PVD沉積技術(shù)作為新型表面改性技術(shù)已有多年的實(shí)踐，尤其是真空離子鍍技術(shù)，在近幾年獲得了極大的發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用在刀具、模具、活塞環(huán)、齒輪等部件的處理上。通過(guò)真空離子鍍技術(shù)制備的涂層齒輪可大幅降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性和一定的耐腐蝕性，已成為齒輪表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

齒輪常用材料主要為鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵、有色金屬（銅、鋁）和塑料。鋼材主要有45鋼、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB、38CrMoAl，低碳鋼中主要使用20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnTo。鍛鋼由于性能較好，因此在齒輪上應(yīng)用較廣泛，而鑄鋼通常用于制造齒輪直徑＞400mm、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的齒輪。鑄鐵齒輪抗膠合及抗點(diǎn)蝕能力強(qiáng)，但缺乏抗沖擊耐磨性，主要用于工作平穩(wěn)、功率不大低速或尺寸較大形狀復(fù)雜時(shí)，能在缺少潤(rùn)滑的條件下工作，適于開(kāi)放式傳動(dòng)。有色金屬中常用的是錫青銅、鋁鐵青銅和鑄造鋁合金，常用于制造渦輪或齒輪，但滑動(dòng)性和抗摩擦性能較差，只用于輕、中載荷和中低轉(zhuǎn)速齒輪。非金屬材料齒輪主要用于某些具有特殊要求，比如無(wú)油潤(rùn)滑、可靠性高。污染小等條件的領(lǐng)域，像家用電器、醫(yī)療器械、食品機(jī)械和紡織機(jī)械等。

齒輪鍍膜材料

工程陶瓷材料是極具有開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景的材料，工程陶瓷材料具有高的強(qiáng)度和硬度，尤其具有優(yōu)良的耐熱性，低的熱傳導(dǎo)性和熱膨脹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熱，對(duì)金屬磨損小等特點(diǎn)。因此，用陶瓷材料代替金屬材料作耐磨零件可提高摩擦副的壽命，能滿(mǎn)足一些對(duì)材料高溫和高耐磨，多功能等苛刻要求。當(dāng)前，工程陶瓷材料已應(yīng)用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱件、機(jī)械傳動(dòng)中的耐磨件、化工設(shè)備中的耐腐蝕件及密封件，日益顯示陶瓷材料廣泛的應(yīng)用前景。

各發(fā)達(dá)國(guó)家如德、日、美、英等國(guó)家非常重視工程陶瓷材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，競(jìng)相投入大量的資金和人力，發(fā)展工程陶瓷的加工理論和技術(shù)。德國(guó)已推出了一個(gè)名為“SFB442”的計(jì)劃，其目的是利用PVD 技術(shù)，在零件表面合成適當(dāng)?shù)谋∧ひ蕴娲鷮?duì)環(huán)境和人體有潛在危害的潤(rùn)滑介質(zhì)。德國(guó)的P.W.Gold等人利用SFB442計(jì)劃的資金資助，應(yīng)用PVD技術(shù)在滾動(dòng)軸承的表面沉積薄膜，發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承的抗磨性能明顯提高，表面沉積的薄膜完全可以替代極壓抗磨添加劑的功能。德國(guó)的Joachim,Franz等人利用PVD技術(shù)制備WC/C薄膜展示了極好的抗疲勞性能，高于含有EP添加劑的潤(rùn)滑油，這個(gè)結(jié)果同樣得出了用涂層替代有害添加劑的可能性。德國(guó)亞琛技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)學(xué)院的E.Lugscheider等人在DFG（GermanResearch Commission）的資助下，在100Cr6鋼上利用PVD 技術(shù)沉積適當(dāng)?shù)谋∧ず?，證明其抗疲勞強(qiáng)度顯著提高。另外，美國(guó)通用汽車(chē)公司已開(kāi)始在其VolvoS80Turbo 型汽車(chē)的齒輪表面沉積薄膜以提高抗疲勞點(diǎn)蝕能力；著名的Timken公司已推出命名為ES200的齒輪表面薄膜；注冊(cè)商標(biāo)為MAXIT的齒輪涂層已在德國(guó)出現(xiàn)；注冊(cè)商標(biāo)分別為Graphit-iC和Dymon-iC的齒輪涂層在英國(guó)也已出現(xiàn)。

作為機(jī)械傳動(dòng)中的重要零部件，齒輪在工業(yè)中具有重要的地位，因此研究陶瓷材料在齒輪上的應(yīng)用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，應(yīng)用于齒輪上的工程陶瓷主要有以下幾種。

