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

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，因此在齒輪上應用較廣泛，而鑄鋼通常用于制造齒輪直徑＞400mm、結構復雜的齒輪。鑄鐵齒輪抗膠合及抗點蝕能力強，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雜時，能在缺少潤滑的條件下工作，適于開放式傳動。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，但滑動性和抗摩擦性能較差，只用于輕、中載荷和中低轉速齒輪。非金屬材料齒輪主要用于某些具有特殊要求，比如無油潤滑、可靠性高。污染小等條件的領域，像家用電器、醫(yī)療器械、食品機械和紡織機械等。

齒輪鍍膜材料

工程陶瓷材料是極具有開發(fā)應用前景的材料，工程陶瓷材料具有高的強度和硬度，尤其具有優(yōu)良的耐熱性，低的熱傳導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，對金屬磨損小等特點。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，能滿足一些對材料高溫和高耐磨，多功能等苛刻要求。當前，工程陶瓷材料已應用于制造發(fā)動機耐熱件、機械傳動中的耐磨件、化工設備中的耐腐蝕件及密封件，日益顯示陶瓷材料廣泛的應用前景。

各發(fā)達國家如德、日、美、英等國家非常重視工程陶瓷材料的開發(fā)與應用，競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。德國已推出了一個名為“SFB442”的計劃，其目的是利用PVD 技術，在零件表面合成適當的薄膜以替代對環(huán)境和人體有潛在危害的潤滑介質。德國的P.W.Gold等人利用SFB442計劃的資金資助，應用PVD技術在滾動軸承的表面沉積薄膜，發(fā)現滾動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。德國的Joachim,Franz等人利用PVD技術制備WC/C薄膜展示了極好的抗疲勞性能，高于含有EP添加劑的潤滑油，這個結果同樣得出了用涂層替代有害添加劑的可能性。德國亞琛技術大學材料科學學院的E.Lugscheider等人在DFG（GermanResearch Commission）的資助下，在100Cr6鋼上利用PVD 技術沉積適當的薄膜后，證明其抗疲勞強度顯著提高。另外，美國通用汽車公司已開始在其VolvoS80Turbo 型汽車的齒輪表面沉積薄膜以提高抗疲勞點蝕能力；著名的Timken公司已推出命名為ES200的齒輪表面薄膜；注冊商標為MAXIT的齒輪涂層已在德國出現；注冊商標分別為Graphit-iC和Dymon-iC的齒輪涂層在英國也已出現。

作為機械傳動中的重要零部件，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用具有非常重要的現實意義。目前，應用于齒輪上的工程陶瓷主要有以下幾種。

1 TiN

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

具有優(yōu)良耐磨性和膜基結合力的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則膜基結合力下降。

2多層、多組元TiN涂層

隨著TiN涂層應用的逐漸廣泛，對如何改善和提高TiN涂層的研究越來越多。近些年來，人們在二元TiN涂層的基礎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度。

由于多組元成分的復雜性，對此研究也存在很多爭議．在對(Ti_x,Cr_1-x)N多組元涂層的研究中，研究結果存在較大爭議。有人認為(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點陣中，而不能作為獨立的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原子數量有限，其余的Cr則以單質態(tài)存在或與N形成化合物。相關實驗結果表明：涂層中添加Cr能減小表面顆粒尺寸，提高硬度，當Cr的質量百分含量達到3l％時，涂層硬度達到最高值，但涂層的內應力也達最大值。

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用在齒輪表面強化上。

（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，進行了滲碳和拋光處理，使齒輪表面硬度達到HV720左右，表面的粗糙度為2.4μm，碳化鈦陶瓷涂層通過化學氣相沉積法(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。

（2）化學鍍Ni-P與TiN的復合涂層通過預涂Ni-P作為過渡層，再沉積TiN制備復合涂層。研究表明，這種復合涂層表面硬度得到一定程度的提高，涂層與基體結合較好，并且具有較佳耐磨性。

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

（4） CrN薄膜 CrN薄膜與TiN薄膜類似，都具有較高的硬度，而且CrN膜抗高溫氧化性比TiN強，耐蝕性較好,其內應力較TiN膜層低，且韌性相對較好。陳靈等^[20]在高速鋼表面制備出具有優(yōu)異膜基結合力的耐磨TiAlCrN/CrN復合膜，還提出了多層膜的位錯堆積理論，若兩層膜之間的位錯能量區(qū)別較大，則發(fā)生在一層的位錯將難以穿過其界面進入另一層，從而在界面處形成位錯的堆積，起到強化材料的作用。鐘彬等^[21]研究了氮氣含量對CrN_x薄膜相結構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，且薄膜表面大顆粒逐漸減少，表面趨于平整，當N₂通氣量為25ml/min時（靶源弧流為75A，負壓100V）沉積出的CrN薄膜具有良好的表面質量、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、低熱膨脹系數的固體薄膜，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，沒有長程有序結構，含有大量C-C四面體鍵，所以也被稱為四面體非晶碳膜。類金剛石涂層（DLC）作為一種非晶碳膜，具有諸多類似金剛石的優(yōu)良特性，如熱導率高、硬度高、彈性模量高、熱膨脹系數小、化學穩(wěn)定性好、良好的耐磨性和較低的摩擦系數等。有研究表明在齒輪表面涂覆類金剛石膜可以延長6倍使用壽命，抗疲勞性能也有顯著提高^[22]。C-N膜，又稱無定型碳氮膜，其晶體結構類似于β-Si₃N₄共價化合物，因此也被被稱為β-C₃N₄。Liu和Cohen等從第一性原理出發(fā)，采用贗勢能帶計算法進行嚴格的理論計算，確認β-C₃N₄具有較大的結合能，力學結構穩(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^[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。

（6）其他合金耐磨涂層 一些合金耐磨涂層也被嘗試應用在齒輪上，例如在45#鋼齒輪齒面沉積Ni-P-Co合金層，是合金層獲得超細晶粒組織，可延長接觸疲勞壽命達1.144~1.533倍。還有學者研究在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。

——文本由真空鍍膜設備廠家廣東振華科技發(fā)布