齿轮齿面沉积膜摩擦磨损性能试验研究

 瞿志俊，王荣林，孙松丽，陆广华

 （南京理工大学泰州科技学院机械工程学院，江苏  泰州  225300）

摘要：为了提高齿轮齿面干运转能力，采用离子束复合沉积设备，在两种不同制备工艺参数下沉积两种沉积膜，基材为齿轮钢。采用UMT-Ⅱ多功能摩擦磨损试验机对两种试样进行摩擦磨损性能试验研究。结果表明：试样Ⅱ的摩擦磨损特性比试样I的摩擦磨损特性好。

关键词：齿轮齿面；沉积膜；摩擦磨损性能 中图分类号：TH117.1：TH132. 41  

0  引言

 齿轮作为传动部件在机械行业中得到广泛应用。齿轮工作时的受力和运动情况十分复杂，由此产生多种损伤形式，常见且较严重的是断齿、破坏性点蚀和破坏性胶合，从而导致其使用寿命缩短。在齿轮传动过程中，齿面存在滚动摩擦和滑动摩擦，齿面摩擦会引起齿面温度升高，过高的齿面温度是齿轮胶合失效的主要原因，而且齿面摩擦在点蚀形成、齿根裂纹萌

生与扩展及轮齿断裂过程中起到加速作用。因此为实现齿轮长时间高效可靠的运行，齿轮不仅要具有心部高的强度和耐冲击韧性，而且齿面要有好的耐磨减摩特性。所以，人们将一些新的表面强化理论及技术应用于齿轮齿面研究领域，在齿轮齿面形成各种耐磨减摩的沉积膜，起到了固体润滑剂的作用。为了研究两种齿轮齿面膜层的摩擦磨损特性，本文在于摩擦状态下进行销盘模式摩擦磨损试验，获得两种试样在同载荷、不同线速度下的摩擦磨损特性。

1试验部分

1.1  试样制备

 两种沉积膜层试样是在离子束复合沉积设备上制备的，沉积膜层分别沉积在尺寸为Ф30 mm×10 mm的40Cr齿轮钢圆柱体端面上。试样I的沉积膜层工艺参数为：偏压电压390 V，偏压电流1A，气压5×10-2 Pa，WS2的S/W为1.86，Ag的质量分数为5.3%。试样Ⅱ的沉积膜层工艺参数为：偏压电压360 V，偏压电流1A，气压6×10-2 Pa，WS2的S/W为1.86，Ag的质量分数为5. 5%。两种沉积膜层制备完后，分别用同种抛光膏对两种沉积膜层进行抛光。对磨试样采用Ф4 mm氮化硅(Si3N4)小球。

1.2试验方法

 试验在UMT-Ⅱ多功能摩擦磨损试验机（见图1）上进行。该试验采用销盘运动模式，试验时上试样为Ф4 mm氮化硅(Si3 N4)小球，下试样为沉积膜层试样，上试样固定不动，下试样旋转运动，如图2所示。

 试验前用乙醇清洁试样摩擦表面，在室温条件和干摩擦状态下进行摩擦磨损试验，试验时载荷为22N，分别在圆柱体端面的不同半径上进行，不同半径对应不同的线速度（见表1）。每次（各线速度）摩擦磨损试验时间由沉积膜层磨破情况确定。

2  结果及分析

2.1  试样I、试样Ⅱ的摩擦因数和沉积膜磨破所需时间

 由试样I的摩擦因素曲线图（见图3）和试样Ⅱ的摩擦因素曲线图（见图4）可知：不同线速度时摩擦因数曲线前部分值很小，且比较平稳，前部分是膜层的摩擦因数；随着试验的进行，不久后摩擦因数突然变为原来的几倍，原因是氮化硅小球磨破了沉积膜，从而造成

