论文部分内容阅读
齿轮传动是机械传动中最重要的传动方式之一,但齿轮传动过程中啮合表面存在摩擦磨损现象,为了提高齿轮材料的性能和寿命,传统的方法是增加材料表面硬度和使用润滑油,但这些措施并不总是在所有情况下都有效。增加材料表面硬度会使材料表面韧性降低、抗疲劳性能降低并且加速对磨件的磨损,润滑油在极端工况条件下又会失去其润滑效果。因此,如何提高齿轮材料的自润滑性能,减少材料损失和能源消耗具有重要的意义。本文为了研究固体润滑膜存在的重要性,结合了模拟分析与实验研究。模拟部分通过Ansys Workbench平台,研究渗层的存在对滚子接触压强的影响,利用静力学模块对滚子接触进行了一层、两层、三层梯度扩渗层有限元模拟,通过静力学分析了滚子在各类渗层情况下的接触压强,在此基础上计算了不同渗层疲劳寿命,讨论了渗层厚度对接触压强的影响,并进行了参数敏感性分析。实验部分以齿轮材料40Cr钢为研究对象,采用化学浴沉积渗硫和低温离子渗硫方法在40Cr表面制备了FeS膜,使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱（EDS）等方法表征并研究了温度对于微观组织、微裂纹和摩擦学性能的影响。结果表明:（1）模拟分析发现在同样的载荷条件下,接触压强主要受到最外层渗层厚度影响最大。低碳钢渗碳时,渗碳层厚度对接触压强敏感性为正相关;低碳钢渗碳渗铬时,渗铬层厚度对接触压强敏感性为正相关;低碳钢渗碳渗铬渗硫时,FeS层厚度对接触压强敏感性为负相关。通过对滚子的疲劳寿命进行分析发现,同样载荷条件下滚子接触,对于低碳钢已经发生了屈服破坏;低碳钢渗碳时,材料寿命提升到95009次;低碳钢渗碳渗铬时,相比于低碳钢渗碳时寿命提升了1.5倍;低碳钢渗碳渗铬渗硫时,相比于低碳钢渗碳时寿命提升了6倍。（2）化学浴沉积渗硫最佳盐液温度为50℃,因为在这个温度范围时涂层主要由成分为FexSy(FeS、FeS2和Fe1-xS)且FeS含量最高,FeS涂层为菊花状,由FeS晶体组成。菊花状颗粒在接近40℃左右开始形核,在5070℃左右迅速生长并达到峰值厚度,在90℃消失并被无序的厚大花瓣所取代。化学浴沉积渗硫处理后,钢的耐磨性明显提高,这是因为渗硫后的涂层能在长期摩擦试验中提供更好的润滑,提高了钢的耐磨性。（3）低温离子渗硫最佳渗硫温度为190℃,因为在这个温度时薄膜主要由成分为FeS和FeS2,且FeS/FeS2的比值最大,生成的FeS含量最多。润滑薄膜表面为纳米球状颗粒凸起组成,纳米球状颗粒凸起主要成分为FeS和FeS2,纳米球状颗粒凸起随着温度的升高不断长大,在210℃到230℃之间是生长速率达到最大。低温离子渗硫处理后,钢的耐磨性明显提高,这是因为渗硫后形成的薄膜能够提供更好的润滑,提高了钢的耐磨性。本文化学浴沉积渗硫部分是将工件沉?于液体中,对工件尺寸和外形无要求,且化学浴沉积渗硫速度快,渗层质量好,厚度适中,无污染和价格便宜等优点。双层辉光低温离子渗硫时,以双电源分别控制工件温度和硫罐温度,解决了传统低温离子渗硫时工件和硫罐只能用同一电源控制温度的缺点。