基于电子束的齿轮材料表面梯度涂层复合制备工艺及性能研究

发布时间：2017-10-21 03:22

  本文关键词：基于电子束的齿轮材料表面梯度涂层复合制备工艺及性能研究

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【摘要】：耐磨性能是所有齿轮应具备的最重要性能之一,对于一些在特殊工况下工作的齿轮,还要求其具有高耐腐蚀性和耐高温氧化性等。目前的齿轮表面强化手段并不能完全满足特殊用途高性能齿轮的要求。目前所用的齿轮强化工艺,如PVD、CVD和TD等技术均无法同时获得大层深和高硬度兼备的涂层。因而用复合强化手段在齿轮表面制备梯度涂层已成为目前齿轮表面强化研究的热点。本文针对传统工艺不能获得结合良好并在表层形成超细晶的梯度涂层的特点,在理论分析强流脉冲电子束(HCPEB)对梯度涂层改性作用的基础上,采用化学热处理复合工艺制备了两种可用于特殊场合的齿轮涂层,并开展相应工艺、组织和性能研究。利用HCPEB改性用PVD方法制备的Cr/CrN涂层,研究其微观组织结构和性能,结果表明,HCPEB技术对材料表层力学性能的影响深度高达450μm,适当的HCPEB工艺参数可使梯度涂层在保留一定厚度的同时,还可使涂层元素扩散到一定深度,实现涂层的冶金结合,从而使涂层的结合力提高2倍以上。组织性能实验分析表明,对于经HCPEB工艺改性后的涂层材料,影响其摩擦磨损性能的因素很多,主要包括涂层与基体硬度的关系、涂层的厚度、表面粗糙度及磨屑,其中涂层或改性层硬度与厚度及结合力是影响涂层磨损性能的重要因素,在一定范围内的粗糙度对涂层材料的磨损并不会起到决定性的作用。并且氧化磨损和疲劳磨损并存是Cr/CrN被HCPEB改性前、后的主要磨损方式。根据渗碳、渗氮等传统工艺可使改性层的厚度高达mm级、电沉积Cr层具有高耐磨性和耐腐蚀性,同时HCPEB技术具有可在极短时间内作用到具有复合强化涂层的齿轮表面,并瞬间引发表层熔融、汽化、及应力波、冲击波和增加扩散等一系列物理化学反应等特点,设计了复合HCPEB技术、热扩渗C、N和电沉积Cr工艺相结合的工艺路线,通过组织和性能研究结果表明,可得到厚度高达100μm的纳米级等轴晶粒结构Cr层,在渗C、N层两边的界面都有来自相邻涂层的扩散元素,使得涂层截面硬度缓慢梯度过渡,断口没有明显的分界,从表层到内部为解理断口过渡到韧窝断口,并且还拥有良好的耐磨性和耐腐蚀性。另外,结合渗B层可以达到超高硬度和高红硬性,再次设计了复合HCPEB、热扩渗C、N和扩渗B工艺想结合的工艺路线,通过组织和性能研究结果表明,扩渗B层工艺的改性层厚度高达305μm,涂层的硬度高达1400HV,最终梯度过渡到700HV左右,层与层之间元素相互扩散,结合紧密,另外从表面到心部依次为韧窝→解理→准解理→韧窝的断口形貌进一步证明了他的优良力学性能。本文提出了HCPEB工艺、PVD、热扩渗技术与化学沉积技术的齿轮表面复合涂层新工艺,并具体实现了HCPEB、PVD Cr/CrN涂层;HCPEB、热扩渗C、N和电沉积Cr;HCPEB、热扩渗C、N和扩渗B三条具体的齿轮表面复合涂层制备工艺,系统研究了各工艺条件下的齿轮材料的表面形貌、表层硬度、表面粗糙度、涂层结合力以及摩擦磨损性能等。实现了齿轮涂层的超细晶及表层力学性能的梯度过渡。
【关键词】：HCPEB PVD Cr/CrN涂层 复合工艺 电沉积Cr 扩渗B
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1.绪论11-25
• 1.0 问题的提出11-12
• 1.1 研究意义12-13
• 1.2 齿轮的主要失效形式及其在齿轮材料方面的改善措施13-14
• 1.2.1 齿轮的失效形式13-14
• 1.2.2 改善齿轮失效的齿轮材料方面的措施14
• 1.3 常用齿面强化方式14-20
• 1.3.1 淬火15
• 1.3.2 渗氮、渗氮15
• 1.3.3 表面淬火15
• 1.3.4 机械能表面强化15-16
• 1.3.5 表面涂层技术16-18
