抗胶合及抗点蚀能力强，但缺乏抗冲击耐磨性，主要用于工作平稳、功率不大低速或尺寸较大形状复杂时，能在缺少润滑的条件下工作，适于开放式传动。有色金属中常用的是锡青铜、铝铁青铜和铸造铝合金，常用于制造涡轮或齿轮，但滑动性和抗摩擦性能较差，只用于轻、中载荷和中低转速齿轮。非金属材料齿轮主要用于某些具有特殊要求，比如无油润滑、可靠性高。污

4、染小等条件的领域，像家用电器、医疗器械、食品机械和纺织机械等。1.齿轮失效形式1.1疲劳断裂疲劳是指材料、零件和构建在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。疲劳可分为三个阶段：（1）微观裂纹阶段 在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生与表面或近表面区，该区存在的滞留滑移带、晶界和夹杂逐渐发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。伺候，裂纹沿着与主应力约成45角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在0.05毫米以内；（2）宏观裂纹扩展阶段 裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。（3）瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存

5、截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。此外，零件或构件因工况不同，还有不同的疲劳模式，最常见的有接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳。对于齿轮来说，主要是接触疲劳。接触疲劳是零件在高接触压应力反复作用下产生的疲劳，经多次应力循环后，零件的工作表面局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑。接触疲劳会使零件工作时噪声增加、振幅增大、温度升高、磨损加剧，最终导致零件失效，如图1所示。 图 1 齿轮疲劳断裂1.2齿面磨损在轮齿间相互啮合的过程中，齿轮表面的材料在接触过程中发生摩擦造成损失，这种现象叫做齿轮磨损齿轮的磨损涉及齿轮材料的成分、力学性能、齿轮的形状、承受载荷、润滑状况

6、等条件，是一种诸多因素共同作用造成的失效形式。图2 齿面磨损1.3齿面胶合胶合通常出现在软齿面齿轮传动中，胶合的发生与时间无关，一般是由瞬间超载、温升过高或润滑方式不适合等引起，从而导致齿轮表面擦伤或磨损，齿面胶合具有突发性，因此其危险性较高，是重载齿轮和高速齿轮在传动过程中必须重视的失效形式。 图3 齿面胶合2. 齿轮镀膜材料工程陶瓷材料是极具有开发应用前景的材料，工程陶瓷材料具有高的强度和硬度，尤其具有优良的耐热性，低的热传导性和热膨胀性和以及很高的耐磨性和抗氧化能力。大量的研究表明陶瓷材料本身具有耐热，对金属磨损小等特点。因此，用陶瓷材料代替金属材料作耐磨零件可提高摩擦副的寿命，能满足一

7、些对材料高温和高耐磨，多功能等苛刻要求。当前，工程陶瓷材料已应用于制造发动机耐热件、机械传动中的耐磨件、化工设备中的耐腐蚀件及密封件，日益显示陶瓷材料广泛的应用前景5-7。各发达国家如德、日、美、英等国家非常重视工程陶瓷材料的开发与应用，竞相投入大量的资金和人力，发展工程陶瓷的加工理论和技术8。德国已推出了一个名为“SFB442”的计划，其目的是利用PVD 技术，在零件表面合成适当的薄膜以替代对环境和人体有潜在危害的润滑介质。德国的P.W.Gold 等人利用SFB442 计划的资金资助，应用PVD 技术在滚动轴承的表面沉积薄膜，发现滚动轴承的抗磨性能明显提高，表面沉积的薄膜完全可以替代极压抗磨

8、添加剂的功能。德国的Joachim,Franz 等人利用PVD 技术制备WC/C 薄膜展示了极好的抗疲劳性能，高于含有EP 添加剂的润滑油，这个结果同样得出了用涂层替代有害添加剂的可能性。德国亚琛技术大学材料科学学院的E.Lugscheider 等人在DFG（German Research Commission）的资助下，在100Cr6钢上利用PVD 技术沉积适当的薄膜后，证明其抗疲劳强度显著提高。另外，美国通用汽车公司已开始在其VolvoS80 Turbo 型汽车的齿轮表面沉积薄膜以提高抗疲劳点蚀能力；著名的Timken 公司已推出命名为ES200 的齿轮表面薄膜；注册商标为MAXIT 的齿