1 TiN

離子鍍TiN陶瓷涂層是目前應(yīng)用最廣泛的一種表面改性涂層，具有高硬度、高粘著強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)、良好的抗腐蝕性等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，特別是在刀具、模具行業(yè)。影響陶瓷涂層在齒輪上應(yīng)用的主要原因是陶瓷涂層與基體之間的結(jié)合力問(wèn)題。由于齒輪的工作條件和影響因素遠(yuǎn)比刀具、模具復(fù)雜，致使單一的TiN涂層在齒輪表面處理上的應(yīng)用受到很大制約。陶瓷涂層雖然具有高硬度、低摩擦系數(shù)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但脆性大，且難以獲得較厚的涂層，故需要硬度高、強(qiáng)度高的基體支撐涂層，才能發(fā)揮其特點(diǎn)。所以，陶瓷涂層多用于硬質(zhì)合金及高速鋼表面。而齒輪材料相對(duì)于陶瓷材料較軟，基體與涂層性質(zhì)差異較大，因此涂層和基體結(jié)合較差，對(duì)涂層支持不足，使得涂層在使用過(guò)程中容易發(fā)生脫落，非但不能發(fā)揮陶瓷涂層的優(yōu)勢(shì)，反而脫落的陶瓷涂層顆粒會(huì)對(duì)齒輪造成磨料磨損，加快齒輪的磨損失效。目前的解決方法是采用復(fù)合表面處理技術(shù)，改善陶瓷與基體間結(jié)合力。復(fù)合表面處理技術(shù)指物理氣相沉積涂層與其它表面處理工藝或涂層相結(jié)合，采用兩種單獨(dú)的表面/次表面對(duì)基體材料表面進(jìn)行改性，以獲得單一表面處理工藝所不能達(dá)到的復(fù)合機(jī)械性能。通過(guò)離子氮化和PVD沉積TiN復(fù)合涂層是目前研究最多的一種復(fù)合涂層，等離子氮化基體與TiN陶瓷復(fù)合涂層具有較強(qiáng)的結(jié)合力，且耐磨性得到顯著提高。

具有優(yōu)良耐磨性和膜基結(jié)合力的TiN膜層的最佳厚度約為3~4μm，若膜層厚度小于2μm，則耐磨性提升不明顯；若膜層厚度大于5μm則膜基結(jié)合力下降。

2多層、多組元TiN涂層

隨著TiN涂層應(yīng)用的逐漸廣泛，對(duì)如何改善和提高TiN涂層的研究越來(lái)越多。近些年來(lái)，人們?cè)诙猅iN涂層的基礎(chǔ)上研制出了多組元涂層和多層涂層，如Ti-C-N，Ti-C-N-B，Ti-Al-N，Ti-B-N，(Ti_x,Cr_1-x)N，TiN/Al₂O₃等^[10]。通過(guò)向TiN涂層中添加Al、Si等元素，可以提高涂層的抗高溫氧化性及硬度，而加入B等元素可提高涂層的硬度和附著強(qiáng)度。

由于多組元成分的復(fù)雜性，對(duì)此研究也存在很多爭(zhēng)議．在對(duì)(Ti_x,Cr_1-x)N多組元涂層的研究中，研究結(jié)果存在較大爭(zhēng)議。有人認(rèn)為(Ti_x,Cr_1-x)N涂層是以TiN為基，Cr只能以置換固溶體的形式存在于TiN點(diǎn)陣中，而不能作為獨(dú)立的CrN相存在^[11]；另外一些研究表明：(Ti_x,Cr_1-x)N涂層中Cr原子直接置換Ti原子數(shù)量有限，其余的Cr則以單質(zhì)態(tài)存在或與N形成化合物。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：涂層中添加Cr能減小表面顆粒尺寸，提高硬度，當(dāng)Cr的質(zhì)量百分含量達(dá)到3l％時(shí)，涂層硬度達(dá)到最高值，但涂層的內(nèi)應(yīng)力也達(dá)最大值。

3其他涂層

除常用的TiN涂層外，還有許多不同工程陶瓷被應(yīng)用在齒輪表面強(qiáng)化上。

（1）日本Y. Terauchi 等研究了用氣相沉積法沉積碳化鈦或氮化鈦陶瓷齒輪的抗摩擦磨損的能力。齒輪在鍍覆之前，進(jìn)行了滲碳和拋光處理，使齒輪表面硬度達(dá)到HV720左右，表面的粗糙度為2.4μm，碳化鈦陶瓷涂層通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備，氮化鈦用物理氣相沉積法(PVD)制備，陶瓷膜層厚度約為2μm。通過(guò)在有油和干摩擦的情況下分別研究其摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)鍍覆陶瓷涂層后齒輪副的抗咬合性和抗劃傷的能力得到大幅增強(qiáng)。