摩擦因数突变，突变后的摩擦因数是小球与试样基体之间的摩擦因数，因此摩擦因数突变的时刻就是膜层磨破的时刻。

  由试验数据可得：试样I在线速度0. 05 m／s时的摩擦因数为0. 036，沉积膜层磨破所需时间是378 s；线速度0. 07 m／s时的摩擦因数为0.046，沉积膜层磨破所需时间是211 s；线速度0.09 m/s时的摩擦因数为0. 045，沉积膜层磨破所需时间是180 s；线速度0.15 n1／s时的摩擦因数为0.051，沉积膜层磨破所需时间是172 s；线速度0.17 m/s时的摩擦因数为0. 052，沉积膜层磨破所需时间是113 s。由试验数据可得：试样Ⅱ在线速度0. 05 m/s时的摩擦因数为0. 043，沉积膜层磨破所需时间是440 s；线速度0.07m/s时的摩擦因数为0.040，沉积膜层磨破所需时间是437 s；线速度0.09 m/s时的摩擦因数为0.046，沉积膜层磨破所需时间是317 s；线速度0.15 m/s时的摩擦因数为0. 050，沉积膜层磨破所需时间是268 s；线速度0. 17 m／s时的摩擦因数为o．045，沉积膜层磨破所需时间是326 s。

2.2  不同线速度对试样I、试样Ⅱ摩擦因数及沉积膜磨破所需时间的影响

 图5给出了试样I、试样Ⅱ沉积膜摩擦因数与线速度的关系曲线。图6给出了试样I、试样Ⅱ沉积膜磨破所需时间与线速度的关系曲线。

 通过图5、图6可以看出：线速度0.05 m/s时试样Ⅱ的摩擦因数比试样I的大，同时试样Ⅱ沉积膜磨破所需时间也比试样I的长；线速度0. 07 m／s时试样Ⅱ的摩擦因数比试样I的小，而试样Ⅱ沉积膜磨破所需时间却比试样I的长；线速度0. 09 m/s时试样Ⅱ的摩擦因数比试样I的大，但相差不大，同时试样Ⅱ沉积膜磨破所需时间也比试样I的长；线速度0.15 m/s时试样Ⅱ的摩擦因数比试样I的小，但相差不大，而试样Ⅱ沉积膜磨破所需时间却比试样工的长；线速度0. 17 m/s时试样Ⅱ的摩擦因数比试样I的小，而试样Ⅱ沉积膜磨破所需时间却比试样工的长。由图5可知：试样I、试样Ⅱ的摩擦因数都小于0. 06，且试样I、试样Ⅱ摩擦因数随着线速度的增大而有增大的趋势，试样I的摩擦因数随线速度的增大而增大更为明

显，且低速阶段时摩擦因数随线速度的增大而增大比较剧烈，但随着线速度的不断增大摩擦因数逐渐趋于稳定；试样Ⅱ的摩擦因数随线速度的增大变化不大，没有随线速度的增大而不断增大，而是小范围的上下波动缓慢增大；从曲线的走向看，开始阶段两试样的摩擦因数大小没有明显的不同，随着线速度不断增大试样Ⅱ的摩擦因数小于试样I。通过图6可知：试样I、试样Ⅱ沉积膜磨破所需时间都随着线速度的增大而缩短；试样I沉积膜在低速时磨破所需时间最长，但在高速时膜层磨破所需时间急剧减少；试样Ⅱ沉积膜随线速度的增大，磨破所需时间没有发生剧烈减少，同时在高速时出现所需时间增大情形，但从总体来看，是以波动的形式缓慢减少；还可以发现试样Ⅱ沉积膜磨破所需时间曲线在试样I沉积膜磨破所需时间曲线之上，说明试样Ⅱ沉积膜的耐磨性比试样I沉积膜好。

 通过对以上试验结果分析，可初步确定试样Ⅱ的摩擦磨损特性比试样I的摩擦磨损特性好。

3结论

 (1)试样工、试样Ⅱ摩擦因数随着线速度的增大而有增大的趋势，试样I摩擦因数增大更明显，随着线速度的增大逐渐趋于稳定；试样Ⅱ摩擦因数变化不大，是小范围上下波动缓慢增大。

 (2)开始阶段两试样摩擦因数大小没有明显不同，随线速度不断增大试样Ⅱ摩擦因数小于试样I摩擦因数。

 (3)试样I、试样Ⅱ沉积膜破所需时间都随线速度增大而减少；试样Ⅱ沉积膜磨破所需时间曲线在试样工沉积膜磨破所需时间曲线之上，试样Ⅱ沉积膜的耐磨性比试样I沉积膜的好。

 (4)初步确定试样Ⅱ的摩擦磨损特性比试样I的摩擦磨损特性好。