表面改性技术

先进制造技术课程论文

论文题目：［高速齿轮表面改性工艺方法研究］

系部：机械工程系

专业：机械制造与制动化

班级：机制103

学生姓名：

学号：100114314

2012年10 月10 日

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．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_l ．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．德国权威机构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的数量约占所调查对象总数的．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

关键字：齿轮表面改性现代表面技术

一、表面改性技术：

表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。材料经表面改性处理后，既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能（如耐磨，耐高温，合适的射线吸收、辐射和反射能力，超导性能，润滑，绝缘，储氢等）

表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命，节约稀、贵材料，节约能源，改善环境，并对各种高薪技术的发展具有重要作用。表面改性技术的研究和应用已有多年。70年代中期以来，国际上出现了表面改性热，表面改性技术越来越受到人们的重视。

表面改性的特点是：

（1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料。

（2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比。

（3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。

（4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。

表面改性技术应用：表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域，通过表面改性可以使材料性能提高，产品质量提高，降低企业成本。表面技术的应用，在提高零部件的使用寿命和可靠性，提高产品质量，增加产品的竞争力，以及节约材料，节约能源，促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。

二、一般传统齿轮的处理方式

1、金属表面形变强化

喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种应用广泛的表面强化方法，即利用高速弹丸强烈冲击零件表面，使之产生形变硬化层并引进残余压应力。

喷丸强化原理：

（1）形成形变硬化层，在此层内产生两种变化：

一是亚晶粒极大的细化，位错密度增高，晶格畸变增大；

二是形成了高的宏观残余压应力。

（2）表面粗糙度略有增大，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑。

2、表面热处理

表面热处理是指采用快速加热，使钢件表层奥氏体化并立即快冷获得马氏体，而心部仍保持原始组织的一种淬火工艺。

表面热处理工艺有多种，如感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火等。其中最常用的是火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火两种。

（1）感应加热表面淬火后零件的表面性能

①高额感应淬火时，在零件表层中产生较大的压应力，抗疲劳性能增强；

②感应淬火时马氏体组织细小，碳化物弥散细小，硬度高。

③感应淬火时零件经受激烈的喷水冷却，使残余奥氏体量较少，硬度高。

④氧化、脱碳小，组织性能稳定。

（2）火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火设备简单，成本低，但易使钢件表面过热，质量控制比较困难。因此，它主要适用于大型齿轮的表面淬火。

3、金属表面化学热处理

（1）化学热处理原理

将工件置于含有欲渗元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质分解出欲渗元素的活性原子，活性原子被工件表面吸附并向工件内部扩散，以改变工件表层的化学成分。通常，在工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时，心部仍保持良好的韧性，使被处理工件具有抗冲击载荷的能力。

（2）化学热处理方法

主要包括：渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗硅、渗铝、渗铬、渗锌（钛、铌、钽、钒、钨），以及其他多元共渗工艺，例如铝硅共渗、硼铬共渗、碳氮和氮碳共渗、硫氮和硫氮碳共渗等。

（3）化学热处理目的

每一种化学热处理工艺都各有其特点，如果需要分别或同时提高耐磨、减摩、抗咬死、耐蚀、抗高温氧化和耐疲劳性能，则根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。

三、特殊用途齿轮的处理方式

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，一些新的现代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、激光便面强化

采用激光束、电子束、离子束对材料表面进行改性或合金化的技术，是近十几年迅速发展起来的材料表面新技术，是材料科学的最新领域之一，属高能密度表面处理技术。这三种技术的特点是可以对材料表面快速加热和冷却。

激光表面处理工艺: 激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化等。

（1）激光束表面相变硬化

激光束表面相变硬化，又称激光淬火，是以激光束快速照射工件，使表面形成奥氏体，此后急冷形成马氏体。

激光表面强化适用的材料为珠光体灰铸铁、铁素体灰铸铁、球墨铸铁、合金钢和马氏体型不锈钢等。此外，还对铝及铝合金、铜及铜合金等进行了成功的研究和应用。

（2）激光涂覆

激光涂覆就是用激光在基体表面覆盖一层薄的具有特定性能的涂覆材料，这类涂覆材料可以是金属或合金，也可以是非金属、化合物。

激光表面涂覆工艺可分为两种。一种是预涂覆法，即先把熔覆合金通过粘结、喷涂、电镀等方法预置在材料表面上，而后用激光束将其熔覆；另一种是气相送粉法，即在激光束照射基体材料表面产生熔池的同时，用惰性气体将涂层粉末直接喷到激光熔池内实现熔覆。激光涂覆的一个特征就是覆层和基材之间实现了冶金结合。

（3）激光表面非晶化

利用激光束连续快速扫描金属表面，使表层金属熔化，并以大于临界冷却速度激冷至其晶化温度以下，防止晶体成核和生长，从而在金属表面形成非晶，也称金属玻璃。激光非晶化又称激光上釉。

激光非晶化层在金相及电镜下呈均匀的亮白色。激光非晶层的显微硬度远高于相应成分的晶体相。此外，非晶态处理可减少表层成分偏析，消除表层缺陷，具有很好的韧性、耐磨性、耐蚀性。

（4）激光合金化

利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。方法是预先在基体表面涂敷一层所需合金元素，采用激光照射，将涂敷层合金元素与基体表面薄层同时熔化、混合，形成新的表层成分、组织、性能。

激光合金化的主要优点是：激光能使难以接近的和局部的区域合金化；利用激光的深聚焦，在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度；能准确地控制功率密度和控制加热深度，从而减小变形；可以节约大量的贵重元素。

2、化学气相沉积法

化学气相沉积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。目前化学气相淀积已成为无机合成化学的一个新领域。

1、化学气相沉淀法的特点：

1)在中温或高温下通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上。

2)可以在常压或者真空条件下(负压“进行沉积、通常真空沉积膜层质量较好)。

3)采用等离子和激光辅助技术可以显著地促进化学反应使沉积可在较低的温度下进行。

4)涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化从而获得梯度沉积物或