• 1.3.6 高能束表面强化18-20
• 1.4 梯度涂层制备工艺及其在齿轮上的应用20-24
• 1.4.1 梯度涂层的发展20-21
• 1.4.2 梯度涂层制备工艺21-23
• 1.4.3 梯度涂层在齿轮上的应用23-24
• 1.5 主要研究内容24-25
• 2.涂层界面扩散基础理论25-35
• 2.1 菲克定律25-27
• 2.1.1 菲克第一定律25
• 2.1.2 菲克第二定律25-27
• 2.2 界面扩散27-29
• 2.2.1 扩散机理27
• 2.2.2 表面扩散27-28
• 2.2.3 晶界扩散及运动28-29
• 2.3 Kirkendall效应29-30
• 2.4 反应扩散30
• 2.5 扩散的热力学30-32
• 2.5.1 扩散驱动力30-31
• 2.5.2 扩散系数D31-32
• 2.6 扩散的影响因素32-35
• 3.梯度涂层制备工艺及试验方法35-49
• 3.1 齿轮梯度涂层设计35-37
• 3.1.1 梯度涂层设计思路35-36
• 3.1.2 齿轮涂层性能要求36-37
• 3.2 涂层材料及结构的选择37-40
• 3.3 齿轮材料及处理工艺40-41
• 3.4 涂层制备工艺41-43
• 3.5 梯度涂层的处理工艺及设备43-45
• 3.5.1 HCPEB改性43-44
• 3.5.2 反应磁控溅射镀膜44-45
• 3.5.3 渗C、N及渗B工艺45
• 3.5.4 电沉积硬Cr工艺45
• 3.5.5 淬火45
• 3.6 组织结构分析方法及设备45-46
• 3.7 性能分析测试方法及设备46-48
• 3.8 本章小结48-49
• 4.HCPEB对磁控溅射Cr/CrN涂层组织性能的影响49-71
• 4.1 试验工艺49-50
• 4.2 表面形貌及组织结构50-54
• 4.2.1 表面形貌50-52
• 4.2.2 表面硬度52-53
• 4.2.3 表面粗糙度53-54
• 4.3 截面元素分布及物理性能54-62
• 4.3.1 截面形貌及元素分布54-59
• 4.3.2 截面硬度59-60
• 4.3.3 涂层结合力60-62
• 4.4 涂层的磨损性能及磨损机制62-69
• 4.4.1 涂层的滑动摩擦磨损性能62-65
• 4.4.2 磨损机制65-68
• 4.4.3 影响改性后的Cr/CrN涂层耐磨性的因素68-69
• 4.4.4 磨损机制与摩擦磨损性能的关系69
• 4.5 本章小结69-71
• 5.电子束化学热处理复合工艺涂层组织与性能研究71-87
• 5.1 表面形貌及XRD分析71-73
• 5.1.1 表面形貌71-72
• 5.1.2 表面XRD分析72-73
• 5.2 截面组织及物理性能73-82
• 5.2.1 截面组织73-77
• 5.2.2 断.形貌77-80
• 5.2.3 截面硬度80-81
• 5.2.4 结合力81-82
• 5.3 摩擦磨损特性82-84
• 5.4 表面耐腐蚀性能84-85
• 5.5 本章小结85-87
• 6.结论与展望87-89
• 6.1 结论87-88
• 6.2 展望88-89
• 致谢89-91
• 参考文献91-97
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果97-98

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 赵铁钧;田小梅;高波;涂赣峰;;电子束表面处理的研究进展[J];材料导报;2009年05期

2 张雷,周科朝,李志友,张晓泳;功能梯度材料的制备技术[J];粉末冶金材料科学与工程;2003年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 戎磊;激光熔覆碳化钨颗粒增强镍基合金梯度涂层的研究[D];上海交通大学;2011年

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本文编号：1070997