9、轮涂层已在德国出现；注册商标分别为Graphit-iC 和Dymon-iC 的齿轮涂层在英国也已出现。作为机械传动中的重要零部件，齿轮在工业中具有重要的地位，因此研究陶瓷材料在齿轮上的应用具有非常重要的现实意义。目前，应用于齿轮上的工程陶瓷主要有以下几种。2.1 TiN 图4.镀TiN齿轮离子镀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

10、上的应用受到很大制约。陶瓷涂层虽然具有高硬度、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，基体与涂层性质差异较大，因此涂层和基体结合较差，对涂层支持不足，使得涂层在使用过程中容易发生脱落，非但不能发挥陶瓷涂层的优势，反而脱落的陶瓷涂层颗粒会对齿轮造成磨料磨损，加快齿轮的磨损失效。目前的解决方法是采用复合表面处理技术，改善陶瓷与基体间结合力。复合表面处理技术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

11、得单一表面处理工艺所不能达到的复合机械性能。通过离子氮化和PVD沉积TiN复合涂层是目前研究最多的一种复合涂层，等离子氮化基体与TiN陶瓷复合涂层具有较强的结合力，且耐磨性得到显著提高。据文献所述，具有优良耐磨性和膜基结合力的TiN膜层的最佳厚度约为34m，若膜层厚度小于2m，则耐磨性提升不明显；若膜层厚度大于5m则膜基结合力下降9。2.2多层、多组元TiN涂层随着TiN涂层应用的逐渐广泛，对如何改善和提高TiN涂层的研究越来越多。近些年来，人们在二元TiN涂层的基础上研制出了多组元涂层和多层涂层，如Ti-C-N，Ti-C-N-B，Ti-Al-N，Ti-B-N，(Tix,Cr1-x)N ，Ti

12、N/Al2O3等10。通过向TiN涂层中添加Al、Si等元素，可以提高涂层的抗高温氧化性及硬度，而加入B等元素可提高涂层的硬度和附着强度。图5 多层、多组元TiN膜齿轮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，研究结果存在较大争议。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，而不能作为独立的CrN相存在11；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。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

13、，当Cr的质量百分含量达到3l时，涂层硬度达到最高值，但涂层的内应力也达最大值。龚海飞等12对TiN/Ti多层膜微观结构和氧化行为进行了研究，单一TiN膜抗氧化性明显差于多层膜，且多层膜由于具有较多的过度层，能够有效缓解膜层内应力，减少膜层开裂和剥落现象的发生，据龚海飞等人的试验得出，TiN/Ti多层膜能够耐受550的高温氧化而不发生显著氧化。王海东等13对Ti1-xAlxN涂层中Al含量对涂层的影响进行了研究，研究结果表明在Ti1-xAlxN涂层中，当Al含量为52%时，涂层的显微硬度达到3012HV，结合力和耐磨性较好；从经济性来考虑，使用独立钛、铝靶比钛合金靶成本低。2.3其他涂层除常用

14、的TiN涂层外，还有许多不同工程陶瓷被应用在齿轮表面强化上。1.日本Y. Terauchi 等14研究了用气相沉积法沉积碳化钛或氮化钛陶瓷齿轮的抗摩擦磨损的能力。齿轮在镀覆之前，进行了渗碳和抛光处理，使齿轮表面硬度达到HV720左右，表面的粗糙度为2.4m，碳化钛陶瓷涂层通过化学气相沉积法(CVD)制备，氮化钛用物理气相沉积法(PVD)制备，陶瓷膜层厚度约为2m。通过在有油和干摩擦的情况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的能力得到大幅增强。2.化学镀Ni-P与TiN的复合涂层15-17 通过预涂Ni-P作为过渡层，再沉积TiN制备复合涂层。研究表明，这种复合涂

15、层表面硬度得到一定程度的提高，涂层与基体结合较好，并且具有较佳耐磨性。3.WC/C，B4C薄膜18,19 日本技术学院机械工程系M. Murakawa等人利用PVD技术在齿轮表面沉积WC/C薄膜，在无油润滑的工况下，其使用寿命是普通淬火磨削齿轮的3倍；Franz J等利用PVD技术在FEZ-A和FEZ-C齿轮表面沉积WC/C与B4C薄膜，实验表明：PVD镀层显著减少齿轮摩擦，使齿轮不易出现热胶接或胶合，提高了齿轮的承载能力。图6 WC/C膜齿轮4. CrN薄膜 CrN薄膜与TiN薄膜类似，都具有较高的硬度，而且CrN膜抗高温氧化性比TiN强，耐蚀性较好,其内应力较TiN膜层低，且韧性相对较好。