（2）化學(xué)鍍Ni-P與TiN的復(fù)合涂層通過(guò)預(yù)涂Ni-P作為過(guò)渡層，再沉積TiN制備復(fù)合涂層。研究表明，這種復(fù)合涂層表面硬度得到一定程度的提高，涂層與基體結(jié)合較好，并且具有較佳耐磨性。

（3）WC/C，B₄C薄膜日本技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系M. Murakawa等人利用PVD技術(shù)在齒輪表面沉積WC/C薄膜，在無(wú)油潤(rùn)滑的工況下，其使用壽命是普通淬火磨削齒輪的3倍；Franz J等利用PVD技術(shù)在FEZ-A和FEZ-C齒輪表面沉積WC/C與B₄C薄膜，實(shí)驗(yàn)表明：PVD鍍層顯著減少齒輪摩擦，使齒輪不易出現(xiàn)熱膠接或膠合，提高了齒輪的承載能力。

（4） CrN薄膜 CrN薄膜與TiN薄膜類(lèi)似，都具有較高的硬度，而且CrN膜抗高溫氧化性比TiN強(qiáng)，耐蝕性較好,其內(nèi)應(yīng)力較TiN膜層低，且韌性相對(duì)較好。陳靈等^[20]在高速鋼表面制備出具有優(yōu)異膜基結(jié)合力的耐磨TiAlCrN/CrN復(fù)合膜，還提出了多層膜的位錯(cuò)堆積理論，若兩層膜之間的位錯(cuò)能量區(qū)別較大，則發(fā)生在一層的位錯(cuò)將難以穿過(guò)其界面進(jìn)入另一層，從而在界面處形成位錯(cuò)的堆積，起到強(qiáng)化材料的作用。鐘彬等^[21]研究了氮?dú)夂繉?duì)CrN_x薄膜相結(jié)構(gòu)及摩擦磨損性能的影響，研究表明，隨著N₂含量的增加薄膜中Cr₂N（211）衍射峰逐漸減弱，CrN（220）峰逐漸增強(qiáng)，且薄膜表面大顆粒逐漸減少，表面趨于平整，當(dāng)N₂通氣量為25ml/min時(shí)（靶源弧流為75A，負(fù)壓100V）沉積出的CrN薄膜具有良好的表面質(zhì)量、較好的硬度和優(yōu)良的耐磨性能。

（5）超硬膜 超硬膜指硬度大于40GPa、具有優(yōu)異耐磨、耐高溫性和低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)的固體薄膜，主要是非晶金剛石膜和C-N膜。非晶金剛石膜具有非晶特性，沒(méi)有長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，含有大量C-C四面體鍵，所以也被稱(chēng)為四面體非晶碳膜。類(lèi)金剛石涂層（DLC）作為一種非晶碳膜，具有諸多類(lèi)似金剛石的優(yōu)良特性，如熱導(dǎo)率高、硬度高、彈性模量高、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好、良好的耐磨性和較低的摩擦系數(shù)等。有研究表明在齒輪表面涂覆類(lèi)金剛石膜可以延長(zhǎng)6倍使用壽命，抗疲勞性能也有顯著提高^[22]。C-N膜，又稱(chēng)無(wú)定型碳氮膜，其晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)似于β-Si₃N₄共價(jià)化合物，因此也被被稱(chēng)為β-C₃N₄。Liu和Cohen等從第一性原理出發(fā)，采用贗勢(shì)能帶計(jì)算法進(jìn)行嚴(yán)格的理論計(jì)算，確認(rèn)β-C₃N₄具有較大的結(jié)合能，力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，至少能一亞穩(wěn)態(tài)存在，并且其彈性模量與金剛石相當(dāng)^[23]，性能良好，能有效提高材料表面硬度和耐磨性，降低摩擦系數(shù)。

（6）其他合金耐磨涂層 一些合金耐磨涂層也被嘗試應(yīng)用在齒輪上，例如在45#鋼齒輪齒面沉積Ni-P-Co合金層，是合金層獲得超細(xì)晶粒組織，可延長(zhǎng)接觸疲勞壽命達(dá)1.144~1.533倍。還有學(xué)者研究在Cu-Cr-P合金鑄鐵齒輪齒面涂鍍Cu金屬層和Ni-W合金涂層，提高其接觸疲勞強(qiáng)度；在HT250鑄鐵齒輪齒面上涂鍍Ni-W和Ni-Co合金涂層，與未涂鍍的齒輪相比，耐磨性提高4~6倍。

——文本由真空鍍膜設(shè)備廠(chǎng)家廣東振華科技發(fā)布