16、陈灵等20在高速钢表面制备出具有优异膜基结合力的耐磨TiAlCrN/CrN复合膜，还提出了多层膜的位错堆积理论，若两层膜之间的位错能量区别较大，则发生在一层的位错将难以穿过其界面进入另一层，从而在界面处形成位错的堆积，起到强化材料的作用。钟彬等21研究了氮气含量对CrNx薄膜相结构及摩擦磨损性能的影响，研究表明，随着N2含量的增加薄膜中Cr2N（211）衍射峰逐渐减弱，CrN（220）峰逐渐增强，且薄膜表面大颗粒逐渐减少，表面趋于平整，当N2通气量为25ml/min时（靶源弧流为75A，负压100V）沉积出的CrN薄膜具有良好的表面质量、较好的硬度和优良的耐磨性能。图7 CrN膜齿轮5.超硬膜

17、 超硬膜指硬度大于40GPa、具有优异耐磨、耐高温性和低摩擦系数、低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，所以也被称为四面体非晶碳膜。类金刚石涂层（DLC）作为一种非晶碳膜，具有诸多类似金刚石的优良特性，如热导率高、硬度高、弹性模量高、热膨胀系数小、化学稳定性好、良好的耐磨性和较低的摩擦系数等。有研究表明在齿轮表面涂覆类金刚石膜可以延长6倍使用寿命，抗疲劳性能也有显著提高22。C-N膜，又称无定型碳氮膜，其晶体结构类似于-Si3N4共价化合物，因此也被被称为-C3N4。Liu和Cohen等从第一性原理出发，采用赝

18、势能带计算法进行严格的理论计算，确认-C3N4具有较大的结合能，力学结构稳定，至少能一亚稳态存在，并且其弹性模量与金刚石相当23，性能良好，能有效提高材料表面硬度和耐磨性，降低摩擦系数。 图8 C-N膜齿轮6.其他合金耐磨涂层 一些合金耐磨涂层也被尝试应用在齿轮上，例如在45#钢齿轮齿面沉积Ni-P-Co合金层，是合金层获得超细晶粒组织，可延长接触疲劳寿命达1.1441.533倍24。还有学者研究在Cu-Cr-P合金铸铁齿轮齿面涂镀Cu金属层和Ni-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Ni-W和Ni-Co合金涂层，与未涂镀的齿轮相比，耐磨性提高46倍25,26。图9

19、其他合金耐磨涂层3.齿轮测试方法齿轮性能测试主要在齿轮试验台上进行如图所示。图10 齿轮试验台3.1齿轮接触疲劳强度试验齿轮接触疲劳强度试验需按照GB/T14229 93中规定进行。试验应使用功率流封闭式结构的齿轮试验机，试验机的中心距一般为90150mm，试验齿轮线速度为816m/s。试验机的精度应不低于试验齿轮所要求的精度，试验机应具有以下基本功能：1、齿轮断齿时自动停机；2、有保证齿轮良好润滑的循环盆友润滑系统；3、有润滑油油墨度控制装置，回油温度控制在60以下；4、有循环次数记录装置，其记录误差不大于0.1%。齿轮接触疲劳强度试验是以齿面点蚀损伤程度作为接触疲劳失效的判据。判别方法有单

20、齿点蚀面积率和齿轮副点蚀面积率两种（详见GB/T14229 93齿轮接触疲劳强度试验方法）。试验步骤：1、按照国标要求对齿轮试验机的性能进行校验；2、清洗试验齿轮后目测检车，齿面不得有腐蚀、锈蚀或其他形式的损伤，对试验齿轮、轮齿及齿面进行编号；3、试验齿轮安装后应检查齿面接触情况，按照国标要求进行试验时，试验机加载至试验载荷，齿面沿工作齿宽方向接触斑点不小于90%，沿齿高方向接触斑点不小于80%。在试验中，应经常检查试验机的运转情况并控制油温，对静态加载的试验机应根据卸载情况确定重新加载的时间间隔，并做详细记录；根据试验齿轮的接触应力大小确定齿面检查时间间隔，试验初期可用10倍放大镜观察齿面，

21、发现齿面点蚀损伤后应及时根据损伤形貌及扩展趋势缩短检查的时间间隔，以便准确记录达到齿面点蚀损伤极限时的循环次数，若检查齿面时点蚀面积率已超过点蚀损伤极限，则去该段时间间隔的一半做为该间隔达到齿面失效时的时间；试验中需对点蚀损伤的形貌、位置、该齿面的齿序号及应力循环次数进行跟踪检查，并作描述和记录，必要时进行复膜或照相；若试验过程中没有出现齿面点蚀而出现了其他损伤，则应仔细记录损伤的变化情况，并应改善润滑条件及运转条件，当出现中等磨损或胶合时，判断为非接触疲劳失效，该数据不能作为试验点。3.2齿轮弯曲疲劳强度试验齿轮弯曲疲劳强度试验按照GB/T14230 93进行。弯曲疲劳强度试验有两种试验方法

22、：A试验法 使用功率流封闭式结构齿轮试验机（实验条件和流程同接触疲劳测试）；B试验法 使用脉冲疲劳试验机进行试验，根据实验要求及齿轮参数设计卡具，对试验齿轮的轮齿进行脉动加载，直至齿轮出现弯曲疲劳失效或越出，试验终止并获得轮齿在试验应力下的一个寿命数据。试验中，脉搏动载荷仅加载在实验轮齿上，试验齿轮不作啮合运转，所选取的试验轮齿与加过载荷的轮齿至少间隔一个轮齿，每个试验齿轮可得若干试验点，最终按照不同试验点组合测定试验齿轮弯曲疲劳特性曲线及弯曲疲劳极限应力。齿轮弯曲疲劳强度试验失效判据：1.齿根出现疲劳裂纹；2.载荷或频率下降5%10%；3.发生沿齿根断裂。3.3 齿轮噪声测试齿轮装置的振动有

23、两种测量形式：一种是测量箱体的振动；另一种是测量轴的振动。对采用滚动轴承作支承的齿轮装置，当轴承径向间隙较小，轴承和箱体间的相对运动也较小时，应优先选用箱体振动测量。对采用普通滑动轴承作支承的齿轮装置，采用轴振动测量或箱体振动测量均可。但在一定侧频率范围内（典型的为0500Hz），采用轴振动测量可获得用箱体振动测量不易得到的详细信息。箱体振动测量的优点是有较宽的频率范围和动态特性范围，为齿轮啮合频率的分析提供必要的依据。 轴的振动测量通常采用非接触式传感器：测量仪器必须能够读出振动唯一的峰值。当轴的旋转速度小于3000r/min、信号频率小于200Hz且表面摩擦速度小于30m/s。轴的振动唯一

24、应相对于箱体进行测量，应使用非接触式传感器，传感器应安装在尽可能靠近轴承的地方并且固定在箱体刚性较好的部位.应测量轴3个相互垂直方向上的振动，其中的一个方向应与轴线平行。每根轴上必须有一个轴向传感器。 箱体的振动测量通常采用地震式传感器：测量仪器包括一个具有准确的均方根整流特性的电动式仪器，能确定振动速度（mm/s）的均方根值。传感器的安装方法会影响传感器的频率响应，传感器应采用螺钉或螺栓或粘接材料固定。对于轻型的加速度计，如果轮齿啮合的最大基础频率小于1000Hz、振动频率不大于3000Hz时，可采用磁力固定，不允许采用手持式接触测量。测量时应在箱体上刚性较好的部位如轴承座处测量箱体的振动，

25、不应在不支承轴承的箱体部位测量。测量应在3个相互垂直的方向上进行，3个方向重的2个必须位于齿轮回转轴线相垂直的平面内，这个平面最好是水平平面或垂直平面。 试验可具体参照GB/T6404-2005齿轮装置的验收规范中的相关要求。参考文献1. 曲敬信,汪鸿宏.表面工程手册M.北京:化学工业出版社,1998.2. 日本机械学会技术资料出版分科.齿轮强度设计资料M.李茹贞,赵清慧,译.北京:机械工业出版社,1984.3. 张津,程晓萍.齿轮处理及齿轮表面工程技术发展现状J.机械工艺师,1999(2):36-39.4. 邹家生,许峰,卢龙.齿轮表面改性技术研究现状J.江苏科技大学学报,2009,4(23

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